基于SolidWorks的深远海网箱结构设计及有限元分析

王飞， 陈胜

（浙江海洋大学，浙江舟山 316000）

0 引言

由于渔业捕捞力度过大，渔业资源严重流失或减少，使得海产品增长很大程度上主要依赖于我国海洋养殖业快速发展。传统的网箱式养殖方法只能集中于一部分靠岸和港湾的水域。

20世纪70年代以来，越来越多的国家开始进一步深入地研究深水网箱养殖产品，大型深水网箱养殖技术也得以迅速进步。近20年来，以挪威为主要代表的一系列大型网箱在全球范围内迅速普及，取得了显著的进展。

深水网箱养殖虽然给人类提供了丰富的蛋白质，但是它们也严重破坏了我国沿海及其他地区的资源与环境。目前我国从事水产养殖的企业首先需要考虑的问题之一就是如何充分兼顾海洋资源的利用与生态环境保护，解决由于水产养殖业污染所带来的疾病等问题。因此，必须控制和减少自污染的产生，探索深水网箱养殖与环境保护共存的可持续发展道路。也就是说，在实施水产养殖之前，要模拟评估水产养殖对环境的影响，并根据评价结果确定养殖规模[1]。

目前深水网箱大多采用锚桩固定，在某海域养殖。台风来临时，移动网箱比较困难，容易造成巨大的经济损失。例如在2011年9月，临高县的养殖网箱受到了不同程度的破坏，造成经济的损失将近4 亿元人民币，损失大量珍贵鱼类；2018年7月，超强台风玛利亚对福建三都镇的深水养殖业造成巨大影响，因海水冲击导致网箱破裂，造成渔业直接经济损失1.5 亿元人民币。因此，深远海网箱的研究十分重要[2]。

1 网箱的主要结构形式

网箱养殖普遍采用中小型浮板式网箱、高密度聚乙烯（HDPE）重力式深水网箱和近海域围栏式养殖等手段，因其具有结构简单、成本较低的优点，所以在沿海水产养殖城市得到了普遍的应用。

网箱主要由浮架系统、网衣系统、配重系统和锚碇系统4部分组成。圆形框架作为当前浮架系统的主流结构，由高密度聚乙烯浮管弯制而成。浮管的直径从200 mm到600 mm不等。网箱的规模不同，浮架系统的直径也会有很大的变化。目前超大型是发展的主要方向。浮架系统的整体性通过用注塑三通连结部件固定网箱结构来保证。浮架系统能够为网箱提供浮力，使网衣成形。网架系统或框架系统是它的别名[3]。

网衣系统即网箱的网衣，通常采用超高分子量聚乙烯材料。可根据养殖鱼类选择网衣的形状。养殖鱼类的大小决定了网格的大小。网衣能够防止鱼类的逃脱，保护鱼类免受袭击。

很多学者将配重系统看作网衣系统的一部分，但实际上它是另一重要的组成部分。配重的大小及类型会对同一个网衣系统产生不同的影响，对重力式网箱的影响尤为明显。网箱的水动力特性及网衣的变形程度均和配重系统有关。

锚碇系统将网箱固定某一地区进行养殖活动，不让网箱进行漂移。锚碇系统的组成部分有水下网格、主锚绳、锚链与浮球。浮球与水下网格在下潜状态时之间的协同运动，可以直接控制整个网箱下潜的深度。

2 网箱设计要求

2.1 设计原则

如今，近海海域的环境压力越来越大，当今世界各国的网箱养殖都朝着深海域进军。为此，本文设计出更符合当今养殖环境要求的深远海网箱。许多问题随着网箱的使用也开始出现，首先要解决深远海网箱较差的抗风浪性，一旦主体结构遭受破坏就会造成严重的经济损失。由于对食物品质要求的提高，一般的网箱养殖因无法移动而不能完全按照鱼类的生存习性进行自然养殖，无法满足要求。因此，设计与研究深远海网箱将是我国迈出海洋渔业转变的关键一步[4]。

