CN116628868A - 大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法及装置 - Google Patents

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CN116628868A CN202211517536.1A CN202211517536A CN116628868A CN 116628868 A CN116628868 A CN 116628868A CN 202211517536 A CN202211517536 A CN 202211517536A CN 116628868 A CN116628868 A CN 116628868A
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倪歆韵
张弛
陈颖
苏菁
刘小龙
叶永林
路振
张凯
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Abstract

本发明涉及一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法及装置。其包括：对大型框架式网箱，构建网箱整体水动力模型以及网箱动力响应方程；对大型框架式网箱进行动力响应模拟分析时，配置所需的波浪环境参数，以基于所配置的波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，且根据所确定的动力载荷利用四阶龙格库塔法在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，本发明可有效实现对大型框架式网箱动力响应模拟分析，提高模拟分析的便捷性、准确性及可靠性。

Description

大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法及装置
技术领域
本发明涉及一种分析方法及装置，尤其是一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法及装置。
背景技术
海洋渔业正逐渐由沿海向深远海发展，然而广阔丰富的深远海也意味着渔场将处于恶劣的海洋环境中。越来越多的国家用新型框架式网箱结构取代传统的柔性网箱，大型框架式网箱具有优良的抗风浪能力，并且稳定性好、变形小、适应性强、技术水平高、自动化程度高。
大型框架式网箱结构的特点是利用立柱及横斜撑将网衣支成固定的形状，同时网衣具有预张力，保证有效养殖容积基本保持不变，即使在强风浪流情况下也不会造成过多损失，与传统柔性网箱存在较大差别。
由于网衣是细长体，波浪绕射理论不再适用于其水动力载荷的计算，同时，一个大型平台具有上百万个网目，计算流体力学的方法难以开展直接计算。网衣与主体框架连接在一起，其在波浪和海流作用下受到载荷发生运动，需要提出适用于上述网衣特点的计算方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法及装置，其可有效实现对大型框架式网箱动力响应模拟分析，提高模拟分析的便捷性、准确性及可靠性。
按照本发明提供的技术方案，一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，所述动力响应模拟分析方法包括：
对待模拟分析的大型框架式网箱，构建用于表征大型框架式网箱受到水动力状态的网箱整体水动力模型以及用于表征大型框架式网箱运动状态的网箱动力响应方程，其中，
构建的网箱整体水动力模型包括与主体框架适配的主体框架水动力载荷模型以及与网衣适配的网衣水动力载荷模型；
对大型框架式网箱进行动力响应模拟分析时，配置所需的波浪环境参数，以基于所配置的波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，且根据所确定的动力载荷在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，其中，
对基于波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，包括大型框架式网箱在波浪载荷环境参数下的水动力载荷、大型框架式网箱受到的浮力以及大型框架式网箱的重力；
大型框架式网箱受到的水动力载荷，包括利用主体框架水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的主体框架水动力载荷以及利用网衣水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的网衣水动力载荷。
大型框架式网箱的主体框架基于Morison单元模拟，所述Morison单元的体积、水动力与主体框架相应的杆件相同；
对主体框架水动力载荷模型，则有：
其中，dF为主体框架水动力载荷，D为主体框架杆件的特征直径，uf为垂直主体框架杆件方向的流体质点速度，us为在垂直主体框架杆件方向上大型框架式网箱的运动速度，A为主体框架杆件截面面积，ρ为流体的密度，Cm为惯性力系数，Cd为阻力系数。
采用Morison单元模拟主体框架时，
对主体框架内的圆形截面杆件，所述圆形截面杆件的截面直径配置为特征直径；
对主体框架内非圆形截面的杆件，采用截面等价后的等体积圆形截面Morison单元替代，其中，采用圆形截面Morison单元替代非圆形截面的杆件时，圆形截面Morison单元的直径为：
其中，Dr为圆形截面Morison单元的直径，S0为非圆形截面杆件的直径，π是圆周率；
对主体框架内非圆形截面的杆件，将圆形截面Morison单元的直径Dr配置为特征直径。
构建与网衣适配的网衣水动力载荷模型时，包括：
对网衣基于Morison单元模拟，
确定网衣的水动力载荷参数，以基于所确定的水动力载荷参数构建网衣水动力载荷模型，其中，所确定网衣的水动力载荷参数包括网衣几何模型参数、网衣粘性阻力系数等效参数以及网衣惯性力系数等效参数。
对网衣几何模型参数，包括等效网衣模型直径、等效网衣平行杆件模型间隔以及等效网衣模型垂杆长度；
在确定网衣几何模型参数时，遵循等效网衣水动力载荷模型和网衣的实际单位面积上网线体积相等以及网线密度相等的原则；
