大型浮绳式围拦网养殖设施的网衣结构受力分析

徐克品，詹建明，，胡利永，郑堤，陈俊华

（1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211；2.浙江大学 宁波理工学院 机电与能源工程学院，浙江 宁波 315100）

大型浮绳式围拦网养殖设施的网衣结构受力分析

徐克品1，詹建明1，2，胡利永2，郑堤2，陈俊华2

（1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211；2.浙江大学 宁波理工学院 机电与能源工程学院，浙江 宁波 315100）

大型浮绳式围拦网养殖设施作为一种海上新型养殖装备，其抗风浪能力是首要解决的问题，因而围拦网设施网衣结构的受力分析就尤为重要。依据正弦波理论和莫里森方法理论分析了围拦网设施局部网衣结构在垂直方向上的受力情况，利用网面等效法和集中质量法对局部网衣结构进行了仿真模拟，并将数值模拟结果与理论分析结果进行了对比，结果显示两者基本一致，平均误差在19%以内，其中，局部网衣结构所受的垂直波浪力随着波浪波高的增大而增大，浮子所受的浮力和垂直波浪力始终是围拦网设施垂直方向受力的主要因素。依据计算的结果，构建了大型围拦网养殖设施，顺利完成了海上抗风浪测试，结果表明围拦网设施整体结构设计的合理性，对网衣结构垂直方向上的受力分析在围拦网设施贴底系统和系泊系统的设计中具有一定的参考价值。

围拦网养殖设施；网衣结构；垂直波浪力；数值模拟

20世纪80年代后期到90年代中后期，随着海洋渔业捕捞技术的飞速发展，海洋捕捞强度随之增大，加之开发过程中存在着污染等问题，使得我国近海渔业资源日趋枯竭（郭庆海等，2010）。面对我国渔业资源的日趋衰竭，渔业养殖成为了海洋渔业可持续发展的主攻方向。

大型浅海浮绳式围拦网设施是一种新型的海水养殖装备，其结构与浮绳式网箱相似，具有较强的抗风浪性能。国内外对其水动力特性研究较少，但对养殖网箱的水动力特性切有较多研究。

Tsukro等（2003）应用等效网单元模型模拟网衣系统，研究了网衣受力与变形的情况，并将研究成果成功应用于张力腿网箱的数值计算中。Fredriksson等（2004）通过理论分析和数值模拟设计了 4个碟形网箱组的锚泊系统。Balash等（2009）利用集中质量法和试验研究了网片在均匀流和震荡流作用下网衣的阻力系数。Colbourne等（2001）利用模型试验和现场测试方法研究了传统三文鱼网箱的缆绳波浪力，研究表明锚泊系统的布设是引起缆绳最大张力的关键因素。Lader等（2008）通过传感器测定了海流作用下网箱的网衣形变，网箱前后的网衣随水流流速增加而发生形变，从而造成了网箱变形及其体积损失。

国内对网箱的研究虽然起步较晚，但仍有大量成果。宋伟华等（2004）对作用在方形网箱及其构件上的水平波浪力的特性进行了研究，依据正弦波理论和莫里森方法，理论给出了网箱水平波浪力的迭加计算法。詹杰民等（2006）对一浮式网箱及其系泊系统建立有限元模型，分析了网箱在不同方向水流作用下其系泊系统所受最大拉力的发生位置。李玉成等（2006）和赵云鹏等（2007）利用集中质量法模拟网衣结构，研究了平面网衣及四点锚碇圆形重力式网箱在波浪和水流共同作用下的水动力特性。

本文在上述国内外学者研究网箱水动力特性已取得成果的基础上，依据莫里森方法分析了围拦网养殖设施的局部网衣结构在正弦波作用下其垂直方向上的受力情况，利用等效网面法和集中质量法模拟了局部网衣结构，并将两者的分析结果进行了对比，设计的结构可为浮绳式围拦网养殖设施的浮子系统、贴底系统和系泊系统的设计提供依据。

