王紹敏，袁太平，陶啟友，郭杰進(jìn)，胡 昱，劉海陽，黃小華

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部外海漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，廣州 510300）

系泊系統(tǒng)在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的安全性中扮演重要角色，目前網(wǎng)箱于使用海域的系泊主要采用輻射式多點(diǎn)系泊方式，由于多點(diǎn)系泊對(duì)施工要求較高，對(duì)于缺乏專業(yè)施工裝備的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)存在較高難度。深海養(yǎng)殖需要占用海域，在有限海域中盡可能多地布置養(yǎng)殖網(wǎng)箱是獲取更高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的手段之一，由于安全系泊半徑的要求，輻射式多點(diǎn)系泊方式往往會(huì)占用較多海域面積，且水深越深海域占用越多，導(dǎo)致網(wǎng)箱布置數(shù)量受到限制。這些問題一定程度上制約了網(wǎng)箱養(yǎng)殖向深遠(yuǎn)海發(fā)展。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域較為常見，其中單錨腿系泊系統(tǒng) SALMS（single anchor leg mooring system）［1-2］屬于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)形式之一，主要依據(jù)配重緩沖系統(tǒng)或浮筒緩沖系統(tǒng)，通過提升系統(tǒng)剛度以降低速度、減小位移實(shí)現(xiàn)能量吸收而達(dá)到系泊的目的，同樣運(yùn)用了相關(guān)原理的還有軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)［3-6］，具有工作穩(wěn)定、海況適應(yīng)度高的特點(diǎn)。由于具備投資小、易于回收、施工簡便、工期較短，抵抗惡劣環(huán)境優(yōu)勢(shì)明顯等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上單點(diǎn)系泊特殊的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)可給養(yǎng)殖行為帶來較好的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，近些年來單點(diǎn)系泊已得到網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。HUANG等［7-8］研究了多環(huán)境載荷條件下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)性能及可靠性，并分析了不同規(guī)格PE（polyester）材料構(gòu)成的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的疲勞特性；DECEW等［9］分別采用試驗(yàn)方法和數(shù)值仿真方法分析了一種單點(diǎn)系泊的梯形網(wǎng)箱在純流作用下的動(dòng)力特性；SHAINEE等［10-11］計(jì)算了規(guī)則波、隨機(jī)波和均勻流作用下單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱的自潛特性，評(píng)估了該類網(wǎng)箱應(yīng)用于深遠(yuǎn)海的可行性；XU等［12］通過數(shù)值模擬分析了單點(diǎn)系泊自潛重力式網(wǎng)箱在波流組合中的水動(dòng)力特性，比較了網(wǎng)箱正面有無框架情況下網(wǎng)箱的變形量。但是上述研究大都聚焦于養(yǎng)殖網(wǎng)箱本身，忽略了系泊系統(tǒng)的三維效應(yīng)和系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性?？偟膩碚f，國內(nèi)在系泊系統(tǒng)和網(wǎng)箱的耦合動(dòng)力分析及效用評(píng)估方面研究目前還不夠完善。

因此，本研究依據(jù)產(chǎn)業(yè)自身需求并借鑒海洋工程領(lǐng)域單點(diǎn)系泊系統(tǒng)特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)一型可應(yīng)用于往復(fù)流情況下的新型單錨腿單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，與網(wǎng)箱建立耦合分析模型，系統(tǒng)分析系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性。著重研究錨泊線頂端激勵(lì)、浮筒位移距離以及綁系網(wǎng)箱的浮纜張力變化，評(píng)價(jià)系泊系統(tǒng)的安全性、海域利用率和適用性等方面的效用，以期為網(wǎng)箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 單錨腿系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用時(shí)作為受迫振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程的一般形式［13］為：

式（1）中，M為系統(tǒng)的總質(zhì)量矢量，C為系統(tǒng)的總阻尼矢量，K為系統(tǒng)的總剛度矢量，F(xiàn)（t）為系統(tǒng)所受外力，、X分別為加速度、速度和位移。

