基于動(dòng)特性分析法的海上養(yǎng)殖平臺(tái)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王紹敏，劉海陽(yáng)，郭根喜，陶啟友，黃小華，胡 昱

基于動(dòng)特性分析法的海上養(yǎng)殖平臺(tái)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王紹敏，劉海陽(yáng)，郭根喜※，陶啟友，黃小華，胡 昱

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，廣州 510300）

養(yǎng)殖平臺(tái)是深水養(yǎng)殖過(guò)程中的浮式管理基站，對(duì)其在海面位置進(jìn)行約束是正常使用的先決條件，系泊系統(tǒng)是平臺(tái)安全且準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵所在。針對(duì)使用海域淺水深、多種限制條件下的小尺度、淺吃水海上養(yǎng)殖平臺(tái)，對(duì)其系泊系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用以三維勢(shì)流理論及非線性時(shí)域耦合分析法的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其位移、錨泊系統(tǒng)預(yù)張力、最大張力等方面進(jìn)行仿真校核。結(jié)果表明：淺水情況下，單一鋼鏈的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)和單一纖維繩的張緊式系泊系統(tǒng)不能滿足該平臺(tái)的系泊要求；重新設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)采用1×6的布置方式可以較均勻分配環(huán)境載荷，系泊半徑95 m的情況下，選用95 m（15 m錨鏈+80 m纖維繩）錨腿組成的系統(tǒng)較好地滿足了該平臺(tái)的系泊要求；通過(guò)驗(yàn)算，傳統(tǒng)的懸掛小質(zhì)量水泥塊（約15 kg/塊）的方式對(duì)所設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的產(chǎn)生的效果不顯著，不建議對(duì)設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)增配質(zhì)量；淺水效應(yīng)對(duì)系泊系統(tǒng)安全性的影響以及系泊平臺(tái)六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況還有待深入研究。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；計(jì)算機(jī)仿真；設(shè)計(jì)；養(yǎng)殖平臺(tái)；勢(shì)流理論；系泊系統(tǒng)

0 引 言

深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)近些年來(lái)得到了蓬勃發(fā)展，且深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖正向大型化、深水化及規(guī)模化發(fā)展[1-2]。大面積網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離岸線，其頻繁投喂與實(shí)時(shí)管理使具有綜合功能的養(yǎng)殖平臺(tái)的重要性逐日凸顯，相關(guān)工作在養(yǎng)殖平臺(tái)輔助下完成，可避免餌料與工作人員頻繁長(zhǎng)距離的輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)降本增效。

海上養(yǎng)殖平臺(tái)作為深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖過(guò)程中的的浮式管理基站，對(duì)其在海面的位置進(jìn)行限制是正常使用的先決條件。養(yǎng)殖平臺(tái)在海上會(huì)遭受多種環(huán)境載荷的影響，系泊系統(tǒng)是抵御這些環(huán)境載荷的重要裝備。海上浮體于指定海域的系泊定位一般采用散布式多點(diǎn)系泊方式，系泊纜的張力由于系泊狀態(tài)下的浮體在環(huán)境外載荷的作用下離開初始位置而產(chǎn)生，從而提供了回復(fù)力以約束浮體的運(yùn)動(dòng)在一定的范圍之內(nèi)，以此達(dá)到定位的目的。