1 浮绳式围拦网养殖设施的基本结构

大型浮绳式围拦网设施作为一种新型海上养殖装备，其周长可达300 m，且一般敷设于5～10 m的浅海海域，如计算时平均水深为7 m，其养殖水体体积超过30 000 m3，比目前常用的40～50 m周长的深海网箱的体积大十几倍，是未来海洋养殖的重要方式之一（叶卫富等，2011）。

浮绳式围拦网养殖设施的结构由网衣系统、框架系统、系泊系统以及贴底系统组成，如图1所示。网衣系统由网衣和装配绳索构成，网衣起着围栏的作用，而装配绳索则用于装配网衣，其中包括横向装配纲索（横纲）和纵向装配纲索（竖纲），以提高围拦网结构强度、防止网衣堆积。系泊系统由桩和缆绳组成，围拦网周围布设的铁管桩由主缆绳牵引并与纲索装配，承受围拦网设施在波流作用下的主要作用力。框架系统由浮筒、框架绳（浮子纲）组成，称为浮绳式框架，因其柔性化的结构，使得围拦网设施具有较强的抗风浪性能，起着支撑网衣及防止养殖对象从水面逃逸的作用。贴底系统是围拦网设施区别于网箱的一个最主要特征，由沉链和沉子纲组成，网衣底端随沉链沉入海底淤泥中，因围拦网设施无底网，所以贴底系统是围拦网设施防止养殖对象从网衣的底部逃逸的关键。

图1 浮绳式围拦网养殖设施结构示意图

2 网衣结构受力分析的理论和方法

2.1正弦波基本公式

围拦网设施敷设海域多为海湾浅海区域，加之本文主要讨论围拦网设施的网衣结构在单纯波浪作用下垂直方向上的受力情况，因此可以认为作用在网衣结构上的波浪为正弦波（宋伟华等，2005），根据正弦波理论，波浪水质点运动的垂直方向速度和垂直方向加速度分别为：

式中，H为波高，d为水深，L为波长，波数k= 2π/L，周期T=2π/ω（ω为圆频率）。

2.2局部网衣结构垂直方向受力解析

本文以宽l=8 m高h=12 m的局部网衣结构作为研究对象，如图2所示。局部网衣结构中的网衣为无结聚乙烯网片，装配缩结系数为0.707，网目形状为菱形，目脚长a=26 mm，直径d=1.5 mm。与网衣装配的浮子由9个长90 cm，直径D1=30 cm并排连接的泡沫浮筒组成。

在恶劣的海况下，浮子往往经网衣拉拽沉入海面，现假设局部网衣结构中网衣底部固定于海底，浮子恰好浸没于海表面下，局部网衣结构在水平方向上的受力已构成平衡，现解析其垂直方向受力，如图2所示，F1、F2分别为浮子和网衣所受的浮力，G1、G2分别为浮子和网衣所受的重力，FV1、FV2分别为波浪作用在浮子和网衣上的垂直波浪力。浮子材料为泡沫，因其密度小，体积大，所受重力远远小于浮力，因此其所受重力可以忽略不计。网衣材料为聚乙烯，其密度接近海水密度，又因网衣体积较小，网衣所受重力接近浮力，因此在对局部网衣结构进行垂直方向受力分析时可忽略网衣所受的浮力和重力。分析局部网衣结构垂直方向受力，主要有：浮子浮力F1、垂直波浪力FV1，以及网衣垂直波浪力FV2。

图2 局部网衣结构受力示意图

在分析网衣及浮筒的垂直波浪力时，由于网衣目脚及浮筒直径相比于波长为小量，且直径D与波长L的比值D/L<0.2，故网衣及浮筒的垂直波浪力计算仍采用Morison方法。作用于水平圆柱体上的垂直波浪力可分为三部分：一是由波浪水质点垂直运动速度引起的垂直方向水动阻力FD，二是由波浪水质点运动加速度引起的垂直惯性力FI，三是由于海底的影响，使靠近海底的圆柱体的上部和下部水流流速不等，在流速大处形成负压，以及漩涡尾流区的形成，所以产生了垂直方向的举力FL（范运林，1983）。于是作用于任意高度Z处水平放置的圆柱体的垂直波浪力为：