本文所研究的深远海网箱需满足能够在指定的区域工作。由于深远海网箱位于深海，故网箱所使用的结构材料具有优异的耐腐蚀性能，能够承受较大的冲击。且在风暴工况下可以在海上顺利升降，从而应对不利情况[5]。主要涉及参数如表1所示。

表1 工作环境参数

2.2 主体结构

深远海网箱的主体框架为正六边形框架，上下表面间用6根圆柱形管道相连，在下表面处安装4个浮筒作为升降装置。图1所示为深远海网箱的框架三维图。

图1 深远海网箱主体框架结构

深远海网箱的主要结构有框架系统、浮力系统及系泊系统3部分。网箱为桁架结构，由结构钢管、型钢及钢板组成。上、下表面之间的距离为15 000 mm，正六边形的每一条边均为17 000 mm。网衣的网目设计为35 mm×35 mm。整个深远海网箱预计的养殖体积超过10 000 m3。

本文设计的网箱设置双层网，采用超高分子量聚乙烯网衣材料。内网为养殖网，PU处理，网目大小为35 mm×35 mm（养殖0.3 kg以上大黄鱼）。外网为挡流网和防鲨/防漂流物刺破防护网，防鲨/防漂流物刺破防护网做PU处理，网目为150 mm×150 mm。每年要保留1个月的维保期，用于网衣及结构清洗、检查及修理等。外网及内网按网箱内水流速度不大于1.0 m/s设计。

深远海网箱设计投入使用的海域条件为水深50 m的开放海域。深远海网箱需抵抗12级强台风的冲击。在遭遇无法抵御的灾害时，深远海网箱需要下沉至离海平面10 m以上的深度，以此躲避灾害。选择海域时应优先选择风力极值较小的海域，要求此海域每年受到强台风的影响日期较短。

2.3 系统功能

1）框架系统。框架系统，即网箱的基本框架。基本框架由上下表面的正六边形管道与6根竖直的圆柱形管道相连构成。上表面安装了走道和扶手，为工作人员的操作提供了便利，也在一定程度上保证了人员安全。其中2根管道上安装了直梯踏步，能让人员上下移动，便于检查箱体中部可能发生的情况。

2）浮力系统。浮力系统的组成部分有沉子和浮子。沉子由硅块材料制成，在空气中质量为3.7 t，配6 m长锚链，锚链规格同系泊锚链。沉子用锚链悬挂于网衣的下沿，以此张开网衣。它可以提高网箱抵抗水流冲击的能力，并保证网箱的有效养殖容积。通过在网箱框架上环固浮力模块来充当浮子。浮力模块在框架上等间距分布，提供浮力。网箱框架的结构质量为179 t，网衣和沉子所受的浮力量级较小，故忽略不计。网箱入水后受到水的浮力为530 kN，则需要浮子提供的浮力为1260 kN。材料选用每立方米能提供9750 N浮力的聚氨酯发泡材料，共需要129 m3的材料。每个浮力模块间隔0.5 m布置，防止过大的间隔导致受力不均[6]。

3）系泊系统。网箱设置四点重力锚泊，系泊点设置在网箱底部，将网箱固定于指定的海域。锚链可在锚链的长度方向上自由转动，并形成一定的悬链线特性，使网箱能弹性地固定于工作海域，确保网箱安全，且易于安装，安装方式如图2所示。

图2 锚链安装示意图

3 网箱所受环境载荷分析

3.1 海风作用下受力分析

考虑到深远海网箱悬浮于海平面上，分析海风作用时，主要对水面上方的立柱及走道进行估算。物体受风面受到的动压为

式中：Wp为风压，kN/m2；ru为空气密度，kg/m3；v为海域风速，m/s。

为了便于模拟，在进行模拟时，仅保留框架主体结构。将走道和栏杆所受的力等同于框架上表面管道一侧所受的力。建立好模型后，进行材质选择。此处选用的材质为Q235钢。选择材质之后，进行夹具的添加，将下底面的管道进行固定作为支撑。对上方的管道进行外部载荷的添加。力的方向垂直于管道，作用在管道上。然后进行网格的划分，网格密度选择良好后开始进行划分。网格划分完成后运行算例，得出结果如图3～图5所示。

