基于SolidWorks的深遠海網箱結構設計及有限元分析

王飛， 陳勝

（浙江海洋大學，浙江舟山 316000）

0 引言

由于漁業捕撈力度過大，漁業資源嚴重流失或減少，使得海產品增長很大程度上主要依賴于我國海洋養殖業快速發展。傳統的網箱式養殖方法只能集中于一部分靠岸和港灣的水域。

20世紀70年代以來，越來越多的國家開始進一步深入地研究深水網箱養殖產品，大型深水網箱養殖技術也得以迅速進步。近20年來，以挪威為主要代表的一系列大型網箱在全球范圍內迅速普及，取得了顯著的進展。

深水網箱養殖雖然給人類提供了豐富的蛋白質，但是它們也嚴重破壞了我國沿海及其他地區的資源與環境。目前我國從事水產養殖的企業首先需要考慮的問題之一就是如何充分兼顧海洋資源的利用與生態環境保護，解決由于水產養殖業污染所帶來的疾病等問題。因此，必須控制和減少自污染的產生，探索深水網箱養殖與環境保護共存的可持續發展道路。也就是說，在實施水產養殖之前，要模擬評估水產養殖對環境的影響，并根據評價結果確定養殖規模[1]。

目前深水網箱大多采用錨樁固定，在某海域養殖。臺風來臨時，移動網箱比較困難，容易造成巨大的經濟損失。例如在2011年9月，臨高縣的養殖網箱受到了不同程度的破壞，造成經濟的損失將近4 億元人民幣，損失大量珍貴魚類；2018年7月，超強臺風瑪利亞對福建三都鎮的深水養殖業造成巨大影響，因海水沖擊導致網箱破裂，造成漁業直接經濟損失1.5 億元人民幣。因此，深遠海網箱的研究十分重要[2]。

1 網箱的主要結構形式

網箱養殖普遍采用中小型浮板式網箱、高密度聚乙烯（HDPE）重力式深水網箱和近海域圍欄式養殖等手段，因其具有結構簡單、成本較低的優點，所以在沿海水產養殖城市得到了普遍的應用。

網箱主要由浮架系統、網衣系統、配重系統和錨碇系統4部分組成。圓形框架作為當前浮架系統的主流結構，由高密度聚乙烯浮管彎制而成。浮管的直徑從200 mm到600 mm不等。網箱的規模不同，浮架系統的直徑也會有很大的變化。目前超大型是發展的主要方向。浮架系統的整體性通過用注塑三通連結部件固定網箱結構來保證。浮架系統能夠為網箱提供浮力，使網衣成形。網架系統或框架系統是它的別名[3]。

網衣系統即網箱的網衣，通常采用超高分子量聚乙烯材料。可根據養殖魚類選擇網衣的形狀。養殖魚類的大小決定了網格的大小。網衣能夠防止魚類的逃脫，保護魚類免受襲擊。

很多學者將配重系統看作網衣系統的一部分，但實際上它是另一重要的組成部分。配重的大小及類型會對同一個網衣系統產生不同的影響，對重力式網箱的影響尤為明顯。網箱的水動力特性及網衣的變形程度均和配重系統有關。

錨碇系統將網箱固定某一地區進行養殖活動，不讓網箱進行漂移。錨碇系統的組成部分有水下網格、主錨繩、錨鏈與浮球。浮球與水下網格在下潛狀態時之間的協同運動，可以直接控制整個網箱下潛的深度。

2 網箱設計要求

2.1 設計原則

如今，近海海域的環境壓力越來越大，當今世界各國的網箱養殖都朝著深海域進軍。為此，本文設計出更符合當今養殖環境要求的深遠海網箱。許多問題隨著網箱的使用也開始出現，首先要解決深遠海網箱較差的抗風浪性，一旦主體結構遭受破壞就會造成嚴重的經濟損失。由于對食物品質要求的提高，一般的網箱養殖因無法移動而不能完全按照魚類的生存習性進行自然養殖，無法滿足要求。因此，設計與研究深遠海網箱將是我國邁出海洋漁業轉變的關鍵一步[4]。