式中，CD、CM、CL分别为水动力系数、惯性力系数和升力系数，本文依据1976年Sarpkaya等人针对三大水动力系数与雷诺数Re，波浪周期参数KC的关系的研究成果以及试验海域的水文情况，并参照我国海港水文规范（交通部第一航务工程勘察设计院，1998）提供的参考值，分别取惯性力系数CD和阻力系数CM为1.2和2.0；D为圆柱体直径；A为圆柱体在垂直方向上的投影面积；V0为圆柱体的排水体积；ux为波浪水质点运动的水平速度。

分析网衣垂直波浪力时，将网衣目脚视为均匀小直径圆柱体，因网衣目脚直径较小，可忽略因流速差而产生的举力FL，对于单位长度水平放置的圆柱体，A=1×D，V0=πD2/4，于是其垂直波浪力计算式可写为：

3 局部网衣结构模型构建及受力分析

波浪作用下，局部网衣结构垂直方向受力主要有：浮筒浮力F1、垂直波浪力FV1，以及网衣垂直波浪力FV2。将各部分受力进行叠加，可得局部网衣结构整体垂直方向受力：

3.1网衣的垂直波浪力分析

图3 网衣模型

网衣目脚ab段两端点在Z轴方向上的坐标值分别为Z1，Z2，以目脚ab轴线方向为积分方向，得单个网衣目脚ab的垂直波浪力为：

式中：

当网衣置于水深为d的水面下，则区间i～i+1内的单列网衣目脚所受垂直波浪力为：

式中：

因此可得整片网衣所受垂直波浪力：

式中：l为局部网衣结构中网衣横向宽度，a为网衣目脚长度。

3.2浮子垂直波浪力和浮力的分析

浮子恰好浸没于海表面下，将式（1），（2）代入式（4），可得单位长度浮子所受垂直波浪力为：

则浮子整体受垂直波浪力为：

式中l为网衣的横向宽度即局部网衣结构中浮子的宽度，z为浮子距海底的平均高度。

浮子浸没于海表面下，其所受浮力为：

4 局部网衣结构的数值模拟

使用海洋工程动力学分析软件Orcaflex对局部网衣结构进行仿真模拟。局部网衣结构主要由网衣和浮子组成，本文采用集中质量法对网衣和浮筒进行仿真模拟。

假定网衣是由有限的无质量弹簧连接集中质量点所构成，并且在该模型中集中质量点设于每个网目目脚的两端和中间（赵云鹏等，2011）。因实际应用网衣模型结构庞大，数值模拟计算困难，所以须进行简化。

在单纯波浪作用下，网衣受力以阻力为主，惯性力可以略去不计（桂福坤等，2002）。因网衣所受垂直波浪力与网衣目脚在垂直方向上的投影面积成正比。因此，为简化菱形网目网衣模型，可用合并后的等价网面来替代原网面，如图4所示。合并之后新的网目的边长需要和合并前的网目所覆盖的面积相等；同时要求合并后的等价网面垂直方向投影面积与原网面垂直方向投影面积相等，保证合并前后网衣所受的水动力相等；并且等价网衣的质量需与原网衣的质量相等。

对于浮子，集中质量点设于每个浮筒的两端，并用无质量弹簧连接，质量、重力、浮力等特性集中于质量点，而轴向以及扭转等特性可通过无质量弹簧来实现模拟。

图4 菱形网目的合并

图5 局部围拦网结构仿真模型

网衣网目经替换及合并后，如图5所示，在分析软件Orcaflex中对局部网衣结构建立了仿真模型，其中菱形网目目脚长64 cm，直径为3.7 cm，网衣的宽跟高与原网面保持一致，并通过底部11根缆绳固定于海底，且浮筒刚好沉浸于海表面下。网衣和浮筒模型使用的材料和几何参数，如表1所示。

表1 仿真模型使用的材料和几何参数

5 理论计算与仿真模拟的结果比较与分析

5.1网衣所受垂直波浪力的结果比较和分析

在波浪工况T=6 s，H=2 m的数值模拟中，通过网衣底部11根缆绳受力结果，可得网衣在波浪作用下的垂直波浪力，这里只考虑网衣所受垂直波浪力的正值，其中两根缆绳的受力仿真结果，如图6所示。

