新型復式抗風浪養殖網箱的設計及其在海洋環境下的受力計算

石 權，龔雅萍，孫 峰，王帥軍，張彥鑫，吳 姝，張 迪，陳 輝

1. 浙江海洋大學 a. 海洋工程裝備學院，b. 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022

2. 浙江舟山海王星藍海開發有限公司，浙江 舟山 316100

隨著現代海洋牧場建設的快速推進，發展海水養殖業已成為踐行大食物觀的重要舉措[1-2]。中國是世界第一大水產養殖國，2022 年中國海水養殖產量達2 275.7 萬t，其中深水網箱養殖產量約39.3 萬t，相較2011 年，增長率高達600%[3-5]。網箱養殖已逐漸成為我國海水魚類養殖的主要方式[6-7]。自1998 年海南省首次從挪威引進柔性抗風浪網箱開始，到2002 年我國第一套擁有自主知識產權的高密度聚乙烯 (High density polyethylene,HDPE) 升降式深水網箱成功下水，以及2018 年“德海1 號”成功抵御17 級超強臺風“山竹”，再到集水產養殖、智慧漁業、休閑漁業、科技研發、科普教育等功能于一體的新型海洋牧場“耕海1 號”成功運營，提高網箱裝備化、智能化、生產集約化、管理信息化、環境可持續化，推進網箱養殖朝著深遠海方向發展是未來海洋漁業轉型升級的必然趨勢[8-12]。

在深水網箱結構受力計算方面，Yao 等[13]基于納維-斯托克斯方程，提出了一種用于求解流固耦合的混合體積方法，并分析了剛性和柔性網箱在不同流速下承受海流負載的情況。Li 等[14-16]基于莫里森方程和浪的衍射和輻射理論，耦合浮架單元梁結構并模擬網衣桁架結構，分析了網箱在海流和波浪下的受力情況。Park 等[17]通過3 種不同直徑的HDPE 管材的浸沒程度，推導出網箱浮架的阻力系數，計算了網箱浮架在流動載荷作用下的變形和應力分布。楊新華等[18]基于繞射理論和Morison 方程，計算了波浪力并建立運動方程，對圓柱形浮式網箱進行受力分析并提出相應的數值計算方法。郭帥等[19]基于勢流理論和非線性運動控制方程，建立了一種重力式抗風浪網箱的數值模型，對比分析了其在不同臺風工況下與傳統網格式網箱系泊纜張力、浮架運動和網箱變形的情況。

為緩解近岸養殖壓力、拓寬深海水域養殖，基于中國海域養殖條件，本研究設計了一種可以應對惡劣海況條件的新型復式抗風浪深海養殖網箱，與傳統HDPE 重力式網箱抗風浪結構不同，所設計的網箱創新采用了超靜定抗風浪結構，以雙浮筒結構取代傳統的浮圈和浮架結構，并對極端海洋條件下網箱可能承受的風、浪、流等環境載荷進行計算和分析，為發展大型抗風浪養殖網箱提供了設計參考。

1 新型復式抗風浪網箱系統結構設計

1.1 主體結構設計

所設計的新型復式抗風浪養殖網箱，包括浮筒、立體浮框結構、系泊系統、網衣系統 (圖1)。與傳統單中心的養殖區網箱不同，網箱養殖區域分布在一體式立體浮框兩側，通過安裝在養殖區域上方的浮筒提供浮力。浮筒與立體浮框結構之間通過連接結構形成剛性連接，當網箱受到風浪沖擊時，兩個浮筒隨著海浪波動起伏，剛性立體浮框和浮筒相連保持浮筒在海上只做上下運動，使網箱整體在浮動中平衡穩定，減少風浪對網箱的影響。對稱式雙網箱的設計可以有效減少因剛性連接而發生的中拱和中垂現象，防止網箱框架受損破裂。