本文所研究的深遠海網箱需滿足能夠在指定的區域工作。由于深遠海網箱位于深海，故網箱所使用的結構材料具有優異的耐腐蝕性能，能夠承受較大的沖擊。且在風暴工況下可以在海上順利升降，從而應對不利情況[5]。主要涉及參數如表1所示。

表1 工作環境參數

2.2 主體結構

深遠海網箱的主體框架為正六邊形框架，上下表面間用6根圓柱形管道相連，在下表面處安裝4個浮筒作為升降裝置。圖1所示為深遠海網箱的框架三維圖。

圖1 深遠海網箱主體框架結構

深遠海網箱的主要結構有框架系統、浮力系統及系泊系統3部分。網箱為桁架結構，由結構鋼管、型鋼及鋼板組成。上、下表面之間的距離為15 000 mm，正六邊形的每一條邊均為17 000 mm。網衣的網目設計為35 mm×35 mm。整個深遠海網箱預計的養殖體積超過10 000 m3。

本文設計的網箱設置雙層網，采用超高分子量聚乙烯網衣材料。內網為養殖網，PU處理，網目大小為35 mm×35 mm（養殖0.3 kg以上大黃魚）。外網為擋流網和防鯊/防漂流物刺破防護網，防鯊/防漂流物刺破防護網做PU處理，網目為150 mm×150 mm。每年要保留1個月的維保期，用于網衣及結構清洗、檢查及修理等。外網及內網按網箱內水流速度不大于1.0 m/s設計。

深遠海網箱設計投入使用的海域條件為水深50 m的開放海域。深遠海網箱需抵抗12級強臺風的沖擊。在遭遇無法抵御的災害時，深遠海網箱需要下沉至離海平面10 m以上的深度，以此躲避災害。選擇海域時應優先選擇風力極值較小的海域，要求此海域每年受到強臺風的影響日期較短。

2.3 系統功能

1）框架系統。框架系統，即網箱的基本框架。基本框架由上下表面的正六邊形管道與6根豎直的圓柱形管道相連構成。上表面安裝了走道和扶手，為工作人員的操作提供了便利，也在一定程度上保證了人員安全。其中2根管道上安裝了直梯踏步，能讓人員上下移動，便于檢查箱體中部可能發生的情況。

2）浮力系統。浮力系統的組成部分有沉子和浮子。沉子由硅塊材料制成，在空氣中質量為3.7 t，配6 m長錨鏈，錨鏈規格同系泊錨鏈。沉子用錨鏈懸掛于網衣的下沿，以此張開網衣。它可以提高網箱抵抗水流沖擊的能力，并保證網箱的有效養殖容積。通過在網箱框架上環固浮力模塊來充當浮子。浮力模塊在框架上等間距分布，提供浮力。網箱框架的結構質量為179 t，網衣和沉子所受的浮力量級較小，故忽略不計。網箱入水后受到水的浮力為530 kN，則需要浮子提供的浮力為1260 kN。材料選用每立方米能提供9750 N浮力的聚氨酯發泡材料，共需要129 m3的材料。每個浮力模塊間隔0.5 m布置，防止過大的間隔導致受力不均[6]。

3）系泊系統。網箱設置四點重力錨泊，系泊點設置在網箱底部，將網箱固定于指定的海域。錨鏈可在錨鏈的長度方向上自由轉動，并形成一定的懸鏈線特性，使網箱能彈性地固定于工作海域，確保網箱安全，且易于安裝，安裝方式如圖2所示。

圖2 錨鏈安裝示意圖

3 網箱所受環境載荷分析

3.1 海風作用下受力分析

考慮到深遠海網箱懸浮于海平面上，分析海風作用時，主要對水面上方的立柱及走道進行估算。物體受風面受到的動壓為

式中：Wp為風壓，kN/m2；ru為空氣密度，kg/m3；v為海域風速，m/s。

為了便于模擬，在進行模擬時，僅保留框架主體結構。將走道和欄桿所受的力等同于框架上表面管道一側所受的力。建立好模型后，進行材質選擇。此處選用的材質為Q235鋼。選擇材質之后，進行夾具的添加，將下底面的管道進行固定作為支撐。對上方的管道進行外部載荷的添加。力的方向垂直于管道，作用在管道上。然后進行網格的劃分，網格密度選擇良好后開始進行劃分。網格劃分完成后運行算例，得出結果如圖3～圖5所示。