浮式結(jié)構(gòu)及其系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性研究在船舶與海洋工程領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展得較快，相關(guān)研究也較多。Wichers等[3]發(fā)展了全耦合時(shí)域數(shù)值模型，研究了深水系泊纜索和立管阻力系數(shù)對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)和系泊纜索張力的耦合影響。Kim 等[4]研究了轉(zhuǎn)塔式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng)（floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO）系泊系統(tǒng)耦合的時(shí)域分析方法，分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性；Arcandra等[5]用非線性桿元法對(duì)聚酯錨腿進(jìn)行分析，考慮系泊纜的大變形和非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性，通過(guò)實(shí)例對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)態(tài)分析。袁夢(mèng)等[6]采用時(shí)域有限元法對(duì)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算的張力與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合；祁祺等[7]利用纜索動(dòng)力學(xué)，設(shè)計(jì)校核了轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)纜索受力情況，得到FPSO系泊系統(tǒng)頻域與時(shí)域的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；張若瑜等[8]以初始位置、纜長(zhǎng)和預(yù)張力等因素為出發(fā)點(diǎn)對(duì)深海系泊系統(tǒng)的動(dòng)張力影響進(jìn)行了研究；劉文璽等[9]通過(guò)浮體和系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析，提出了一種預(yù)報(bào)浮體和系泊系統(tǒng)非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜索張力的分析技術(shù)；李繼鎖等[10]采用懸鏈線方程對(duì)船舶的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析，得到了一些有益的結(jié)論；鄒佳星等[11]用時(shí)域非線性方法對(duì)FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了耦合分析，從系泊系統(tǒng)鋼纜的剩余強(qiáng)度入手，評(píng)估了極端環(huán)境參數(shù)下系泊系統(tǒng)的安全性。

上述多為針對(duì)大尺度結(jié)構(gòu)物與大水深的環(huán)境下的系泊研究，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域除了針對(duì)網(wǎng)箱有系泊方面的研究，如文獻(xiàn)[12-14]，尚未見(jiàn)針對(duì)海上養(yǎng)殖平臺(tái)系泊安全的研究報(bào)道，而且平臺(tái)兼具小尺度、淺吃水，使用海域

淺水深、多種系泊限制條件的特點(diǎn)，使其系泊情況有別于前述研究，這也是本文展開研究的基礎(chǔ)。本文以一艘作業(yè)水深10 m的海上養(yǎng)殖平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)，采用勢(shì)流理論、時(shí)域動(dòng)力分析法對(duì)平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究養(yǎng)殖平臺(tái)系泊狀態(tài)下平面運(yùn)動(dòng)特性與系泊纜張力等響應(yīng)情況，以期獲得平臺(tái)系泊系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)，為平臺(tái)系泊提供技術(shù)參考，對(duì)于養(yǎng)殖平臺(tái)長(zhǎng)效、安全使用具有重要工程意義。

1 數(shù)值計(jì)算理論

1.1 時(shí)域耦合計(jì)算

按三維勢(shì)流理論，流場(chǎng)存在不定常速度勢(shì)φ，可分解為入射勢(shì)φI、繞射勢(shì)φD及輻射勢(shì)φR，對(duì)于無(wú)航速的養(yǎng)殖平臺(tái)在靜水自由面上進(jìn)行六自由度搖蕩時(shí)，φ滿足以下定解條件：

在流場(chǎng)范圍內(nèi)滿足Laplace方程：

物面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件，S為物面：

自由表面（微幅波假定）：

有限水深海底條件：

無(wú)窮遠(yuǎn)處條件：

式中▽為L(zhǎng)aplace算子；x、y、z為空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間；n是物面S上的單位法向量；Un是物體沿對(duì)應(yīng)向量方向的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；H為水深，m；R為流場(chǎng)中某點(diǎn)離擾動(dòng)源的距離，m；k 為波數(shù)；i為虛部單位。

采用格林函數(shù)法[15-16]，將上述定解條件下的控制方程變換成邊界上的積分方程來(lái)進(jìn)行求解。求得速度勢(shì)φ，對(duì)流場(chǎng)的壓力分布進(jìn)行求解，即可得到平臺(tái)受到的總體流體作用力，包括波浪激振力、流體反作用力及回復(fù)力。其中，波浪激振力由入射勢(shì)φI和繞射勢(shì)φD引起的壓力積分求得，流體反作用力則由輻射勢(shì)φR所引起的壓力積分得出。使用全QTF法對(duì)由速度勢(shì)引起的二次傳遞函數(shù)QTF（quadratic transfer function）展開計(jì)算，得出全QTF矩陣，以計(jì)算平臺(tái)的二階波浪力。

平臺(tái)與系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程[17]為：

式中RI（x,˙x˙,t ）為慣性力矢量；RD（x,x˙,t ）為阻尼力矢量；RS（x,t ）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)力矢量；RE（x,x˙,t ）為外力矢量，包括重力和浮力、錨鏈與海底的作用力、海洋環(huán)境力和一些特定的力。對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行非線性時(shí)域分析，采用動(dòng)態(tài)時(shí)域積分，完成每個(gè)時(shí)間步中內(nèi)力、外力平衡迭代，求出在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)特征，最終得到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與錨腿張力時(shí)域響應(yīng)結(jié)果。