分析式（1）可知，當(dāng)系統(tǒng)外力F（t）既定的情況下，系泊物的位移與系泊系統(tǒng)的總剛度K密切相關(guān)。對(duì)網(wǎng)箱而言，系泊系統(tǒng)的水平剛度主要提供網(wǎng)箱水平方向的恢復(fù)力，該恢復(fù)力主要通過系泊腿的懸鏈線自重和預(yù)張力提供；而在垂直方向上，恢復(fù)力主要由系統(tǒng)頂端浮體自身浮力提供，多數(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)箱的系泊便是直接將系泊纜索與網(wǎng)箱浮管連接，由浮管的浮力提供垂向恢復(fù)力，該連接方法增加了浮管的承載負(fù)擔(dān)，最終會(huì)影響網(wǎng)箱安全［14-18］。

養(yǎng)殖行為過程中對(duì)占海面積小的要求，最終即是要求系泊網(wǎng)箱離開初始位置的距離短、系泊系統(tǒng)的系泊半徑小或是盡可能長的以海底臥鏈形式呈現(xiàn)，因此本研究以高效利用海域面積為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種符合養(yǎng)殖行業(yè)的新型、簡易且施工方便的單錨腿系泊裝置以供深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱選擇，設(shè)計(jì)圖如圖1-a所示。

如圖1所示，系統(tǒng)由水面浮筒、海床重量1、海床重量2和船錨通過中間錨鏈連接組成，其工作原理為：系統(tǒng)工作過程中，網(wǎng)箱因?yàn)槭艿江h(huán)境合力發(fā)生位移，帶動(dòng)水面浮筒離開初始平衡位置“Ⅰ”，平衡于新位置“Ⅱ”處，此時(shí)的狀態(tài)為鋼鏈B發(fā)生偏轉(zhuǎn)、浮筒吃水增加、重量1未離開海床；當(dāng)極限海況情況發(fā)生，網(wǎng)箱遭受更高的環(huán)境載荷時(shí)，進(jìn)一步帶動(dòng)浮筒從位置“Ⅱ”處平衡于位置“Ⅲ”處，此時(shí)的狀態(tài)為鋼鏈B進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)、浮筒吃水更大、重量1離開海床、鋼鏈C發(fā)生偏轉(zhuǎn)但重量2依舊保持于海床上，維持重量2持續(xù)在海床上的狀態(tài)以防止對(duì)錨產(chǎn)生上拔力而走錨，達(dá)到網(wǎng)箱于指定點(diǎn)安全系泊的目的。水面浮筒與海床重塊之間形成一個(gè)“柔性緩沖臂”［19］并使系泊系統(tǒng)自帶兩級(jí)剛度，最終實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱于各環(huán)境條件下的系泊要求。系泊系統(tǒng)主要構(gòu)成部件參數(shù)為：水面輕質(zhì)浮筒（聚脲塑料）體積4.5 m3，凈浮力 4 220 kg；重量 1自重 5 760 kg；重量 2自重1 500 kg；錨為大抓力船錨，自重 500 kg；浮纜A選用直徑φ36 mm的纖維繩，破斷負(fù)荷174 kN，錨鏈B、C和D均選用鏈徑 φ22 mm的AM2級(jí)有檔錨鏈，破斷負(fù)荷240 kN，用來抵御環(huán)境載荷。由于養(yǎng)殖海域流場(chǎng)的往復(fù)現(xiàn)象，實(shí)際將置于海床上的部份鏡像對(duì)稱設(shè)置，以應(yīng)對(duì)往復(fù)流作用下的各類極限海況，如圖1-b所示。

1.2 系泊系統(tǒng)剛度驗(yàn)證

海域?qū)崪y(cè)可直接獲取研究所需的數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)直觀可靠的特點(diǎn)。為獲取上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)的水平剛度，開展相應(yīng)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)地點(diǎn)位于我國南海北部某島海域西側(cè)，平潮水深12.7 m，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為量程100 kN的水密高靈敏度拉力傳感器與配套采集系統(tǒng)，傳感器設(shè)置于浮筒與錨鏈B的連接處，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置于浮筒頂部。等待平潮、微風(fēng)、有義波高約0.5 m的天氣窗口時(shí)展開實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)，由漁船展開拖帶作業(yè)實(shí)現(xiàn)浮筒沿X向離開平衡位置，在錨鏈B中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)張力，由傳感器測(cè)量獲得系泊系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 單錨腿系泊系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single anchor leg mooring system