圖5 應變分析

由圖3可以看出，整個模型的最大位移為4.46 mm，該位移發生在上表面管道。相對于十幾米的管道長度，該位移可忽略不計。因此該框架滿足強度要求。

圖3 位移分析

在圖4中，可以得到該框架的屈服極限為205 MPa。而框架所受最大應力僅為1.945 MPa，遠低于屈服極限。應力大多集中在中間管道與下表面的連接處。由于測試時將下表面進行固定，此處所受的載荷較大。

圖4 應力分析

3.2 海流作用下受力分析

在近海區域，波浪的運動不穩定，而深遠海區的浪潮相對穩定。在本節計算中將假定水流和潮流的流量恒定，因此拖曳力是它們對深水養殖網箱樁的唯一作用力。

拖拽力為

式中：d為水深，m；η為波高，m；ρ為海水密度，g/cm3；CD為拖曳力系數；Uw為波浪水平速度，m/s；Us為流速，m/s；Z為深度，m。

計算得出拖曳力F=1947 N。

計算出受到的載荷后，使用SolidWorks進行靜力學分析。為了便于模擬，在進行模擬時，僅保留框架主體結構。建立好模型后，進行材質選擇。此處選用的材質為Q235鋼。選擇材質之后，進行夾具的添加，將下底面的管道進行固定作為支撐。對上方的管道進行外部載荷的添加。力的方向垂直于管道，作用在管道上。然后進行網格劃分，網格密度選擇良好后開始進行劃分。網格劃分完成后運行算例，得出結果如圖6～圖8所示。

圖6 位移分析

圖8 應變分析

由圖6可以看出，整個模型的最大位移僅為1.11 mm，該位移發生在豎直管道處。豎直管道的直徑為508 mm，則該位移不會對管道造成影響。管道實際受到的載荷會遠小于模擬時的載荷，因此管道的強度符合要求。

在圖7中，可以得到該框架的屈服極限為205 MPa。而框架所受最大應力為1.165 MPa，低于屈服極限。

圖7 應力分析

3.3 風暴工況下受力分析

結合以上的計算，將所有受到的力集中在一起，進行一次Simulation的靜應力分析，結果如圖9～圖11所示。

圖9 位移分析

圖11 應變分析

由圖9可以看出，整個模型的最大位移為0.84 m，該位移發生在上表面管道處。上表面管道的直徑為508 mm，可以看出最大位移會對管道造成較大影響。但在實際使用中，這些作用力是分散在網衣和橫桿上的，不會完全作用在上表面的管道上。因此，管道實際受到的載荷會遠小于模擬時的載荷，故管道的強度符合要求。

在圖10中，可以得到該框架的屈服極限為205 MPa，而框架所受最大應力為356.4 MPa，這已經超出了屈服極限。應力大多集中在各個管道的連接處，由于測試時將受力集中在一起，導致管道所受的力遠高于實際值，使得管道的變形高于預期值[7]。但在實際情況下，網衣和其余管道會分擔一些載荷，并不會出現此種情況。

圖10 應力分析

由于網箱和網衣在海水中的順應性，深遠海網箱不會像剛性材料那樣將風、浪、流的沖擊力充分吸收，深遠海網箱實際受力必定小于本節的極值，但為了結構的安全性，可在連接處進行結構的加固。

4 結語

本文在了解了深水網箱的基本結構后，進行了網箱的設計研究，對網箱所處的環境載荷進行了分析。探討了目前世界上深水網箱的現狀和發展趨勢，對常見的網箱進行了介紹和對比，展示了它們各自的優缺點。目前世界上網箱設計的主要問題是不能兼顧網箱的功能性和安全性，而我國的網箱設計目的目前以大型化為主。通過SolidWorks靜力學分析進行了網箱的結構可靠性驗證。