图6 网衣垂直波浪力仿真模拟结果

波高是影响网衣受力的关键因素，本文设置了两组不同波高的波浪工况，分别对局部网衣结构中的网衣进行了仿真模拟。通过整合网衣底部11根缆绳的受力结果，得到了网衣所受的垂直波浪力，如图7所示，将理论计算结果与数值模拟结果进行比较，结果显示网衣所受垂直波浪力的理论计算结果与数值模拟结果吻合较好，且网衣所受垂直波浪力呈正弦规律变化，变化规律与波浪周期同步。

图7 网衣垂直波浪力理论计算与数值模拟结果的比较

5.2局部网衣结构垂直方向受力结果的比较和分析

波高的增大，使得整个波浪场水质点运动速度的增大，对网衣产生了更大的冲击力。在不同波高的波浪作用下，将局部网衣结构在垂直方向上所受的最大作用力的理论计算结果与数值计算结果进行比较，如图8所示，两者基本吻合，平均误差在19%以内。同时对局部网衣结构在不同波高的波浪作用下其各构件的受力情况进行了比较，如图9所示，网衣及浮子所受垂直波浪力随波浪波高的增大而增大，并且浮子所受的浮力和垂直波浪力始终是局部网衣结构整体垂直方向受力的主要因素。

图8 局部网衣结构垂直方向最大受力理论计算结果与数值模拟结果的比较

图9 局部网衣结构中各构件的受力结果比较

6 围拦网设施海上抗风浪性能测试

依据围拦网设施垂直方向受力的理论分析结果和仿真模拟结果所提供的参考数据，针对浙江省象山县风门口海湾的水域水文特征，平均潮差3.18 m，最大潮差5.65 m（周鸿权等，2014），设计了一个大型浅海浮绳式围拦网养殖设施，周长280 m，网衣装配高度为12.3 m，其水面形状近似于圆形，其中沉链由链径为50 mm的有档锚链装配而成，单位重量为700.3 N/m，如图10所示。并在围拦网设施周围配备28个铁管桩，经拔桩测试，每个铁管桩在垂直方向上能承受大约23 KN的拉力，每个铁管桩的连接均由绳索与围拦网设施中对应的浮子纲相连，敷设于目标海域，用于海上抗风浪性能测试，如图11所示。

图10 有档锚链的装配

图11 大型浮绳式围拦网养殖设施的海上敷设

在抗风浪性能测试期间，该围拦网设施经历了2015年的第9号强台风“灿鸿”的袭击，其所在海域的海面上出现了风大浪高流急的恶劣海况，而围拦网装置并未出现走锚、脱底、网衣结构变形等损毁情况，承受住了大风浪的冲击，完成了海上抗风浪性能的测试。

7 结论

本文依据莫里森方法和正弦波理论分析了围拦网设施在垂直方向上的所受情况，利用等效网面法和集中质量法对局部网衣结构进行了仿真模拟，其仿真模拟结果与理论计算结果基本吻合。将受力分析结果应用于实际围拦网设施的结构设计，并完成了海上抗风浪性能测试，得出如下结论：

（1）浸没在海表面下的养殖围拦网设施，在不同波浪工况作用下，其垂直方向上所受的作用力随波浪波高的增大而增大，而且浮子所受的浮力和垂直波浪力始终是围拦网设施整体垂直方向受力的主要因素，因此浮子结构的不同将在很大程度上决定浮绳式围拦网设施所受波浪载荷的大小。

（2）用于海上抗风浪性能测试的围拦网设施，承受住了大风浪的冲击，说明本文对其网衣结构进行水动力分析所得的结果在贴底系统和系泊系统的设计中具有一定的参考价值，同时表明，本文所使用的理论和方法在分析围拦网设施垂直方向上的受力具有一定的可行性，为进一步研究浮绳式养殖围拦网设施的水动力特性提供了一定的依据。

Balash C,Colbourne B,Bose N,et al,2009.Aquaculture net drag force and added mass.Aquacultural Engineering,41(1):14-21.