圖1 新型復式網箱設計圖Fig. 1 Design drawing of new type of composite aquaculture net cage

1.2 浮筒設計

國內常見的船型、組合式網架型網箱均以浮架提供浮力[20-22]，而對依靠浮筒為網箱整體提供浮力的設計并不多見，特別是雙浮筒一體式抗風浪網箱，在國內尚未見類似的報道。圖2 為筒形結構的浮筒，浮筒不僅為網箱提供漂浮海面的浮力，也是網箱各功能艙室設置的重要地點，從上往下依次為生活層(保證養殖工作人員的飲食起居)、機電設備區和輔助艙室(燃油艙、淡水艙)、飼料儲存艙、投喂設備艙和壓排載艙。浮筒采用雙層殼體結構設計：外層設有金屬防腐涂層，以防海水、海風侵蝕，并設有防撞層，以免遭受船舶撞擊而發生破損，導致整個網箱出現結構性毀壞。底部壓載區用于盛放海水，以達到調節網箱重心位置，使其始終在浮心以下，防止其傾覆。浮筒可根據作業海域的風浪狀況調節距離位置，大于一個海域內出現概率多的波長，通過調整間距和壓載重量分布，使得縱搖固有周期增加，避開出現概率最高的波浪周期。

圖2 浮筒功能艙設計圖Fig. 2 Design of buoy function tank

1.3 立體浮框結構設計

如圖3 所示，立體浮框結構由底框、立柱和頂框組成，頂框與底框之間通過立柱連接后形成一體。底框結構由縱梁、橫梁及斜撐組成 (圖4)，3 根橫梁和2 根縱梁一起圍合出兩片養殖區，雙養殖區設計既可實現多元化養殖，亦可避免網衣破損后，單一養殖區魚群全部逃逸的情況。同時，一體式立體浮框結構區別于需要連接結構的傳統組合網箱，后者的連接點受浪、流載荷較大，極易發生斷裂和破壞[23]，而一體式立體浮框結構則通過整體結構設計，使每根柱面受力而非點位受力，將受到的浪、流載荷分散開，從而實現抗風浪功能。

圖3 立體浮框結構側視圖Fig. 3 Side view of three-dimensional floating frame structure

圖4 立體浮框結構的仰視圖Fig. 4 Upward view of three-dimensional floating frame structure

底框的材質選用HDPE 浮管，HDPE 材料不僅可以提供一定的浮力，有一定的抗拉性，且經濟適用性好。頂框在結構設計上和底框相似，由縱梁I、橫梁I 組成 (圖5)。頂框主要用于連接定位，頂框鋼管應選擇高密度、高強度的合金鋼管，特別需要在應力集中部位設置加強結構，整體增加中央鋼管的抗剪、抗彎強度[24]。

圖5 立體浮框結構的俯視圖Fig. 5 Top view of three-dimensional floating frame structure

立體浮框結構是網箱的主體結構，也是網箱設計的關鍵，其結構強度關系到網箱的結構安全。所設計的立體浮框結構與浮筒組合共同為網箱提供浮力，基礎框架和配重一起產生向下的拉力，保證網箱在海上垂直方向上的受力平衡。

1.4 網衣設計

網衣的主要作用是固定養殖空間，限制養殖魚群的活動范圍，防止魚群逃逸，同時也可阻擋鯊魚等捕食。網衣系統由頂網、側網、底網、基礎框架和配重5 個部分組成 (圖6)。網衣系統根據立體浮框形狀來設計，由側網和底網共同圍合成養殖區域，側網和底網利用基礎框架相連接，通過自身和配重的重力在水下張開成固定形狀。

圖6 網衣及配重設計圖Fig. 6 Design drawing of net and additional weight

網衣材料采用超高分子量聚乙烯纖維 (UHMWPE) 材料，其分子量是普通聚乙烯(PE)的30～50 倍，斷裂強度約為尼龍復絲的4 倍[25]。網衣網目形狀為菱形，大小為35 mm×35 mm。由于網衣在自身重力和其他外界施壓力的情況下極易變形，造成網衣破損，導致養殖魚群逃逸，并且在流速較大的情況下，如在深遠海，配重系統對網箱網衣變形程度的影響較大[26]，故需要增加配重系統，本網箱設計配重為2 342 kg。

1.5 網箱抗風浪結構設計

本網箱抗風浪功能實現的關鍵在于垂蕩體和立體浮框結構連接形成的超靜定結構。超靜定結構是指通過浮筒下部錘擋板和空心柱組合形成的垂蕩體(圖7) 和立體浮框結構組成“十字形”穩定剛性連接，為網箱垂蕩及縱向搖擺運動提供較大阻尼，實現網箱運動幅度與波浪運動形成相對“靜止”和穩定。