1.2 系泊張力

系泊張力的數(shù)值計(jì)算方法采用有限元法，將錨腿分為有限n段，每段的質(zhì)量為mi，每一段的幾何形狀可視為直線，n越大，數(shù)學(xué)模型越準(zhǔn)確，本文n取100。各段上的拉力增量ΔT及錨腿傾斜角增量Δa分別如式（7）、式（8）所示，據(jù)此從假定的初始條件著手，計(jì)算得到錨腿每段的張力和端點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步得到錨腿臥鏈長(zhǎng)度。

式中P、N與T 分別為該段錨鏈上的切向作用力、法向作用力和張力，kN；a為錨腿與水平面的角度，（o）；ki為錨腿材料剛度，N/m；Δs為變形量，m。

2 設(shè)計(jì)對(duì)象及信息

2.1 平臺(tái)主尺度

該平臺(tái)主要服務(wù)于科學(xué)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，滿足餌料投喂、辦公監(jiān)測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)、人居生活、抵御風(fēng)浪、安全生產(chǎn)的要求，其主體按照船舶工程相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 海上養(yǎng)殖平臺(tái)主尺度Table1 Main dimensions of offshore aquaculture platform

依據(jù)平臺(tái)的主尺度及線型，建立水動(dòng)力計(jì)算有限元模型，如圖1所示。

圖1 海上養(yǎng)殖平臺(tái)有限元模型Fig.1 Finite element model of offshore aquaculture platform

2.2 環(huán)境條件

本平臺(tái)使用地點(diǎn)為南海北部萬(wàn)山海域，錨泊安全滿足抵御近15a中最大臺(tái)風(fēng)要求。該海域經(jīng)實(shí)地測(cè)量水深約10 m，潮水多為不規(guī)則半日潮，平均流速可達(dá)1 m/s[18]；近15 a中，該海域歷經(jīng)的臺(tái)風(fēng)中2012年第08號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋斯特”最為突出，最高風(fēng)速達(dá)40 m/s。以上相關(guān)數(shù)據(jù)與該臺(tái)風(fēng)下的波浪數(shù)據(jù)構(gòu)成平臺(tái)系泊計(jì)算的環(huán)境條件，具體如表2所示。

表2 萬(wàn)山海域近15a最大臺(tái)風(fēng)時(shí)環(huán)境條件Table2 Marine environment conditions under largest typhoon over past 15 years of Wanshan

表2中的JONSWAP波浪譜是經(jīng)過(guò)最系統(tǒng)的海浪觀察工作后總結(jié)的波浪譜，適用于群島及半開敞海域的相關(guān)計(jì)算，該波浪譜的公式為：

2.3 計(jì)算工況

該平臺(tái)設(shè)置于南海北部萬(wàn)山群島某主島與其附島之間的海域，附島位于主島的東面，平臺(tái)的X軸沿東西方向進(jìn)行布置并系泊。由于兩島的位置構(gòu)成南北相通的水道，故形成南北雙向潮流；因?yàn)榕_(tái)風(fēng)都是高速氣旋，對(duì)于平臺(tái)而言，風(fēng)向時(shí)刻變化，本文取3個(gè)最典型方向?yàn)轱L(fēng)載荷的計(jì)算方向；該海域水深約10 m，臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)的波浪多為風(fēng)生浪，因此波浪方向取與風(fēng)向一致進(jìn)行計(jì)算。

風(fēng)、浪、流的方向?yàn)槠渑c平臺(tái)X軸逆時(shí)針?lè)较虻膴A角，為(-180o,180o]。由于平臺(tái)沿X軸對(duì)稱的特性，僅需從[0o,180o]中選取典型工況，如圖2所示。經(jīng)上述分析，確定該平臺(tái)遭遇的典型環(huán)境載荷計(jì)算工況為：工況1(風(fēng)45o、浪45o、流90o)、工況2（風(fēng)90o、浪90o、流90o）、工況3（風(fēng)135o、浪135o、流90o）。