Colbourne D B,Allen J H,2001.Observations on motions and loads in aquaculture cages from full scale and model scale measurements. Aquacultural Engineering,24(2):129-148.

Fredriksson D W,DeCew J,Swift M R,et al,2004.The design and analysis of a four-cage grid mooring for open ocean aquaculture. Aquacultural Engineering,32（1）：77-94.

Li Y C,Zhao Y P,Gui F K,et al,2006.Numerical simulation of the hydrodynamic behavior of submerged plane nets in current.Ocean Engineering,33 (17-18):2352-2368.

Lader P,Dempster T,Fredheim A,et al,2008.Current induced net deformations in full-scale sea-cages for Atlantic salmon（Salmo salar）.Aquacultural Engineering,38(1):52-65.

Tsukrov I,Eroshkin O,Fredriksson D,et al,2003.Finite element modeling of net panels using a consistent net element.Ocean Engineering,30 (2):251-270.

Zhao Y P,Li Y C,Dong G H,et al,2007.Numerical simulation of the effects of structures ratio and mesh style on the 3D net deformation of gravity cage in current.Aquacultural Engineering,36(3):285-301.

范运林，1983.作用在海底管线上的波浪力.海洋科学.（6）：1-7.

桂福坤，李玉成，张怀慧，2002.网衣受力试验的模型相似条件.中国海洋平台，17（15）：22-2.

郭庆海，2013.中国海洋渔业资源可持续机制研究.青岛：中国海洋大学：1-8.

交通部第一航务工程勘察设计院等，1998.海港水工规范.人民交通出版社.

宋伟华，2005.应用两种不同的波浪理论计算方形网箱水平波浪力.中国水产科学，12（1）：91-98.

宋伟华，梁振林，2004.方形网箱水平波浪力的迭加计算和实验验证.海洋与湖沼，35（3）：202-208.

叶卫富，2011.浅海浮绳式围网设施应用研究.渔业现代化，38（5）：7-11.

詹杰民，苏炜，2006.浮式养殖网箱系统的数值模拟.中山大学学报，45（6）：1-6.

赵云鹏，李玉成，董国海，2011.深水抗风浪网箱水动力学特性研究.渔业现代化，38（2）：10-16.

周鸿权，孙昭晨，李伯根，等，2014.浙江象山港海域悬沙浓度分布变化及其水动力影响分析.海洋通报，33（6）：694-702.

（本文编辑:袁泽轶）

Net structure force analysis of the large-scale floating rope round net

XU Ke-pin1，ZHAN Jian-ming2，1，HU Li-yong2，ZHENG Di2，CHEN Jun-hua2

（1.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics，Ningbo University， Ningbo 315211， China；2.College of Mechanical and Energy Engineering， Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo 315100， China）

The large-scale floating rope round net aquaculture facility is a new equipment for aquaculture offshore， and the key to improve round net facility's ability to resist the wind and waves is the force analysis.Based on the sine wave theory and Morison method， the characters of vertical force on the local round net are analyzed.Based on the equivalent netting panel method and lumped mass method， the finite element model is established to analyze simplified netting panel.The calculating conclusion shows numerical model result well， and the average error ratio is less than 19%.Vertical force on the round net facility increases with the increase of wave height， and the buoyancy and vertical force on floater are main parts of vertical force on the round net.Wind and wave resistant performance test of the round net facility is carried on， and the test results show that the structure design of round net facility is reasonable and the vertical force analysis of round net facility in this paper has a certain reference value to design sole laying system and the mooring system.

round net aquaculture facility； net structure； vertical waving-force； numerical model

S969.39

A

1001-6932（2017）01-0114-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.01.015

2015-09-22；

2015-12-20

宁波市海洋与渔业局择优委托科技项目 （140B1401）； 宁波市自然基金 （2012A610006）；宁波市农业重大专项（2015C110015）。

徐克品（1991-），男，硕士，主要从事海洋养殖装备技术的研究。电子邮箱xukepin@sina.com。

詹建明（1974-），男，博士，教授。电子邮箱：jensir0310@sina.com。