圖2 水平剛度曲線Fig.2 Horizontal stiffness curve

同時(shí)對(duì)實(shí)際海域布置的系泊系統(tǒng)水平剛度進(jìn)行了數(shù)值分析，數(shù)值方法基于三維勢(shì)流理論，以面元法對(duì)浮筒進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，獲取其水動(dòng)力系數(shù)后于時(shí)域內(nèi)完成與系泊系統(tǒng)其它部件的耦合計(jì)算，獲取不同偏移距離下錨鏈處張力值，詳見文獻(xiàn)［13］。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，如圖2所示，數(shù)值剛度曲線具有兩級(jí)躍升的特點(diǎn)，說明了系泊系統(tǒng)具備兩級(jí)剛度，可實(shí)現(xiàn)系泊系統(tǒng)較大范圍的安全性與適用性。同時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)論，主要原因有：1）可能平潮水位水深的實(shí)際測(cè)量值存在誤差，最終選擇的12.7 m大于實(shí)際水深；2）系統(tǒng)是以平潮水位設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)處于潮水回落時(shí)期，測(cè)試海域水深逐漸減小，浮筒吃水減小，導(dǎo)致浮筒離開設(shè)計(jì)的水平平衡位置時(shí)鋼鏈張力值偏小。但數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值最大相對(duì)誤差在可接受范圍，如，當(dāng)浮筒離開平衡位置4.7 m時(shí)，錨鏈張力實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值為17.9 kN，數(shù)值計(jì)算理論值為20.75 kN，相對(duì)誤差為13.75%；同時(shí)數(shù)值計(jì)算值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，可認(rèn)為本研究數(shù)值方法具備一定合理性和精度。

1.3 網(wǎng)箱受力驗(yàn)證

為保證系泊系統(tǒng)的安全性，進(jìn)一步對(duì)系泊浮體——網(wǎng)箱受力進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)箱材料和模型采用LADER等［20］的有關(guān)數(shù)據(jù)：采用尼龍材質(zhì)圓柱體外形的網(wǎng)衣由不銹鋼頂圈支撐，頂圈直徑1.46 m，不銹鋼管直徑0.025 m，網(wǎng)衣直徑 1.435 m，高度1.44 m；網(wǎng)衣是由2塊方形網(wǎng)目：目腳長16 mm、網(wǎng)線直徑1.8 mm、長125目、寬81目的矩形網(wǎng)片對(duì)接拼成；配重為16個(gè)柱形金屬砝碼，每個(gè)砝碼質(zhì)量400 g，沿圓周方向均勻布置在網(wǎng)衣的底端；實(shí)驗(yàn)流速為 0.13 m·s-1、0.21 m·s-1、0.26 m·s-1、0.33 m·s-1、0.52 m·s-1。同時(shí)，采用的數(shù)值計(jì)算理論、方法與本研究作者前期有關(guān)計(jì)算理論、方法一致［21］，即采用基于纜索動(dòng)力學(xué)開發(fā)的專用軟件OrcaFlex，對(duì)試驗(yàn)網(wǎng)箱的物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模并展開計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較如表1所示。從表1可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，各速度下誤差最大值不超過9%，同樣驗(yàn)證了數(shù)值方法的合理性，為后續(xù)浮體與系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力分析奠定了基礎(chǔ)。

表1 網(wǎng)箱流場(chǎng)作用力比較Tab.1 Comparison of drag force on the net between calculated and experimental results

1.4 系泊系統(tǒng)與浮體耦合

系泊系統(tǒng)和浮體在海洋環(huán)境載荷作用下的耦合動(dòng)力分析對(duì)二者結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估具有重要意義。因此針對(duì)所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱開展耦合計(jì)算，進(jìn)一步研究系泊系統(tǒng)主要構(gòu)件如浮纜A、鋼鏈B、浮筒在各典型工況下的受力與運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)，可以為單錨腿單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的效用評(píng)估提供依據(jù)。依據(jù)圖1-b，于平潮水深為D=15 m的養(yǎng)殖海域，設(shè)定系泊系統(tǒng)與系泊網(wǎng)箱構(gòu)成的耦合系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)為網(wǎng)箱浮管系泊點(diǎn)處，系泊對(duì)象選用文獻(xiàn)［21］中截面積（網(wǎng)箱占海面積）為127.33 m2的的 NACA0030對(duì)稱翼形網(wǎng)箱，翼型網(wǎng)箱如圖3所示。系泊系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件參數(shù)及坐標(biāo)分別為：浮纜A長24 m，鋼鏈B長14 m，鋼鏈 C長5 m，鋼鏈 D長10 m；浮筒初始位置（-24，0，0）；重量 1初始位置（-24，0，-D）；重量2初始位置（-29，0，-D）；重量3初始位置（-19，0，-D）；兩個(gè)船錨初始位置分別為（-39，0，-D）和（-9，0，-D）；養(yǎng)殖海域的環(huán)境條件如表2所示。