圖2 風(fēng)、浪、流方向角的定義Fig.2 Definition of wind, wave and flow direction angle

2.4 限制條件

平臺(tái)自身?xiàng)l件及使用海域的特殊要求，在進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)時(shí)需滿足的限制條件有：1）平臺(tái)自身無(wú)絞纜設(shè)備，較大的系泊預(yù)張力難以實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)預(yù)張力不超過(guò)20 kN；2）使用海域養(yǎng)殖網(wǎng)箱較為密集且平臺(tái)離附島較近，平臺(tái)在系泊情況下不允許有過(guò)大的平面位移，位移不超過(guò)5 m；3）系泊半徑R與養(yǎng)殖海域使用率之間的矛盾，要求系泊半徑R ≤ 95 m。

3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校核

3.1 布置設(shè)計(jì)

為了控制錨腿張力載荷和養(yǎng)殖平臺(tái)的漂移運(yùn)動(dòng)，系泊系統(tǒng)的布置采用分組布置。平臺(tái)系泊系統(tǒng)沿典型環(huán)境載荷方向布置能最大發(fā)揮錨腿的系泊作用，也是最經(jīng)濟(jì)的布置方式。依據(jù)平臺(tái)環(huán)境載荷的構(gòu)成分析，針對(duì)該海域10 m水深下，采用1×6分組布置的錨泊線組成，用以抵御6個(gè)典型方向的環(huán)境載荷。平臺(tái)的系泊錨腿呈輻射狀布置，如圖3a所示，本文針對(duì)“1”、“2”、“3”、“4”號(hào)錨腿在XOY平面內(nèi)與Y軸的夾角θ值取45o，“5”、“6”號(hào)錨腿在XOY平面內(nèi)沿Y軸上進(jìn)行計(jì)算，平臺(tái)與系泊系統(tǒng)耦合分析模型如圖3b。

圖3 錨腿布置與耦合分析模型Fig.3 Arrangement of anchor legs and coupled analytical model

3.2 錨腿設(shè)計(jì)

懸鏈?zhǔn)较挡春蛷埦o式系泊是海洋平臺(tái)中較為常見(jiàn)的2種系泊方式，但這些系泊方式在淺水中還未見(jiàn)有應(yīng)用的實(shí)例。本文分別用單一材料對(duì)2種系泊方式進(jìn)行嘗試，針對(duì)懸鏈?zhǔn)较挡捶绞剑x用系泊半徑55 m、錨腿為60 m鋼鏈，錨腿最大張力和平臺(tái)最大位移分別為233.5 kN和6.856 m，均較大超出限制條件；針對(duì)張緊式系泊，選用系泊半徑為95 m、錨腿為91 m全纖維繩，出現(xiàn)預(yù)張力過(guò)大和錨的上拔力無(wú)法消除的問(wèn)題，預(yù)張力為86 kN，上拔力達(dá)11.4 kN；2種系泊方式在限制條件下優(yōu)化空間極小，這些計(jì)算情況與文獻(xiàn)[19]的結(jié)論一致，因此單一材料的2中系泊方式不適用于該養(yǎng)殖平臺(tái)。本文借鑒朱為全等[20]的方法，用商業(yè)軟件OrcaFlex進(jìn)行了這2種系泊方式下平臺(tái)-系泊系統(tǒng)耦合的對(duì)比計(jì)算，懸鏈?zhǔn)较挡捶绞降腻^腿最大張力為232.9 kN，平臺(tái)最大位移6.911 m；張緊式系泊情況下的預(yù)張力為85.5 kN，上拔力為11.1 kN。2種計(jì)算結(jié)果十分接近，經(jīng)比較最大誤差約3%，數(shù)值結(jié)果準(zhǔn)確，可按本文數(shù)值方法進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