图5 应变分析

由图3可以看出，整个模型的最大位移为4.46 mm，该位移发生在上表面管道。相对于十几米的管道长度，该位移可忽略不计。因此该框架满足强度要求。

图3 位移分析

在图4中，可以得到该框架的屈服极限为205 MPa。而框架所受最大应力仅为1.945 MPa，远低于屈服极限。应力大多集中在中间管道与下表面的连接处。由于测试时将下表面进行固定，此处所受的载荷较大。

图4 应力分析

3.2 海流作用下受力分析

在近海区域，波浪的运动不稳定，而深远海区的浪潮相对稳定。在本节计算中将假定水流和潮流的流量恒定，因此拖曳力是它们对深水养殖网箱桩的唯一作用力。

拖拽力为

式中：d为水深，m；η为波高，m；ρ为海水密度，g/cm3；CD为拖曳力系数；Uw为波浪水平速度，m/s；Us为流速，m/s；Z为深度，m。

计算得出拖曳力F=1947 N。

计算出受到的载荷后，使用SolidWorks进行静力学分析。为了便于模拟，在进行模拟时，仅保留框架主体结构。建立好模型后，进行材质选择。此处选用的材质为Q235钢。选择材质之后，进行夹具的添加，将下底面的管道进行固定作为支撑。对上方的管道进行外部载荷的添加。力的方向垂直于管道，作用在管道上。然后进行网格划分，网格密度选择良好后开始进行划分。网格划分完成后运行算例，得出结果如图6～图8所示。

图6 位移分析

图8 应变分析

由图6可以看出，整个模型的最大位移仅为1.11 mm，该位移发生在竖直管道处。竖直管道的直径为508 mm，则该位移不会对管道造成影响。管道实际受到的载荷会远小于模拟时的载荷，因此管道的强度符合要求。

在图7中，可以得到该框架的屈服极限为205 MPa。而框架所受最大应力为1.165 MPa，低于屈服极限。

图7 应力分析

3.3 风暴工况下受力分析

结合以上的计算，将所有受到的力集中在一起，进行一次Simulation的静应力分析，结果如图9～图11所示。

图9 位移分析

图11 应变分析

由图9可以看出，整个模型的最大位移为0.84 m，该位移发生在上表面管道处。上表面管道的直径为508 mm，可以看出最大位移会对管道造成较大影响。但在实际使用中，这些作用力是分散在网衣和横杆上的，不会完全作用在上表面的管道上。因此，管道实际受到的载荷会远小于模拟时的载荷，故管道的强度符合要求。

在图10中，可以得到该框架的屈服极限为205 MPa，而框架所受最大应力为356.4 MPa，这已经超出了屈服极限。应力大多集中在各个管道的连接处，由于测试时将受力集中在一起，导致管道所受的力远高于实际值，使得管道的变形高于预期值[7]。但在实际情况下，网衣和其余管道会分担一些载荷，并不会出现此种情况。

图10 应力分析

由于网箱和网衣在海水中的顺应性，深远海网箱不会像刚性材料那样将风、浪、流的冲击力充分吸收，深远海网箱实际受力必定小于本节的极值，但为了结构的安全性，可在连接处进行结构的加固。

4 结语

本文在了解了深水网箱的基本结构后，进行了网箱的设计研究，对网箱所处的环境载荷进行了分析。探讨了目前世界上深水网箱的现状和发展趋势，对常见的网箱进行了介绍和对比，展示了它们各自的优缺点。目前世界上网箱设计的主要问题是不能兼顾网箱的功能性和安全性，而我国的网箱设计目的目前以大型化为主。通过SolidWorks静力学分析进行了网箱的结构可靠性验证。