圖 3 翼型網(wǎng)箱［21］Fig.3 Airfoil net cage［21］

表2 養(yǎng)殖海域環(huán)境條件Tab.2 Environmental conditions in cultured sea areas

耦合系統(tǒng)于海洋中使用時(shí)會(huì)遭受不同方向浪流載荷的作用，以系泊系統(tǒng)為例，浪流作用方向如圖4所示。在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系X′O′Y′下，依據(jù)系統(tǒng)的對(duì)稱性，從［0°，90°］范圍內(nèi)選取典型工況進(jìn)行計(jì)算，遴選對(duì)新系泊系統(tǒng)最不利的環(huán)境條件。為了找到各種不利工況，在工況遴選范圍內(nèi)除了對(duì)流向?yàn)?°的情況進(jìn)行了有關(guān)計(jì)算外，實(shí)際還存在可能因施工過程中出現(xiàn)的誤差導(dǎo)致的與流往復(fù)方向存在的角度差別，將流向?yàn)?5°的組合也進(jìn)行了計(jì)算，共形成7個(gè)工況。

圖4 系泊系統(tǒng)典型環(huán)境工況劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical environmental conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼鏈張力最大值

通過浪、流各方向的組合，對(duì)形成的7個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算，7個(gè)環(huán)境工況情況下鋼鏈B中的張力統(tǒng)計(jì)值如表3所示。計(jì)算表明，在流向一定時(shí)，浪流同向工況（浪 45°、流 45°，浪 0°、流 0°，浪90°、流90°）下鋼鏈B中的張力值會(huì)大于浪流非同向工況，而且3種同向工況的張力極值隨著角度值增加而增加，在浪流均垂直于錨-錨連線的工況（浪 90°、流 90°）下，鋼鏈 B受力達(dá)到最大53.33 kN。這是因?yàn)樗娓⊥埠椭亓?通過鋼鏈B連接構(gòu)成一個(gè)振蕩系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)各部件在外力作用下發(fā)生振蕩時(shí)，重量1的位移與加速度隨環(huán)境合力方向角度的增加而增加，如圖5所示，最終可導(dǎo)致系統(tǒng)部件的振蕩運(yùn)動(dòng)相位之間的差異，從而誘導(dǎo)出更大的錨鏈張力，為安全起見對(duì)該工況進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。

波浪種子是確保時(shí)域波浪隨機(jī)性的重要參數(shù)，改變種子數(shù)可保證波浪在滿足統(tǒng)計(jì)意義要求的條件下生成不同的波浪組合，最終確保計(jì)算結(jié)果的一般性。依據(jù)海洋工程領(lǐng)域相關(guān)系泊標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用動(dòng)力分析法核算，需進(jìn)行至少5個(gè)波浪種子條件下的計(jì)算，張力最大值按式（2）［22］進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中，n為波浪種子數(shù)，Ti為不同種子條件下的張力極值，a=0.3。本研究計(jì)算了10個(gè)波浪種子條件，如表4所示，鋼鏈B中最大值的均值為50.20 kN，依據(jù)式（2）計(jì)算張力最大值為50.93 kN，破斷負(fù)荷240 kN，安全系數(shù)K=240／50.93=4.71，可見張力最大的工況下，可以保障錨泊系統(tǒng)的安全性。

表3 各工況下鋼鏈B的張力統(tǒng)計(jì)Tab.3 Tension statistics of chain B under typical working conditions

2.2 鋼鏈張力穩(wěn)定性

進(jìn)一步對(duì)各計(jì)算工況下數(shù)據(jù)的離散性進(jìn)行計(jì)算，分析其穩(wěn)定性。通過表3可知，7個(gè)工況下鋼鏈B的張力標(biāo)準(zhǔn)差隨著浪流方向間夾角的增加而增加，且浪90°、流0°的工況標(biāo)準(zhǔn)差最大，為6.82 kN，反映浪流環(huán)境載荷以相互垂直施加于該系泊系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性稍弱，設(shè)計(jì)時(shí)候需要格外注意。該海況下錨鏈B的張力時(shí)歷曲線如圖6所示。對(duì)特殊工況下的張力展開極值分析是確保設(shè)計(jì)符合安全要求的常用手段之一，海洋工程領(lǐng)域一般認(rèn)為短期海況符合窄帶瑞利分布，結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)與受力亦認(rèn)為符合瑞利分布［23-25］。瑞利分布函數(shù)為：

