[发明专利]鲆鲽网箱的水动力特性检测方法

摘要

本发明涉及一种鲆鲽网箱的水动力特性检测方法，1)包括确定网箱结构参数；2)建立计算公式，计算网箱结点位移和锚绳结点位移；3)计算得到网箱底框架结构的倾角，计算得到锚绳所受的张力；步骤1)～步骤3)计算得到的网箱底框架结构的倾角若小于在波流循环水槽进行模型实验中得到的网箱底框架结构的最大倾角时，则该网箱结构属于能使用的许可范围；步骤1)～步骤3)计算得到的锚绳所受的张力小于在波流循环水槽进行模型实验中得到的锚绳所受的最大张力时，则该锚绳属于能使用的许可范围。本发明既能保证鲆鲽网箱的的安全使用，又能为实际鲆鲽网箱工程设计提供水动力特性的依据，从而促进鲆鲽网箱产品质量的提高。

主权项

一种鲆鲽网箱的水动力特性检测方法，包括确定网箱结构参数，其特征在于有以下步骤：1)确定网箱结构参数有：上框架上层钢管的外径和壁厚、上框架下层钢管的外径和壁厚、上框架扶手支撑管的外径和壁厚、底框架钢管的外径和壁厚、浮子的长和宽、网衣的高度、锚绳的直径；2)建立计算公式，计算网箱结点位移和锚绳结点位移：$M\stackrel{\·\·}{a}\left(t\right)+C\stackrel{\·}{a}\left(t\right)+\mathrm{Ka}\left(t\right)=F\left(t\right)---\left(1\right)$其中a(t)分别是网箱结构离散单元的结点加速度、速度和位移向量，M，C，K和F(t)分别是结构整体的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量；用于计算网箱结构参数刚度矩阵的公式：$T_T=\frac{G_T(D_0^3-D_i^3)}{L}---\left(2\right)$其中：T_T为与扭转自由度有关的单元刚度系数，GT为扭转刚度常数，D_o为外径，D_i为内径，D_i＝D_o‑2tw，tw为单元壁厚，L为单元长度；用于计算网箱结构参数质量矩阵的公式：M_t＝(m_w+m_int+m_add)L    (3)M_a＝(m_w+m_int)L    (4)Mt、Ma、mw是三个不同的质量系数，madd为网箱外部流体的附加质量，$m_w=(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{in}})\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_0^2-D_i^2)$$m_{\mathrm{add}}=(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{in}})C_I{\mathrm{\ρ}}_w\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_e^2---\left(5\right)$其中，ρ为材料的密度；ε_in为初应变；m_int为单元内部流体与附件的单位长度的质量；C_I为外部流体的附件质量系数；ρ_w为壁外流体密度；用于计算结点载荷向量的公式：${\{F/L\}}_b=C_b{\mathrm{\ρ}}_w\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_e^2\left\{g\right\}---\left(6\right)$其中：{F/L}b为浮力引起的单位载荷向量；Cb为浮力系数；{g}为加速度向量，流体的作用力计算公式：${\mathrm{\η}}_s=\underset{i=1}{\overset{N_w}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i=\underset{i=1}{\overset{N_w}{\mathrm{\Σ}}}\frac{H_i}{2}\cos {\mathrm{\β}}_i---\left(7\right)$其中：η_s为总波高；N_w为组成波的数目；${\mathrm{\β}}_i=\left\{2\mathrm{\π}(\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_i}+\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}+\frac{{\mathrm{\Ψ}}_i}{360})\right\}---\left(8\right)$R为沿波浪传播方向，单元上一点距坐标原点的距离的水平投影长度；λ_i为波长；t为时间；τ_i为波周期；Ψ_i为波峰相位角；流体质点速度与加速度计算公式：${\{F/L\}}_d=C_D{\mathrm{\ρ}}_w\frac{D_e}{2}\left|\right\{{\stackrel{\·}{u}}_n\left\}\right|\left\{{\stackrel{\·}{u}}_n\right\}+C_M{\mathrm{\ρ}}_w\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_e^2\left\{{\stackrel{\·}{v}}_n\right\}+C_T{\mathrm{\ρ}}_w\frac{D_e}{2}\left|\right\{{\stackrel{\·}{u}}_t\left\}\right|\left\{{\stackrel{\·}{u}}_t\right\}---\left(9\right)$其中：{F/L}_d为离散单元单位长度的动力载荷；C_D为法向曳力系数；C_M为法向惯性力系数；C_T为切向曳力系数；为法向流体质点相对速度矢量；为法向流体质点加速度矢量；为切向流体质点相对速度矢量；D_e为考虑附着层厚度的外径值；求解网箱结构结点的位移向量和锚绳结点的位移向量的公式：${\stackrel{\·}{a}}_{t+\mathrm{\Δt}}={\stackrel{\·}{a}}_t+[(1-\mathrm{\δ}){\stackrel{\·\·}{a}}_t+\mathrm{\δ}{\stackrel{\·\·}{a}}_{t+\mathrm{\Δt}}]\mathrm{\Δt}---\left(10\right)$$a_{t+\mathrm{\Δt}}=a_t+{\stackrel{\·}{a}}_t\mathrm{\Δt}+[(\frac{1}{2}-\mathrm{\α}){\stackrel{\·\·}{a}}_t+\mathrm{\α}{\stackrel{\·\·}{a}}_{t+\mathrm{\Δt}}]\mathrm{\Δ}{t}^2---\left(11\right)$将式(10)和(11)代入(1)，可得，$\stackrel{\‾}{K}{a}_{t+\mathrm{\Δt}}=\stackrel{\‾}{F}---\left(12\right)$式中，$\stackrel{\‾}{K}=K+\frac{1}{\mathrm{\α\Δ}{t}^2}M+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\α\Δt}}C---\left(13\right)$$\stackrel{\‾}{F}=F_{t+\mathrm{\Δt}}+M[\frac{1}{\mathrm{\α\Δt}}{\stackrel{\·}{a}}_t+(\frac{1}{2\mathrm{\α}}-1){\stackrel{\·\·}{a}}_t]+C[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\α\Δt}}{a}_t+(\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\α}}-1){\stackrel{\·}{a}}_t+(\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\α}}-1)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·\·}{a}}_t]---\left(14\right)$求解方程(14)即可得到网箱结点和锚绳结点t+Δt时刻的位移，代入式(10)和(11)即可求得t+Δt时刻的速度和加速度，在每一个时间步内的求解通过牛顿迭代法；3)由上述得到的网箱结构每一个结点的位移向量，计算得到网箱底框架结构的倾角；同理，由上述得到的网箱锚绳每个结点的位移量，即得到锚绳的伸长量，根据弹性力学，即计算得到锚绳所受的张力；4)步骤1)～步骤3)计算得到的网箱底框架结构的倾角若小于在波流循环水槽进行模型实验中得到的网箱底框架结构的最大倾角时，则该网箱结构属于能使用的许可范围；步骤1)～步骤3)计算得到的锚绳所受的张力小于在波流循环水槽进行模型实验中得到的锚绳所受的最大张力时，则该锚绳属于能使用的许可范围。