圖7 垂蕩體和立體浮框的連接結構Fig. 7 Connection structure of dangling body and three-dimensional floating frame

垂蕩體由浮筒、空心柱和錘擋板組成，上半部分柱狀浮筒和空心柱相連部分設計了錐形波浪緩沖區，上半部分空心柱與緩沖、減搖作用的錘擋板直接連接，得益于錘擋板提供的較大垂蕩以及縱向搖擺阻尼，因此在海浪較大的情況下，網箱運動幅度也能有效降低。

本網箱縱梁II 結構過渡區主要有兩種作用：連接浮筒，給浮筒提供一個斜向支撐力，使其在風浪條件下做上下運動；做波浪緩沖帶，能夠使波浪作用在錐面上緩慢爬升釋放波浪能量。與直壁結構不同的是，波浪在直壁結構上爬升得較高 (圖8)，這樣會增加網箱承受的波浪載荷，而斜向處理可以引導波浪沿斜面破碎，從而顯著降低網箱承受的波浪載荷。

圖8 直壁結構波浪爬升情況圖Fig. 8 Wave run-up of straight wall structure

2 抗風浪網箱受海洋載荷的受力計算

計算網箱環境載荷，首先要考慮網箱放置海域的自然條件狀況，如海風、海浪、海流等，特別是風暴潮、臺風等極端天氣，易破壞網箱結構，造成養殖魚群逃逸、網箱框架損壞等嚴重后果。因此，設計抗風浪網箱時，對網箱結構所承受的環境載荷進行計算十分必要。

2.1 海流環境載荷

重力式抗風浪網箱的網架結構并不會因海流作用而產生慣性力，而其網衣受水下海流阻力的影響，因此分析海流載荷時，主要是對網衣形變進行計算。鑒于網衣表面結構不規律，故不考慮水通過網目時的繞流作用，而對網線進行分割計算，進而對水阻力進行評估分析。首先明確養殖海域的水流條件：海水密度ρ取1.025×103kg·m—3，水流速度v取1 m·s—1，網衣的受流面積A為287 m2。

根據莫里森公式、流體動力的一般公式，網衣在水流中的阻力為：

式中：FD為阻力 (N)；CD為水阻力系數。

網衣受阻計算的關鍵在于網衣水阻力系數的選取，本文參考李玉成和桂福坤[27]針對網衣垂直狀態下水阻力系數與雷諾數關系的實驗結果，在網衣形變程度一定的情況下，總體水動力估算采用正常狀態下水阻力系數，網衣水阻系數與雷諾系數的關系可簡化成：

式中：黏性系數μ=1.01×10?3，網線直徑d1=0.001 8 m，則Re=1 826.73，可得水阻力系數CD=0.908 8。網箱受到的水阻力：FD=131 108 (N)=131.108 (kN)。

2.2 波浪環境載荷

網箱結構受波浪載荷分為網衣和浮架結構兩部分，本文主要針對網箱主體浮架結構，利用莫里森公式分別計算網箱橫、縱向框架柱的受力。選取蒲福氏風級表中8 級大風下的波浪參數：波高H=8 m，水深D=50 m，周期T=8 s，波長L=99.5 m。故波數k=2π·L—1，波頻ω=2π·T—1，阻力系數CD=1.2，慣性力系數Cm=2，水流速度v=1 m·s—1。

2.2.1 縱向框架柱的受力計算

考慮到單個縱向框架柱所受波浪載荷包括速度力和慣性力，先進行計算單位長度下的速度力極值：

積分得：

根據現有標準和設計尺寸：附加質量系數γ=1.2，管直徑d2=0.6 m，則單個垂直框架圓柱上受到的速度力極值為：

單位長度下的慣性力極值：

積分得：

則單個垂直框架圓柱上受到慣性力極值為：

則單個垂直框架圓柱所受的波浪力：

所有垂直框架圓柱所受波浪力：

2.2.2 橫向框架柱的受力計算

采用修改后的莫里森公式計算水平圓管上的波浪力，即作用在單位長度上的水平圓管上的力：

引用線性波浪理論，時間t處位置 (x,z) 的波浪方程：

速度勢：

水平速度：

所有水平框架圓柱所受波浪力：

則浮架總受力為：

2.3 海風環境載荷

因所設計的抗風浪網箱主體結構均在水下，僅浮筒和穿梭走廊受到的海上風載荷，考慮到我國頻發臺風海域的臺風風級以及目前材料、制造水平，極限風速取12 級臺風最大值37 m·s—1。

