[发明专利]一种网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法

说明书

本发明涉及网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法，采用了网片超单元法对网衣建立有限元模型；对养殖装备的结构进行模态分析，在进行模态分析时考虑主浮体、细长浮体以及网衣三者间的协调变形，得到各模态下对应的应力和应变；网片超单元法得到网衣的波流载荷；建立养殖装备的运动方程，得到养殖装备结构的模态主坐标，根据主坐标计算模态叠加后的养殖装备总的应力、应变及运动响应。本发明通过超单元法可不再计算各网孔的受力，大大减少了计算工作量；通过引入实体率，提高了网衣流体载荷的计算精度；通过浮体和网衣的耦合分析，在计算运动响应时考虑了网衣与浮体间的相互影响，从而大大提高了计算结果的准确性。

技术领域

本发明涉及船舶三维水弹性分析计算方法技术领域，尤其是一种网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法。

背景技术

渔业养殖受到了众多国家及企业的关注，由浮体和网衣组合而成的渔业养殖装备也得到了很大发展。单纯浮体的水弹性分析方法已经较为成熟，但网衣结构由于其特殊的形式，与传统浮体存在较大差别。网衣由细长的网线编织而成，具有成千上万，甚至几十万、上百万个网目，且网衣的网线刚度较小。波浪绕射理论不再适用于网衣水动力载荷的计算，需要提出适用于上述网衣特点的计算方法。同时，网衣与浮体通过连接件连接在一起，其在波浪和海流作用下会发生变形，在计算分析中需要考虑两者间的协调变形。因此，为了能够对浮体与网衣的耦合动力特性进行分析，需要提出一种网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法，根据网衣的结构特征优化网衣波流载荷的计算方法，同时在模态分析过程中综合考虑网衣与浮体间的协调变形因素，从而提高计算效率和计算结果的准确性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种网衣与浮体耦合水弹性响应分析方法，选用养殖装备作为所述网衣与浮体的计算模型，养殖装备的结构为：包括横截面成多边形结构的框架体，还包括主尺寸大于等于波长的主浮体，所述主浮体纵截面成T形结构，位于框架体结构中心，主浮体圆周一圈通过多个主尺寸小于波长的细长浮体与相应的外侧立柱连接成整体；框架体的底面及每个侧面上均设有网衣；

所述耦合水弹性响应分析方法的具体步骤为：建立养殖装备的有限元模型，其中对网衣建立有限元模型时采用网片超单元法；对养殖装备的结构进行模态分析，在进行模态分析时考虑主浮体、细长浮体以及网衣三者间的协调变形，得到各模态下对应的应力和应变；通过势流理论计算主浮体的水动力系数、波浪激励力，通过莫里森方程得到细长浮体的波流载荷，通过网片超单元法得到网衣的波流载荷；建立养殖装备的运动方程，将得到的水动力系数、各波流载荷代入到该运动方程中，求解得到养殖装备结构的模态主坐标，根据主坐标计算模态叠加后的养殖装备总的应力、应变及运动响应。

其进一步技术方案为：

所述框架体具有沿竖直方向设置的多个外侧立柱，多个外侧立柱分别位于多边形的顶点处，相邻外侧立柱之间的上部、下部分别通过上部横杆、下部横杆及外侧斜撑连接成整体；主浮体纵截面成T形结构，其包括底部大径底座，其中部连接有沿竖直方向延伸的中心立柱，所述中心立柱通过细长浮体即：水平的上部撑杆、下部斜撑以及倾斜的空间斜撑与外侧立柱连接。

采用网片超单元法计算网衣的波流载荷的步骤：

步骤一：计算网衣的实体率

其中l_w为网线中心间距，d_w为网线直径；

步骤二：计算网衣的雷诺数其中U_rel为水流与网衣之间的相对速度，ν为流体的运动粘性系数；

步骤三：根据实体率、雷诺数及网衣与水质点之间的夹角θ，计算网衣的阻力系数和升力系数：阻力系数C_D(Sn,Re,θ)、升力系数C_L(Sn,Re,θ)；