為此，本文對(duì)錨腿的構(gòu)成重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)改變錨腿長(zhǎng)度以調(diào)整預(yù)張力的方式對(duì)設(shè)計(jì)的張緊式系泊系統(tǒng)的進(jìn)行校核。錨腿設(shè)計(jì)本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用，牢固可靠、維修方便、易于保養(yǎng)為原則進(jìn)行。為了減小纜樁處的垂向受力，錨腿上段為輕質(zhì)且經(jīng)濟(jì)的纖維繩。錨腿在工作過(guò)程中需要避免纖維繩出現(xiàn)在錨腿與海底的接觸段范圍內(nèi)，以避免頻繁接觸對(duì)纖維繩造成破壞，因此錨腿下端選用鋼鏈。綜合考慮，海上養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊錨腿由纖維繩-鋼鏈組成。

以系泊半徑上限R = 95 m、錨腿長(zhǎng)度從91 m逐步增加纖維繩長(zhǎng)度以改變錨腿長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，參考API RP 2SM[21]及API RP 2SK[22]系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，組合錨腿中下端鋼鏈的長(zhǎng)度不低于總長(zhǎng)度的15%，初步確定由15 m底端鋼鏈長(zhǎng)、76 m上段纖維繩形成組合錨腿。本系泊方案采用的2種材料，一種為鏈徑φ22 mm的AM2級(jí)有檔錨鏈，破斷負(fù)荷240 kN；另一種為直徑為36 mm的纖維繩，破斷負(fù)荷174 kN。

3.3 設(shè)計(jì)校核

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及指南[22-24]要求，對(duì)于系泊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析校核的安全系數(shù)需大于1.67。由對(duì)稱性原理，判斷1#、2#和5#錨腿的受力情況即可判斷設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)是否滿足安全要求，通過(guò)對(duì)錨腿長(zhǎng)度從91、92、93、94和95 m的計(jì)算，預(yù)張力在94 m時(shí)達(dá)36 kN，仍超過(guò)20 kN，不滿足限制條件。表3中羅列出了錨腿長(zhǎng)度為91和95 m情況下平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的耦合響應(yīng)情況（本文計(jì)算值）。

由表3的本文計(jì)算值可知，錨腿的張力最大值均出現(xiàn)在工況3時(shí)的2#錨腿中，這是因?yàn)槠脚_(tái)的上層建筑首尾豐滿程度不同引起的受力不對(duì)稱所致；工況1與工況3中的張力最大值分別出現(xiàn)在1#和2#錨腿中，工況2中的最大張力出現(xiàn)于5#錨腿中，且工況2中3個(gè)錨腿最大張力值較為接近，表示所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)能較均勻地分配與傳遞環(huán)境載荷。當(dāng)錨腿長(zhǎng)度為91 m時(shí)，預(yù)張力101.6 kN遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于限定值20 kN，且安全系數(shù)均小于1.67，因此該張緊式系泊方式不符合該養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊要求。當(dāng)錨腿長(zhǎng)度為95 m時(shí)，預(yù)張力快速的下降為15.4 < 20 kN，滿足要求；各工況下錨腿張力的快速下降使得的安全系數(shù)也提高較快，最小值為3.227，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.67，為錨鏈的腐蝕及纖維繩的老化等不利情況預(yù)留了充足的安全裕度；平臺(tái)的位移亦在限制條件范圍內(nèi)，最大值為1.55 m，小于設(shè)計(jì)限制值；3個(gè)錨腿的臥鏈長(zhǎng)度時(shí)歷曲線如圖4所示。由圖4可知，纖維繩在所有工況下均未產(chǎn)生與海底接觸的情況，有效保護(hù)了纖維繩，同時(shí)臥鏈的存在有效規(guī)避了海底錨定處上拔力的產(chǎn)生，避免極限海況下走錨產(chǎn)生事故。因此可以判斷平臺(tái)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的正確性，長(zhǎng)度為95 m的組合錨腿即錨鏈長(zhǎng)15 m、纖維繩長(zhǎng)80 m時(shí)形成的1×6系泊系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 不同工況下各計(jì)算值Table3 Values of different conditions

