深海浮式网箱结构设计载荷预报与强度分析
摘要
近年来，海洋养殖产业迅速向深远海发展。深远海养殖不仅能开拓海洋养殖发展
的新空间，还可以减轻近海水域的环境压力、实现海洋养殖的现代化。但是在深远海，
海域开阔、海况恶劣，深海网箱在这种恶劣的海况下工作很容易出现结构的损坏。目
前，众多学者对深海重力式网箱在不同海况下的水动力特性和结构强度进行了大量的
研究，但针对新型桁架式网箱在水流、波浪以及波流联合作用下的水动力特性和结构
强度研究较少。而且在研究深海网箱的水动力时多为网箱在线性规则波下的水动力特
性分析，这并不能满足在恶劣海况下波浪的特点。因此需要研究一种适用于深远海网
箱在恶劣海况下的运动与波浪载的预报方法，为新型桁架式渔场平台的研发与设计提
供参考。
本文基于Morison公式和刚体运动学理论构建桁架式网箱时域力学分析模型，分析
了不同波浪工况下的网箱运动与载荷响应特性，并以网箱所受波浪载荷作为输入实现
对网箱结构模型的静力加载并进行了强度分析。具体研究内容如下：
(1)基于Morison公式计算作用在网架上的波流载荷；采用Screen模型计算网衣的
水动力载荷；运用悬链线方程计算网箱所受的系泊力；基于刚体六自由度运动学原理，
建立深海网箱的时域运动微分方程，并采用四阶精度的龙格-库塔法求解。基于以上理
论编写桁架式网箱在浪流作用下的波浪载荷与运动响应计算程序，并进行时域数值模
拟。
(2)以线性波浪理论作为波浪环境的输入，计算了深海网箱在单位波幅下的运动与
载荷响应，并对不同工况下的深海养殖网箱进行了波浪载荷短期预报，进一步的基于
等效设计波法计算了网箱典型主控载荷下的设计波；研究了网箱在系泊系统完整时以
及系泊索发生断裂后的系泊力和锚端受力情况，分析了锚泊系统在不同状态下的系泊
张力特性。
(3)以五阶斯托克斯波浪理论作为波浪环境的输入，研究了深海网箱在五阶斯托克
斯波下的水动力特性；同时，对比分析不同波浪模型作用下的网箱运动与载荷响应特
性的差异；计算系泊系统完整和受损状态下的系泊张力特性，分析了系泊系统在五阶
斯托克斯波下的受力特点，且分析了与线性波浪输入下的系泊张力的差异性。
(4)建立深海网箱网架结构的有限元模型，根据桁架结构在均匀来流下的受力特点，
将Morison方法计算的集中力合理加载到桁架结构表面，通过MSC.Patran/Nastran进行
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
网箱结构响应分析；同时，根据《海上移动平台入级规范》中结构强度校核的相关规
定，对不同工况下的深海网箱网架结构进行强度校核。
关键词：深远海网箱；运动与载荷响应；数值模拟；结构强度
深海浮式网箱结构设计载荷预报与强度分析
ABSTRACT
Inrecentyears,themarineaquacultureindustryhasrapidlyexpandedtothedeepsea.
Deep-seaaquaculturenotonlyopensupnewspaceforthedevelopmentofmarineaquaculture,
butalsoreducestheenvironmentalpressureinnearshorewatersandachievesmodernizationof
marineaquaculture.However,inthedeepsea,theseaareaisvastandtheseaconditionsare
harsh,makingiteasyforthestructureofdeep-seanetcagestobedamaged.Currently,
numerousscholarshaveconductedextensiveresearchonthehydrodynamiccharacteristicsand
structuralstrengthofdeep-seagravitynet