单元升降式网箱强度校核_罗俊.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.011单元升降式网箱强度校核罗俊，陈胜，段家辉，赵志遥（浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江舟山316022）摘要：随着近海渔业的枯竭，海洋养殖业逐渐向深远海发展，但深远海养殖易受极端天气影响，本文基于海洋采油平台设计了一种八边形单元升降式网箱，为降低极端天气对养殖效益的影响提供了可能。针对单元升降式网箱结构安全性问题，本文基于 ANSYS/Mechanical 建立了单个单元网箱和四单元网箱在水面和水下两种状态的分析模型，通过相位角搜索程序确定不同状态下的工况，最终计算出两组网箱在两种状态下的应力和变形情况，完成对网箱强度的校核。仿真计算结果表明：单元升降式网箱可以通过下降到水面以下的方式有效应对极端天气；支撑桩腿与套筒之间的连接处是单元升降式网箱的结构薄弱处。单元升降式网箱为模块化、高效益化、灵活化深海养殖提供了一种解决方案。关键词：深海网箱；升降式；模拟仿真；强度分析中图分类号：S969文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0098-09收稿日期：2022-07-18作者简介：罗俊（1999），男，硕士研究生，主要从事海洋平台研究。E-mail：通讯作者：陈胜（1969），男，硕士，副教授，主要从事海洋机械研究。E-mail：深远海养殖已成为未来的发展趋势，网箱养殖是目前最主要的养殖方式之一。中国是世界上最早使用网箱养殖的国家，800 多年前，就有古人以竹和布构成网箱进行养殖1。据统计，截至 2020 年底，全国海水养殖面积为 7.04 1010m2。其中，普通网箱养殖面积为 1.98 107m2，深水网箱养殖面积为 3.82 107m2，全国海水养殖面积比 2019 年增长了 97.40%，全国海水养殖鱼类的总产量为2.14 107t，其中海水网箱养殖产量为 8.58 105t，占全国海水养殖产量的 4.02%2-3。然而，常规的深海养殖网箱在面对极端天气时生存能力不佳，容易造成经济损失。因此可以有效应对极端天气的深海养殖网箱具有广阔的研究前景。自升式平台在海洋油气开采及海工装备安装领域应用非常广泛，但在海洋渔业养殖领域却鲜有涉及，借鉴自升式平台主体可沿桩腿上下运动的结构特性，在台风、巨浪等极端海洋环境下自升式深海网箱的养殖箱体可沿桩腿快速下潜入水，为减少极端环境下养殖损耗、提高养殖收益提供了一种解决方案4。对于升降式网箱的结构安全性，庞国良等4基于 ANSYS/Mechanical 建立了仿真模型，分析了升降式网箱在正常作业状态及极端环境下风暴自存状态的结构变形和应力分布。谭永明等5针对升降式网箱不便运输及稳定性不足的问题，设计了一种模块化自动升降网箱，通过仿真计算极端天气下网箱水下状态应力仅为水面状态应力的 13%。柴佳瑜等6通过数值模拟计算出了不同浪、流作用下，浮架位移、应力和锚绳张力的变化情况。黄六一等7通过水槽模型试验，探究了张力腿网箱在纯流作用下的水动力特性。王非等8通过实验研究了静水和纯流下升降网箱的运动特性，指出了流速与网箱运动的关系。以上研究的方法及结论都为升降式网箱的设计及结构强度研究提供了借鉴。目前对于升降式网箱的研究将主要集中在浮式网箱，而对于其他类型升降式网箱的研究尚有欠缺，并且缺少多角度耦合载荷作用下的研究。本文第1期设计的升降式网箱不同于浮式网箱使用锚绳的固定方式，而是采用支撑桩腿实现对箱体的定位与固定。为对其结构安全性进行校核，本文使用ANSYS/Mechanical 有限元仿真软件建立了单个单元网箱与四单元网箱在水面和水下两种状态下的有限元模型，通过设置相位角搜索程序，搜索出不同方向载荷下最大波流耦合力对应的相位角，确定计算工况，最终计算出单元升降式网箱的结构变形量及应力分布，实现对单元升降式网箱的强度校核。