式（3）中x為樣本，σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。依據(jù)OCHI［26-27］的研究，在高斯假定下風(fēng)暴周期T中最可能出現(xiàn)的最大值由公式FMAX=μ＋σ［2ln（n）］1／2計(jì)算，其中 ，n=T／Tz＞10是受力波峰的數(shù)量，本研究T=500 s，μ和Tz分別是受力時(shí)間歷程的平均值和跨零周期。浪90°、流0°的工況下通過極值分析計(jì)算，該工況下最可能出現(xiàn)的最大值為55.12 kN，相比掃略計(jì)算值產(chǎn)生了8.74 kN的增幅。安全系數(shù)K=240／55.12=4.35，系統(tǒng)在該工況下依舊保持較高的安全裕度。

表4 10個(gè)波浪種子數(shù)下各張力計(jì)算值Tab.4 Calculated values of each tension under 10 wave seed conditions

圖5 重量1 X向運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)歷曲線Fig.5 Time history curves of weight 1 X-direction motion acceleration under different working conditions

由于極值分析情況下會(huì)出現(xiàn)張力的增幅，需對(duì)張力最大值的工況（浪90°、流90°）再次以該方法進(jìn)行校核，確保安全性。通過對(duì)波浪種子1條件下的極值分析，該工況最可能出現(xiàn)的最大值為FMAX=37.55＋5.19×2.88=52.47（kN），相比掃略計(jì)算值產(chǎn)生 53.33-52.47=0.86（kN）的降幅，而相比多種子條件下的值產(chǎn)生52.47-50.93=1.54（kN）的增幅。由此可知，本研究涉及的系泊系統(tǒng)應(yīng)采用極值分析法校核，可以確保系泊系統(tǒng)各工況下的安全，此時(shí)安全系數(shù)K=240／52.47=4.57。危險(xiǎn)工況下以不同極值計(jì)算方法對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，綜合評(píng)估單錨腿系泊系統(tǒng)具備各工況下的安全性。

2.3 系泊網(wǎng)箱偏移量

系泊網(wǎng)箱沿浪流合力方向離開平衡位置的距離，是在極端海況下網(wǎng)箱所需海域面積的度量指標(biāo)之一，離開平衡位置距離短表明極端海況下網(wǎng)箱所需的海域面積小，同等海域面積下可布置更多網(wǎng)箱，海域利用率高。為了評(píng)估本研究所設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)在用海方面的貢獻(xiàn)量，以系泊系統(tǒng)中的水面浮筒為對(duì)象，計(jì)算其在環(huán)境載荷方向的偏離距離，相關(guān)統(tǒng)計(jì)情況見表5。由表5可知，各工況下浮筒離開平衡位置的最大距離是浪流均為90°工況時(shí)的8.99 m，偏離平衡位置最大值最小的是浪90°、流 0°的工況，為 6.74 m；環(huán)境載荷同向工況下的最大偏離距離大于其他非同向的工況，3種同向工況下的最大偏離距離隨角度值的增加而增加，該情況與鋼鏈B的張力變化情況類似，說明浮筒偏離距離大小是引起鋼鏈B中張力增減的原因之一；最大運(yùn)動(dòng)幅值為浪流均為45°工況下的4.14 m，最小運(yùn)動(dòng)幅值為浪90°、流0°工況下的2.42 m，其他工況下均比較接近，說明系泊系統(tǒng)總體工作情況穩(wěn)定。綜合分析，浮筒各工況下偏離平衡位置最大距離不超過9 m，所設(shè)計(jì)的單錨腿單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高海況下較小的海域使用面積，若與網(wǎng)箱合理匹配，有助于提升海域利用率。

圖6 浪90°、流0°海況下錨鏈B的張力時(shí)歷曲線Fig.6 Tensile time history curve of chain B under 90°wave direction and 0°current direction sea conditions