為了考察本文設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)的可靠性與數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，在缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下，用軟件進(jìn)行驗(yàn)算是必要的。將所設(shè)計(jì)的錨腿長(zhǎng)度為95 m的系泊系統(tǒng)用軟件OrcaFlex進(jìn)行3個(gè)典型工況的計(jì)算，相應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表3。加以比較可知，所計(jì)算的值均有一定的變化：平臺(tái)的縱向與橫向位移有所增加；錨腿預(yù)張力有小量降低；各工況下相應(yīng)錨腿的最大張力值呈現(xiàn)小幅下降，致使安全系數(shù)有所上升。但各項(xiàng)數(shù)據(jù)與本文的計(jì)算值數(shù)據(jù)十分接近，誤差小于7%，因此本文設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)可靠，計(jì)算準(zhǔn)確。

圖4 各錨腿臥鏈長(zhǎng)度時(shí)歷曲線Fig.4 Time history curves of laid length for some mooring legs

3.4 增配質(zhì)量效用校核

具有懸鏈線特征的錨腿，其回復(fù)剛度主要由錨腿自身質(zhì)量和海底臥鏈自身質(zhì)量所提供[25]，實(shí)際操作中為了達(dá)到更好的定位效果，往往以增配質(zhì)量來(lái)達(dá)到提高系泊系統(tǒng)回復(fù)能力[26]。海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中使用最多的是單塊質(zhì)量為15 kg的水泥塊，本文在上述設(shè)計(jì)出的系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)錨腿進(jìn)行質(zhì)量增配，如圖5所示，研究了7個(gè)增配方案下系泊系統(tǒng)的響應(yīng)情況，以檢驗(yàn)其效果。

圖5 各質(zhì)量增配方案Fig.5 All adding mass cases

分析2#錨腿在上述7個(gè)方案中的張力與臥鏈長(zhǎng)度，可對(duì)傳統(tǒng)的懸掛水泥塊對(duì)系泊效果的收益多少進(jìn)行評(píng)估，有關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。雖然7個(gè)方案的最大張力值和最小臥鏈長(zhǎng)度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律：隨著增配質(zhì)量的減小，臥鏈長(zhǎng)度也隨之減小，且在同等增配質(zhì)量的情況下，增配位置越靠近錨鏈，臥鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)；而張力的變化呈現(xiàn)小幅的波動(dòng)，增配質(zhì)量一樣的情況下，張力基本滿足配重越靠近錨鏈，張力越大的趨勢(shì)。但由于相對(duì)于該設(shè)計(jì)方案的錨腿長(zhǎng)度而言，單位長(zhǎng)度增配質(zhì)量過(guò)小，最大值不足0.6 kg/m，這對(duì)系泊剛度或系泊系統(tǒng)的恢復(fù)能力的貢獻(xiàn)甚微，因此傳統(tǒng)的懸掛水泥塊的措施收效極其有限。

表4 2#錨腿在各增配質(zhì)量下的最大張力與最小臥鏈長(zhǎng)度Table4 Max tension and min laid length of No.2 anchor leg under all adding mass conditions

雖然錨腿上合理增配質(zhì)量能加劇懸鏈線效果，提升系泊剛度及系統(tǒng)回復(fù)力，但不利因素是錨腿長(zhǎng)度不變情況下會(huì)由此使得預(yù)張力變大，纜樁處過(guò)大的預(yù)張力長(zhǎng)期存在不僅會(huì)加劇系泊系統(tǒng)的疲勞破壞，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度也是個(gè)挑戰(zhàn)。通過(guò)計(jì)算校核，本文所設(shè)計(jì)的無(wú)增配質(zhì)量的系泊系統(tǒng)已然具備了充足的系泊剛度和系統(tǒng)回復(fù)力，系泊系統(tǒng)及平臺(tái)的平面位移均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。鑒于此，不建議對(duì)該系泊系統(tǒng)增配質(zhì)量。