1网箱模型单元升降式网箱以自升式海洋油气开采平台为蓝本设计。主体结构由八边形钢制框架形成的养殖箱和支撑桩腿组成，支撑桩腿布置在养殖箱中心，养殖箱内部用于布置养殖渔网。养殖箱通过套筒沿着支撑桩腿上下运动实现升降功能。当需要扩大养殖规模时可以由 4 个单元网箱相互连接组成养殖网箱组进行布置，如图 1 所示。单元升降式网箱设计承载最大风速为 35 m/s，最大浪高为 11 m，周期为 10.8 s，海面水流速度为2.25 m/s，海洋中部流速为 1.86 m/s，海洋底部流速为 1.5 m/s，海水密度取 1 030 kg/m3，材料使用Q345钢，屈服强度为 345 MPa，许用应力为 230 MPa，安全系数为 1.5。单元网箱的主要尺寸及材料参数如表 1 所示。单元网箱正常工作时为水面工作状态，该状态下养殖箱上框架表面与海面平齐，方便进行饲料投喂、死鱼回收等工作；在极端天气下养殖箱沿着支撑桩腿整体下降 10 m 为水下工作状态，用以躲避极端天气，两种工作状态如图 2 所示。网箱组以 1号网箱单元支腿中心为全局坐标系原点，指向 2 号网箱单元为 x 轴正方向；背离 3 号网箱单元方向为y 轴正方向；指向支腿水面部分为 z 轴正方向，由于网箱组为对称结构，因此，环境载荷的方向分为0与 45，如图 3 所示。2有限元分析2.1海洋环境载荷分析单元升降式网箱在海洋中工作时主要受到风载图 1单元网箱结构图图 2网箱工作状态示意图水下工作状态水面工作状态支撑桩腿养殖框架海底海面表 1单元网箱尺寸及材料参数参数数值网箱高度/m15网箱边长/m20支撑桩腿高度/m50支撑桩腿直径/m2上下外框架直径/m1框架套筒连杆直径/m0.6工作水深/m35材料弹性模量/MPa2.11106材料泊松比0.3材料密度/（kg m-3）7 850套筒罗俊，等：单元升降式网箱强度校核99海洋技术学报第42卷图 3网箱组坐标系及载荷方向定义荷、波浪载荷及流载荷的复合作用。风载荷主要作用于网箱上部露出海面的部分，计算公式9如下。Fwind=KKZV2windA（1）式中，K 为风载形状系数，对于本文的圆柱形支腿取 0.5；KZ为海上风压高度变化系数，按规范取 1.010；为风压系数，取 0.613；Wwind为设计风速，取 35 m/s；A 为受风面积。波浪载荷一般分为 5 个主要的力，即阻力、惯性力、撞击力、压差力和动量反射力。对于波浪载荷的计算通常根据结构物尺寸（D）与波长（L）的比值分为小尺度波浪力计算和大尺度波浪力计算。当 D/L0.2 时，结构物为小尺度构件，在工程设计中通常使用 Morison 方程进行计算；当 D/L 0.2时，结构物为大尺度构件，需要考虑物体的绕射效应，在计算时通常使用绕射理论或者 Froude-Krylov 假定。由于单元网箱的支撑桩腿及框架的管直径与波浪波长之比远远小于 0.2，因此对于波浪载荷的计算使用 Morison 方程进行计算，表达式11-14如下。Fwave=12CdDVx|Vx|+CmD24Vxt（2）式中，Cd为拖曳力系数；Cm为惯性力系数；为海水密度；D 为桩柱直径。Cd和 Cm分别取 0.7和 2.04。Vx为桩柱轴线处水质点的水平方向速度，其计算公式9-10如下。Vx=x=mi=1Aiicosh（ki（d+z）sinh（kid）cos（it+i）（3）式中，为速度势；Ai、i、ki、i分别为第 i个波浪的波幅、角频率、波数、随机初相位；d 为水深；z 为竖向坐标。在使用 Morison 方程计算波浪载荷时，波浪理论的选择关乎计算的精确度。目前常用的波浪理论有线性（Airy）波、Stokes 波、椭圆余弦波和流函数理论等10。ANSYS 软件对于波浪的计算提供了 4种波浪理论，分别为深度衰减经验修正的微幅理论、Airy 波理论、Stokes 五阶波理论和流函数波浪理论。Stokes 波浪理论可以更加准确地描述实际波浪的运动，国家海洋平台的入级规范建议使用Stokes 三阶波理论和 Stokes 五阶波理论进行海洋结构物的强度校核和结构计算。