基于SolidWorks的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

王飛， 陳勝

（浙江海洋大學(xué)，浙江舟山 316000）

0 引言

由于漁業(yè)捕撈力度過大，漁業(yè)資源嚴(yán)重流失或減少，使得海產(chǎn)品增長很大程度上主要依賴于我國海洋養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展。傳統(tǒng)的網(wǎng)箱式養(yǎng)殖方法只能集中于一部分靠岸和港灣的水域。

20世紀(jì)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(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)品，大型深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)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(wǎng)箱在全球范圍內(nèi)迅速普及，取得了顯著的進展。

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖雖然給人類提供了豐富的蛋白質(zhì)，但是它們也嚴(yán)重破壞了我國沿海及其他地區(qū)的資源與環(huán)境。目前我國從事水產(chǎn)養(yǎng)殖的企業(yè)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(tài)環(huán)境保護，解決由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)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(chǎn)生，探索深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖與環(huán)境保護共存的可持續(xù)發(fā)展道路。也就是說，在實施水產(chǎn)養(yǎng)殖之前，要模擬評估水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境的影響，并根據(jù)評價結(jié)果確定養(yǎng)殖規(guī)模[1]。

目前深水網(wǎng)箱大多采用錨樁固定，在某海域養(yǎng)殖。臺風(fēng)來臨時，移動網(wǎng)箱比較困難，容易造成巨大的經(jīng)濟損失。例如在2011年9月，臨高縣的養(yǎng)殖網(wǎng)箱受到了不同程度的破壞，造成經(jīng)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(fēng)瑪利亞對福建三都鎮(zhèn)的深水養(yǎng)殖業(yè)造成巨大影響，因海水沖擊導(dǎo)致網(wǎng)箱破裂，造成漁業(yè)直接經(jīng)濟損失1.5 億元人民幣。因此，深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱的研究十分重要[2]。

1 網(wǎng)箱的主要結(jié)構(gòu)形式

網(wǎng)箱養(yǎng)殖普遍采用中小型浮板式網(wǎng)箱、高密度聚乙烯（HDPE）重力式深水網(wǎng)箱和近海域圍欄式養(yǎng)殖等手段，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點，所以在沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖城市得到了普遍的應(yīng)用。

網(wǎng)箱主要由浮架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、配重系統(tǒng)和錨碇系統(tǒng)4部分組成。圓形框架作為當(dāng)前浮架系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)，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(wǎng)箱的規(guī)模不同，浮架系統(tǒng)的直徑也會有很大的變化。目前超大型是發(fā)展的主要方向。浮架系統(tǒng)的整體性通過用注塑三通連結(jié)部件固定網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)來保證。浮架系統(tǒng)能夠為網(wǎng)箱提供浮力，使網(wǎng)衣成形。網(wǎng)架系統(tǒng)或框架系統(tǒng)是它的別名[3]。

網(wǎng)衣系統(tǒng)即網(wǎng)箱的網(wǎng)衣，通常采用超高分子量聚乙烯材料。可根據(jù)養(yǎng)殖魚類選擇網(wǎng)衣的形狀。養(yǎng)殖魚類的大小決定了網(wǎng)格的大小。網(wǎng)衣能夠防止魚類的逃脫，保護魚類免受襲擊。

很多學(xué)者將配重系統(tǒng)看作網(wǎng)衣系統(tǒng)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(wǎng)衣系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，對重力式網(wǎng)箱的影響尤為明顯。網(wǎng)箱的水動力特性及網(wǎng)衣的變形程度均和配重系統(tǒng)有關(guān)。

錨碇系統(tǒng)將網(wǎng)箱固定某一地區(qū)進行養(yǎng)殖活動，不讓網(wǎng)箱進行漂移。錨碇系統(tǒng)的組成部分有水下網(wǎng)格、主錨繩、錨鏈與浮球。浮球與水下網(wǎng)格在下潛狀態(tài)時之間的協(xié)同運動，可以直接控制整個網(wǎng)箱下潛的深度。

2 網(wǎng)箱設(shè)計要求

2.1 設(shè)計原則

如今，近海海域的環(huán)境壓力越來越大，當(dāng)今世界各國的網(wǎng)箱養(yǎng)殖都朝著深海域進軍。為此，本文設(shè)計出更符合當(dāng)今養(yǎng)殖環(huán)境要求的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱。許多問題隨著網(wǎng)箱的使用也開始出現(xiàn)，首先要解決深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱較差的抗風(fēng)浪性，一旦主體結(jié)構(gòu)遭受破壞就會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。由于對食物品質(zhì)要求的提高，一般的網(wǎng)箱養(yǎng)殖因無法移動而不能完全按照魚類的生存習(xí)性進行自然養(yǎng)殖，無法滿足要求。因此，設(shè)計與研究深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱將是我國邁出海洋漁業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵一步[4]。

本文所研究的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱需滿足能夠在指定的區(qū)域工作。由于深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱位于深海，故網(wǎng)箱所使用的結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠承受較大的沖擊。且在風(fēng)暴工況下可以在海上順利升降，從而應(yīng)對不利情況[5]。主要涉及參數(shù)如表1所示。

表1 工作環(huán)境參數(shù)