4 討 論

海洋浮式結(jié)構(gòu)物的系泊計(jì)算是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，數(shù)值計(jì)算主要采用的方法為靜力分析法和動(dòng)力分析法。通常，采用動(dòng)力分析方法得出的錨腿張力幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜力分析所得的結(jié)果，即動(dòng)力載荷占有很大比重，因此在計(jì)算時(shí)不能忽略，這是靜力分析法所不具備的[27]，而本文正是在前人的研究成果上采用動(dòng)力分析法展開平臺(tái)的系泊設(shè)計(jì)與計(jì)算，位移和張力值均按幅值進(jìn)行校核，確保了所設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的安全性與可靠性。有限水深下海洋浮體的低頻波浪力包含一階載荷與二階載荷，影響系泊浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主要載荷是二階波浪載荷。有關(guān)學(xué)者如董露等[28-31]對(duì)浮體的二階波浪力進(jìn)行了研究，證明二階慢飄運(yùn)動(dòng)對(duì)系泊系統(tǒng)安全有重要影響。本文在平臺(tái)與系泊系統(tǒng)耦合計(jì)算過(guò)程中通過(guò)計(jì)算QTF計(jì)及了二階波浪載荷，涵蓋了二階淺水效應(yīng)的影響，但并未以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致的分析研究；同時(shí)本文僅從限制條件出發(fā)研究了平臺(tái)在的XOY平面運(yùn)動(dòng)幅值，未關(guān)注其他六自由度的響應(yīng)，而幅值響應(yīng)算子的研究，是平臺(tái)相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、提升平臺(tái)工作環(huán)境及居住舒適性的關(guān)鍵，因此后續(xù)還有開展相應(yīng)工作的廣闊空間。

數(shù)值計(jì)算在解決各類實(shí)際工程問(wèn)題方面已經(jīng)趨于成熟，其快捷獲取結(jié)果與低成本優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到普遍認(rèn)同，其中海工領(lǐng)域和養(yǎng)殖領(lǐng)域已經(jīng)使用普及化。除前述文獻(xiàn)外，比較典型的還有文獻(xiàn)[32-34]，針對(duì)新型系統(tǒng)、很難全系統(tǒng)組織模型試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)試驗(yàn)的裝置，采取數(shù)值模擬手段展開研究自然成為首選。本文采用數(shù)值模擬方法，以不同的手段對(duì)使用海域淺水深、多種限制條件下的小尺度、淺吃水養(yǎng)殖平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真校核，并對(duì)計(jì)算情況進(jìn)行了比較驗(yàn)證。軟件計(jì)算的結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果有異同，是因?yàn)獒槍?duì)系泊系統(tǒng)的撓性部件所采用的離散手段不同引起，本文采用有限元法，而商業(yè)軟件采用的是集中質(zhì)量法，它們?cè)谇蠼夥蔷€性問(wèn)題時(shí)數(shù)據(jù)處理方式的異同引起了結(jié)果的差異。但通過(guò)比較，二者相對(duì)誤差不超過(guò)7%，這是實(shí)際工程仿真中可以接受的誤差范圍，因此可認(rèn)為本文數(shù)值計(jì)算具備值的穩(wěn)定性，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)具備相應(yīng)精度。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)研究得到以下幾點(diǎn)基本結(jié)論：

1）限制條件下，鋼鏈構(gòu)成的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)和纖維繩構(gòu)成的張緊式系泊系統(tǒng)優(yōu)化空間小，不適用于該養(yǎng)殖平臺(tái)。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的1×6散布式多點(diǎn)系泊方式可均勻分配并傳遞環(huán)境載荷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的系泊。該多點(diǎn)系泊系統(tǒng)下，當(dāng)系泊半徑為95 m時(shí)，選用底部15 m錨鏈和上部80 m纖維繩組成的錨腿可以滿足安全系泊要求，安全系數(shù)達(dá)3.227。

3）不論懸掛位置如何選取，傳統(tǒng)的懸掛單塊質(zhì)量約15 kg水泥塊的方式對(duì)所設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的產(chǎn)生的效果不顯著，不建議對(duì)設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行額外增配質(zhì)量。

4）相關(guān)成果可對(duì)類似結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，但淺水效應(yīng)對(duì)系泊系統(tǒng)安全性的影響以及系泊平臺(tái)六自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況還有待深入研究。

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Design of multi-point mooring system for offshore aquaculture platform based on dynamic analysis

Wang Shaomin, Liu Haiyang, Guo Genxi※, Tao Qiyou, Huang Xiaohua, Hu Yu
(Guangdong Cage Engineering Research Center, Key Laboratory of South China Sea Fishery Resources Exploitation & Utilization, Ministry of Agriculture, South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510300, China)