對作用在網箱表面的風載荷采用伯努利方程，計算海風作用在浮筒上的動壓：

式中：Wp為風壓 (k N·m—2)；ru為空氣密度(kg·m—3)。

將空氣密度 (ru) 替換成重度 (r)，其表達公式為：r=ru·g，代入式 (14)，得：

設在海面標準大氣壓101 325 Pa、溫度15 ℃的標準狀態下，空氣重度，重力加速度g取9.8 m·s—2，代入式 (15) 得：

由此可得網箱所受風載荷為：

式中：A表示垂直風速方向作用下網箱的受風面積(m2)，而網箱阻力風向主要來源于水平風向，故得出網箱結構的受風面積A=309.3 (m2)。

將深水網箱作業環境極值風速與網箱受風面積代入式 (17)，得到風荷載F=264.645 (kN)。

2.4 環境載荷計算對比分析

根據計算結果并對比傳統HDPE 重力式網箱，以黃小華等[28]針對沿海地區常用的40～80 m周長的深水網箱計算結果作為參考標準，在波高5 m、周期8 s、流速0.75 m·s?1條件下，周長80 m網箱所受的波浪力最大為85 kN，遠小于新型復式抗風浪網箱設計承受的波浪載荷。海流載荷計算選取聶雪軍等[29]和黃小華等[30]對重力式網箱在水流作用下受力計算的結果作為參考標準，二者在計算時均只考慮水流對網衣的作用，在流速1 m·s?1、網衣受流向面積210 m2的條件下，網箱受流阻力均值為109.4 kN，與新型復式抗風浪網箱設計承受載荷相近。風載荷的計算則以吳常文等[31]在舟山海區進行的HDPE 深水網箱抗風浪試驗結果作為參考標準，當風速大于35 m·s?1時，周長48 m 網箱所受風載荷最大為21.923 kN，遠小于新型復式抗風浪網箱設計承受的風載荷。基于以上對比，可見本研究所設計的網箱相較于傳統HDPE 網箱能承受更大的風浪載荷。

3 小結

針對傳統網箱結構簡單，無法承受海洋中風、浪、流等環境載荷造成的壓力沖擊情況[32-33]， 本研究基于海上實際作業工況，設計了一款面向深海養殖的復式抗風浪網箱，分別采用莫里森公式和伯努利方程對網箱承受風、浪、流等環境載荷進行受力計算并與傳統HDPE 網箱進行對比，總結如下：

1) 新型復式抗風浪網箱創新采用雙浮筒的設計，能為網箱提供更大的浮力，并與立體浮框結構連接組成超靜定抗風浪結構。該設計區別于傳統HDPE 網箱抗風浪結構，網箱上部承受波浪載荷的變化不明顯，當網箱上部載荷變化時，整體不會出現較大傾斜而影響功能性的使用，故網箱上部位置可以儲備大量物資，增大了甲板使用面積。

2) 新型復式抗風浪網箱可通過調節兩浮筒的間距來改變浮筒下方垂蕩體的距離，使其大于工作海域極限波長，通過垂蕩體的垂蕩和減搖作用，給網箱提供較大的阻尼，從而實現控制網箱運動幅度，保證網箱的結構安全。

3) 立體浮框結構是承受波浪載荷的主要載體，其特征尺度簡化為橫桿和縱桿，受到速度力和慣性力的疊加，在海上8 級大風條件下所承受的極值負載約為344.82 kN。網箱因采用雙浮筒結構，受風面積大，且選取12 級大風極值風速，其極值負載約為264.65 kN。網箱承受海流載荷的計算是通過網衣水下受流阻力計算而得，其極值負載約為131.11 kN。在近似計算條件下，所設計的網箱承受海洋環境載荷均高于傳統HDPE 網箱，為后續研究開發與生產提供了參考。