王飛， 陳勝

（浙江海洋大學，浙江舟山 316000）

0 引言

由于漁業(yè)捕撈力度過大，漁業(yè)資源嚴重流失或減少，使得海產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箱養(yǎng)殖產品，大型深水網箱養(yǎng)殖技術也得以迅速進步。近20年來，以挪威為主要代表的一系列大型網箱在全球范圍內迅速普及，取得了顯著的進展。

深水網箱養(yǎng)殖雖然給人類提供了豐富的蛋白質，但是它們也嚴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生，探索深水網箱養(yǎng)殖與環(huán)境保護共存的可持續(xù)發(fā)展道路。也就是說，在實施水產養(yǎng)殖之前，要模擬評估水產養(yǎng)殖對環(huán)境的影響，并根據評價結果確定養(yǎng)殖規(guī)模[1]。

目前深水網箱大多采用錨樁固定，在某海域養(yǎng)殖。臺風來臨時，移動網箱比較困難，容易造成巨大的經濟損失。例如在2011年9月，臨高縣的養(yǎng)殖網箱受到了不同程度的破壞，造成經濟的損失將近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，因海水沖擊導致網箱破裂，造成漁業(yè)直接經濟損失1.5 億元人民幣。因此，深遠海網箱的研究十分重要[2]。

1 網箱的主要結構形式

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

網箱主要由浮架系統(tǒng)、網衣系統(tǒng)、配重系統(tǒng)和錨碇系統(tǒng)4部分組成。圓形框架作為當前浮架系統(tǒng)的主流結構，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部件固定網箱結構來保證。浮架系統(tǒng)能夠為網箱提供浮力，使網衣成形。網架系統(tǒng)或框架系統(tǒng)是它的別名[3]。

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

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

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

2 網箱設計要求

2.1 設計原則

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

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

表1 工作環(huán)境參數

2.2 主體結構

深遠海網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所示為深遠海網箱的框架三維圖。

圖1 深遠海網箱主體框架結構

深遠海網箱的主要結構有框架系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)及系泊系統(tǒng)3部分。網箱為桁架結構，由結構鋼管、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。網衣的網目設計為35 mm×35 mm。整個深遠海網箱預計的養(yǎng)殖體積超過10 000 m3。

本文設計的網箱設置雙層網，采用超高分子量聚乙烯網衣材料。內網為養(yǎng)殖網，PU處理，網目大小為35 mm×35 mm（養(yǎng)殖0.3 kg以上大黃魚）。外網為擋流網和防鯊/防漂流物刺破防護網，防鯊/防漂流物刺破防護網做PU處理，網目為150 mm×150 mm。每年要保留1個月的維保期，用于網衣及結構清洗、檢查及修理等。外網及內網按網箱內水流速度不大于1.0 m/s設計。

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

2.3 系統(tǒng)功能

1）框架系統(tǒng)。框架系統(tǒng)，即網箱的基本框架?；究蚣苡缮舷卤砻娴恼呅喂艿琅c6根豎直的圓柱形管道相連構成。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衣的下沿，以此張開網衣。它可以提高網箱抵抗水流沖擊的能力，并保證網箱的有效養(yǎng)殖容積。通過在網箱框架上環(huán)固浮力模塊來充當浮子。浮力模塊在框架上等間距分布，提供浮力。網箱框架的結構質量為179 t，網衣和沉子所受的浮力量級較小，故忽略不計。網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，防止過大的間隔導致受力不均[6]。

3）系泊系統(tǒng)。網箱設置四點重力錨泊，系泊點設置在網箱底部，將網箱固定于指定的海域。錨鏈可在錨鏈的長度方向上自由轉動，并形成一定的懸鏈線特性，使網箱能彈性地固定于工作海域，確保網箱安全，且易于安裝，安裝方式如圖2所示。

圖2 錨鏈安裝示意圖

3 網箱所受環(huán)境載荷分析

3.1 海風作用下受力分析

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

式中：Wp為風壓，kN/m2；ru為空氣密度，kg/m3；v為海域風速，m/s。

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

圖5 應變分析

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。而框架所受最大應力僅為1.945 MPa，遠低于屈服極限。應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；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進行靜力學分析。為了便于模擬，在進行模擬時，僅保留框架主體結構。建立好模型后，進行材質選擇。此處選用的材質為Q235鋼。選擇材質之后，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。然后進行網格劃分，網格密度選擇良好后開始進行劃分。網格劃分完成后運行算例，得出結果如圖6～圖8所示。

圖6 位移分析

圖8 應變分析

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。而框架所受最大應力為1.165 MPa，低于屈服極限。

圖7 應力分析

3.3 風暴工況下受力分析

結合以上的計算，將所有受到的力集中在一起，進行一次Simulation的靜應力分析，結果如圖9～圖11所示。

圖9 位移分析

圖11 應變分析

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，而框架所受最大應力為356.4 MPa，這已經超出了屈服極限。應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，導致管道所受的力遠高于實際值，使得管道的變形高于預期值[7]。但在實際情況下，網衣和其余管道會分擔一些載荷，并不會出現此種情況。

圖10 應力分析

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

4 結語

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