表5 各工況下浮筒離開平衡位置統(tǒng)計(jì)Tab.5 Distance statistics of float buoy drift under various working conditions

2.4 浮纜長度優(yōu)化

本研究采用浮纜實(shí)現(xiàn)系泊系統(tǒng)與網(wǎng)箱的連接，輕質(zhì)浮纜具備經(jīng)濟(jì)、耐用和便于操作的優(yōu)點(diǎn)。浮纜A的長度選取也直接關(guān)系到養(yǎng)殖海域的使用率，浮纜長則需要的海域大，海域使用率低；反之，浮纜短則需要的海域小，海域使用率高。為合理選取浮纜長度，以浪90°、流90°為典型工況，計(jì)算了不同浮纜A長度（10 m、16 m、24 m、30 m、36 m）下的受力，張力極值變化情況如圖7所示。浮纜A的受力最大值與其長度密切相關(guān)，在同等海況下，其張力極值隨長度的增加呈降低趨勢(shì)。最小安全系數(shù)為K=174／39.32=4.43，可見在長度為10 m的情況下也能保證系泊安全，但比16 m時(shí)張力增加較快，因此建議實(shí)際運(yùn)用時(shí)可適當(dāng)增加浮纜A長度，并依據(jù)海域網(wǎng)箱布置數(shù)量情況恰當(dāng)選擇浮纜A長度。

圖7 不同長度下浮纜A的張力極值變化曲線Fig.7 Tensile extreme value curve of rope A under different lengths

將該單點(diǎn)系泊系統(tǒng)置于不同水深，并通過調(diào)整鋼鏈B長度（水深D-1）、保持其他部件參數(shù)不變的方式展開部件受力計(jì)算與分析，計(jì)算工況為浪90°、流90°，鋼鏈B與輕質(zhì)浮纜A的張力統(tǒng)計(jì)值見表6。鋼鏈B和浮纜A中的張力最大值、標(biāo)準(zhǔn)差均隨著水深的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，大約在30 m水深達(dá)到最小值；而當(dāng)水深超過40 m時(shí)，兩個(gè)部件內(nèi)的張力極值都呈現(xiàn)了躍升，原因可能是此時(shí)水面浮筒已經(jīng)浸沒于海面，誘導(dǎo)了鋼鏈B中的張力快速增加，也導(dǎo)致水面浮纜A與水平面之間的夾角增加，而致使張力增加。通過標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)，該單點(diǎn)系泊系統(tǒng)最適應(yīng)的水深約為30 m，該系統(tǒng)在該水深與環(huán)境條件下匹配性最優(yōu)。

表6 不同水深情況下鋼鏈B與浮纜A的張力統(tǒng)計(jì)Tab.6 Tension statistics of chain B and rope A under different water depths

3 小結(jié)

本研究通過借鑒單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，為網(wǎng)箱產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)出一型可以實(shí)現(xiàn)占海面積小的單錨腿單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，并對(duì)該系泊系統(tǒng)的安全與效用進(jìn)行了研究分析，主要得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）基于三維勢(shì)流理論建立單錨腿系泊系統(tǒng)的剛度計(jì)算數(shù)值模型，通過系泊系統(tǒng)海域剛度實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算精度，得出該類型的系泊系統(tǒng)具備兩級(jí)剛度；利用基于纜索動(dòng)力學(xué)軟件OrcaFlex建立了網(wǎng)箱系統(tǒng)的受力變形數(shù)值模型，并依據(jù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性。

2）開展單錨腿系泊系統(tǒng)與翼形網(wǎng)箱的耦合動(dòng)力分析，確定該系泊系統(tǒng)具備較高的安全性，對(duì)工況掃略計(jì)算下的危險(xiǎn)工況（浪90°、流90°）進(jìn)行極值分析和多種子條件的對(duì)比計(jì)算，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

3）為了對(duì)該系泊系統(tǒng)的使用效用進(jìn)行評(píng)估，通過浮筒的偏移位置計(jì)算，驗(yàn)證了該系泊系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海域利用率的提升；不同條件下的研究結(jié)果表明，該系泊系統(tǒng)可保障15～50 m水深下網(wǎng)箱的安全系泊，且最適宜30 m水深；水深一定情況下，浮纜A的受力隨長度的增加而降低，可以根據(jù)實(shí)際需求確定最終的長度。