2.2 主體結(jié)構(gòu)

深遠(yuǎn)海網(wǎng)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(yuǎn)海網(wǎng)箱的框架三維圖。

圖1 深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱主體框架結(jié)構(gòu)

深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱的主要結(jié)構(gòu)有框架系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)及系泊系統(tǒng)3部分。網(wǎng)箱為桁架結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)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(wǎng)衣的網(wǎng)目設(shè)計為35 mm×35 mm。整個深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱預(yù)計的養(yǎng)殖體積超過10 000 m3。

本文設(shè)計的網(wǎng)箱設(shè)置雙層網(wǎng)，采用超高分子量聚乙烯網(wǎng)衣材料。內(nèi)網(wǎng)為養(yǎng)殖網(wǎng)，PU處理，網(wǎng)目大小為35 mm×35 mm（養(yǎng)殖0.3 kg以上大黃魚）。外網(wǎng)為擋流網(wǎng)和防鯊/防漂流物刺破防護網(wǎng)，防鯊/防漂流物刺破防護網(wǎng)做PU處理，網(wǎng)目為150 mm×150 mm。每年要保留1個月的維保期，用于網(wǎng)衣及結(jié)構(gòu)清洗、檢查及修理等。外網(wǎng)及內(nèi)網(wǎng)按網(wǎng)箱內(nèi)水流速度不大于1.0 m/s設(shè)計。

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

2.3 系統(tǒng)功能

1）框架系統(tǒng)?？蚣芟到y(tǒng)，即網(wǎng)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(gòu)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(fā)生的情況。

2）浮力系統(tǒng)。浮力系統(tǒng)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(zhì)量為3.7 t，配6 m長錨鏈，錨鏈規(guī)格同系泊錨鏈。沉子用錨鏈懸掛于網(wǎng)衣的下沿，以此張開網(wǎng)衣。它可以提高網(wǎng)箱抵抗水流沖擊的能力，并保證網(wǎng)箱的有效養(yǎng)殖容積。通過在網(wǎng)箱框架上環(huán)固浮力模塊來充當(dāng)浮子。浮力模塊在框架上等間距分布，提供浮力。網(wǎng)箱框架的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為179 t，網(wǎng)衣和沉子所受的浮力量級較小，故忽略不計。網(wǎng)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(fā)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(dǎo)致受力不均[6]。

3）系泊系統(tǒng)。網(wǎng)箱設(shè)置四點重力錨泊，系泊點設(shè)置在網(wǎng)箱底部，將網(wǎng)箱固定于指定的海域。錨鏈可在錨鏈的長度方向上自由轉(zhuǎn)動，并形成一定的懸鏈線特性，使網(wǎng)箱能彈性地固定于工作海域，確保網(wǎng)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(wǎng)箱所受環(huán)境載荷分析

3.1 海風(fēng)作用下受力分析

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

式中：Wp為風(fēng)壓，kN/m2；ru為空氣密度，kg/m3；v為海域風(fēng)速，m/s。

為了便于模擬，在進行模擬時，僅保留框架主體結(jié)構(gòu)。將走道和欄桿所受的力等同于框架上表面管道一側(cè)所受的力。建立好模型后，進行材質(zhì)選擇。此處選用的材質(zhì)為Q235鋼。選擇材質(zhì)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(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格密度選擇良好后開始進行劃分。網(wǎng)格劃分完成后運行算例，得出結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖5 應(yīng)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(fā)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(yīng)力僅為1.945 MPa，遠(yuǎn)低于屈服極限。應(yīng)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(yīng)力分析

3.2 海流作用下受力分析

在近海區(qū)域，波浪的運動不穩(wěn)定，而深遠(yuǎn)海區(qū)的浪潮相對穩(wěn)定。在本節(jié)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(yǎng)殖網(wǎng)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(shù)；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(xué)分析。為了便于模擬，在進行模擬時，僅保留框架主體結(jié)構(gòu)。建立好模型后，進行材質(zhì)選擇。此處選用的材質(zhì)為Q235鋼。選擇材質(zhì)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(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度選擇良好后開始進行劃分。網(wǎng)格劃分完成后運行算例，得出結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 位移分析

圖8 應(yīng)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(fā)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(yuǎn)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(yīng)力為1.165 MPa，低于屈服極限。

圖7 應(yīng)力分析

3.3 風(fēng)暴工況下受力分析

結(jié)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(yīng)力分析，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 位移分析

圖11 應(yīng)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(fā)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(wǎng)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(yuǎn)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(yīng)力為356.4 MPa，這已經(jīng)超出了屈服極限。應(yīng)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(dǎo)致管道所受的力遠(yuǎn)高于實際值，使得管道的變形高于預(yù)期值[7]。但在實際情況下，網(wǎng)衣和其余管道會分擔(dān)一些載荷，并不會出現(xiàn)此種情況。

圖10 應(yīng)力分析

由于網(wǎng)箱和網(wǎng)衣在海水中的順應(yīng)性，深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱不會像剛性材料那樣將風(fēng)、浪、流的沖擊力充分吸收，深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱實際受力必定小于本節(jié)的極值，但為了結(jié)構(gòu)的安全性，可在連接處進行結(jié)構(gòu)的加固。

4 結(jié)語

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