As one of deep water aquaculture management facilities, the breeding barge needs to regulate the location on sea surface for daily use. The mooring system is one of the most important factors which affect both the location and the security of the breeding barge. Taking a offshore aquaculture platform with small size and shallow draft that is moored in around 10 m water depth as an example, a multi-point mooring system is designed under 3 limitations. The coupled numerical simulation of the offshore aquaculture platform and mooring system is performed by using the three-dimensional potential flow theory and the nonlinear time-domain analysis method based on full quadratic transfer functions (QTF) method. By solving the QTF of the coupled barge and mooring system, the 2ndorder wave forces are obtained with consideration of the shallow water effect. Two mooring systems, a single chain catenary mooring system and a taut mooring system with single fiber rope, are used to carry out the further numerical simulation and the investigation is performed using the commercial software OrcaFlex. The results show that neither of the 2 systems can meet the mooring requirement for the offshore aquaculture platform in shallow water near reefs. For the catenary mooring system with 55 m mooring radius and 60 m anchor leg made by steel chain, the maximum tension of the anchor leg is 233.5 kN, and the displacement of the breeding barge is 6.856 m. Whereas, for the taut mooring system with 95 m mooring radius and 91 m anchor leg made by fiber rope, the calculated pretention is 86 kN, which is too large to meet the requirement, and the uplift force of the anchor that is not eliminated is 11.4 kN. The optimization space of the 2 kinds of mooring systems is very small due to the design limitations. Therefore, this paper proposes a new mooring mode by using the chain connected with fiber rope as the mooring legs, instead of single material. With the fixed mooring radius of length of 95 m, the varied pretension of the mooring system will be achieved by changing the length of the fiber rope from 76 to 80 m. The redesigned multi-point mooring system with 1×6 arrangement mode can uniformly distribute the environment loads. It finds out that the mooring system with a 95 m anchor leg that is composed of 15 m chain and 80 m fiber rope can meet the mooring requirement of the offshore aquaculture platform well in the case of 95 m mooring radius, and this kind of case is also investigated by using the commercial software OrcaFlex. The maximum displacement of the breeding barge is 1.55 m, and the maximum tension of the mooring leg is 53.914 kN, resulting in a safety factor of 3.227. And the pretension is 15.4 kN, which meets the requirement. Finally, 7 schemes, in which different masses of concrete blocks are added at different positions of the redesigned multi-point mooring system, are calculated to test the effect of the traditional approach of hanging concrete blocks with small mass (about 15 kg per block) on the mooring stiffness. The results show that the closer to the anchor chain the clump weights, the longer the chain length and the larger the maximum tension. However, it has little effect on the mooring stiffness, whereas leading to the increased pretension which may cause fatigue damage of the mooring legs and barge structure. Therefore, it is not recommended to add clump masses on the mooring system. The effect of shallow water on the mooring safety and the 6 degrees of freedom motion responses of the breeding barge still need to be further studied.

aquaculture; computer simulation; design; breeding barge; potential flow theory; mooring system

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.032

S969.39

A

1002-6819(2017)-05-0217-07

王紹敏，劉海陽(yáng)，郭根喜，陶啟友，黃小華，胡 昱. 基于動(dòng)特性分析法的海上養(yǎng)殖平臺(tái)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：217－223.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.032 http://www.tcsae.org

Wang Shaomin, Liu Haiyang, Guo Genxi, Tao Qiyou, Huang Xiaohua, Hu Yu. Design of multi-point mooring system for offshore aquaculture platform based on dynamic analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 217－223. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.032 http://www.tcsae.org

2016-05-25

2017-01-16

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015A030313857）；廣東省海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專項(xiàng)項(xiàng)目（GD2013-D01-001）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所）（2015TS12）作者簡(jiǎn)介：王紹敏，男，助理研究員，從事船舶與海洋工程、漁業(yè)設(shè)施工程研究。廣州 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，510300。

Email：wangshaomin2013@163.com

※通信作者：郭根喜，男，研究員，從事漁業(yè)設(shè)施工程技術(shù)研究。廣州 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，510300。Email：scsggx@163.com