综上所述，波浪理论最终选择使用 Stokes 五阶波理论。海流力是作用在海洋装置上的一种流动阻力，这种阻力是运动的水产生的定常流动阻力，根据水下结构物上的阻力是流体的动能函数的原理，按照稳定流动条件下阻力的数学表达方法，可得出海流力11如下。Fc=W2gDs0CDu2dz（4）式中，Fc为海流力；W 为海水密度；g 为重力加速度；D 为圆柱桩的直径；s 为水面自海底以上的高度；CD为阻力系数；u 为海流流速；dz 为垂直方向的长度增量。2.2最大相位角的搜索在选用 Stokes 五阶波理论时，对于波高和周期固定的波浪而言，不同的相位角对于波流耦合力有较大的影响，因此需要对 0360相位角对应的波流耦合力进行搜索，找到最大波流耦合力对应的相位角。本文基于 APDL（ANSYSParametricDesignLa-nguage）编写搜索相位角命令流，以 1为增长区间搜索出各个支撑桩腿的波流耦合力。以相位角为横坐标，波流耦合力为纵坐标绘制成曲线图，单个单元网箱变化图见图 4，四单元网箱组水面工作状态见图 5，四单元网箱组水下工作状态见图 6。从图 4 至图 6 可以看出在不同载荷方向、工作状态的单元网箱中最大波流耦合力对应的最大相位角。最终将网箱不同状态及载荷下的结果记录汇总为表 2。450 xy一单元二单元三单元四单元100第1期2.3仿真参数设置对于单元升降网箱强度的校核，本文使用ANSYS/Mechanical 有限元仿真软件进行模拟仿真。首先，在 ANSYS/Mechanical 中采用点线建模；其次，给各直线与实体分配单元属性，由于单元式升降网箱主体框架采用钢管制造，因此养殖箱与支撑桩腿采用 ANSYS/Mechanical 中的 Pipe59 单元进行模拟。Pipe59 单元是一种可承受拉、压、弯作用，并且能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元12。网箱框架与支腿之间连接的套筒使用实体单元中的Solid185 单元进行模拟，Solid185 用于实体结构的3D 建模，具有塑性、超弹性、应力硬化、蠕变、大挠度和大应变能力，还可以模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料变形的混合公式能力。最后，输入波高、流速、海水密度、波浪周期和波浪相位角等环境数据，波流耦合作用方式选择沿波浪作用方向。养殖箱及支撑桩腿单元尺寸均设置为 0.5 m，单个单元网箱套筒沿套筒圆周方向设置 5 层，高度方向设置 10 个单元，单个单元网箱共划分出 6 452 个单元，7 757 个节点；网箱组套筒沿套筒圆周向设置 6 层，直径方向设置 8 个单元，四单元网箱组共划分出 28 724 个单元，34770 个节点，同时约束四条支撑桩腿底部X、Y、Z3 个方向的自由度。此外，为了更好实现框架的管图 4单个单元网箱波流耦合力随相位角变化图波流耦合作用力/N10.001068.001066.001064.001062.001060360060120180240300相位角/（）单网箱水面状态水下状态图 5四单元网箱组水面状态波流耦合力随相位角变化图0载荷下波流耦合作用力/N1.101061.001060.901060.801060.701060.60106360060120180240300相位角/（）45载荷下波流耦合作用力/N8.311067.131065.941064.751063.56106360060120180240300相位角/（）耦合载荷下波流耦合作用力/N1.601061.501061.401061.301061.20106360060120180240300相位角/（）图 6四单元网箱组水下状态波流耦合力随相位角变化图0载荷下波流耦合作用力/N6.001064.001062.001060-2.00106-4.00106360060120180240300相位角/（）45载荷下波流耦合作用力/N6.0