等效时，采用正方形等效网衣平行杆件模型进行等效，在顶点处布置垂直于网面的垂杆。
在确定网衣粘性阻力系数等效参数时，其中，
配置单位面积上Morison单元模型受到的阻力相等；
对于实际网衣平行于网面方向的水动力系数，根据在水池模型试验中获得的认识进行系数折减，以获取模型平行于网面的阻力系数。
在确定网衣惯性力系数等效参数时，配置网衣Morison单元模型在单位面积上受到的惯性力相等。
构建的网箱动力响应方程包括网箱的三自由度平动以及网箱的三自由度转动；
对配置波浪环境参数，包括波高、波浪周期、浪向、流速以及流向。
对利用四阶龙格库塔法在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，包括大型框架式网箱的六自由度状态，以及所述大型框架式网箱受到的浮力、阻力与惯性力。
一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析装置，包括动力响应模拟分析器，其中，
对大型框架式网箱进行波浪上的动力响应模拟分析时，动力响应模拟分析器采用上述的模拟分析方法进行分析。
本发明的优点：可以快速评估大型框架式网箱的网衣对整体运动响应的影响；模拟分析时，考虑了网衣的遮蔽效应，使得大型框架式网箱的动力特性更加精确。在大型框架式网箱的动力特性分析过程中，设置平行于网面的单元杆件以及创造性地引入了垂直于网面的单元杆件，准确模拟了平行于网面的的遮蔽效应以及多层网衣间的遮蔽效应。垂直于网面的单元杆件可以模拟各个方向不同的遮蔽效应，更加真实的模拟了网箱的受力情况，有利于大型框架式网箱特性的精确模拟。
结合刚性浮体六自由度运动，在动力学分析过程中加入网衣水动力载荷的影响，通过在每一时间步求解动力学方程，可实现大型框架式网箱动力特性的直接时域分析，实时监测网箱的整体受力情况以及局部网衣的载荷情况，并进一步基于水动力评估结果开展系泊系统设计优化，从而实现波浪上动力响应的快速模拟分析，即适用于大型框架式网箱的水动力响应快速评估。
附图说明
图1为本发明动力响应模拟分析的一种实施例流程图。
图2为本发明大型框架式网箱主体框架的一种实施例示意图。
图3为本发明模拟网面的三维立体杆单元的一种实施例示意图。
图4为本发明网面水动力模型的一种实施例示意图。
图5为本发明大型框架式网箱整体水动力模型三维图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
为了可有效实现对大型框架式网箱动力响应模拟分析，提高模拟分析的便捷性、准确性及可靠性，对大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，本发明的一种实施例中，所述动力响应模拟分析方法包括：
对待模拟分析的大型框架式网箱，构建用于表征大型框架式网箱受到水动力状态的网箱整体水动力模型以及用于表征大型框架式网箱运动状态的网箱动力响应方程，其中，
构建的网箱整体水动力模型包括与主体框架适配的主体框架水动力载荷模型以及与网衣适配的网衣水动力载荷模型；
对大型框架式网箱进行动力响应模拟分析时，配置所需的波浪环境参数，以基于所配置的波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，且根据所确定的动力载荷利用四阶龙格库塔法在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，其中，
对基于波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，包括大型框架式网箱在波浪载荷环境参数下的水动力载荷、大型框架式网箱受到的浮力以及大型框架式网箱的重力；
大型框架式网箱受到的水动力载荷，包括利用主体框架水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的主体框架水动力载荷以及利用网衣水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的网衣水动力载荷。
对大型框架式网箱，本技术领域人员周知，大型框架式网箱的结构特点是利用立柱及横斜撑将网衣支成固定的形状，同时，网衣具有预张力，保证有效养殖容积基本保持不变，即使在强风浪流情况下也不会造成过多损失。
图1中示出了对大型框架式网箱进行波浪上的动力响应分析的一种实施例流程图，其中，对大型框架式网箱进行波浪上的动力响应分析时，需要确定大型框架式网箱的受力状态，从而根据牛顿第二运动定律，可构建并确定网箱的动力响应方程。
大型框架式网箱在海洋环境中，所受到的动力载荷包括水动力、浮力以及重力，其中，由于大型框架式网箱的质量恒定时，即所述大型框架式网箱的重力恒定；大型框架式网箱受到的浮力随海面的变化而变化，大型框架式网箱受到的水动力随着流体质点和杆单元相对速度、相对加速而变化；因此，为了提高动力响应模拟分析的准确性与可靠性，需构建用于表征大型框架式网箱受到水动力状态的网箱整体水动力模型。
具体实施时，构建的网箱动力响应方程包括网箱的三自由度平动以及网箱的三自由度转动，因此，根据网箱的三自由度平动以及三自由度转动，可构建大型框架式网箱相应的网箱动力响应方程，网箱动力响应方程的具体形式可根据需要选择。下面给出所构建网箱动力响应方程的一种实施例，具体为：
其中，m为大型框架式网箱的质量，xp为网箱纵荡，为网箱纵荡xp的二阶导数，yp是网箱横荡，/>为网箱横荡yp的二阶导数，zp是网箱垂荡，/>为网箱垂荡zp的二阶导数，φ是网箱横摇，θ是网箱纵摇，ψ是网箱艏摇；(p，q，r)是总角速度向量，Fx、Fy、Fz分别是网箱三个方向受到的外力，Ix、Iy、Iz分别是网箱三个主轴的转动惯量，L、M、N分别为网箱三个主轴受到的弯矩。
具体实施时，网箱的三个方向具体是指沿着纵荡方向，横荡方向和垂荡方向。网箱三个主轴受到的弯矩，具体是指以网箱的重心位置为原点局部坐标系下，分别绕x轴、y轴以及z轴方向的弯矩。
由上述说明可知，大型框架式网箱受到的水动力以及浮力与海洋环境相关，因此，需配置波浪环境参数，一般地，对所配置波浪环境参数，包括波高、波浪周期、浪向、流速以及流向。在配置波浪环境参数后，利用网箱整体水动力模型得到在所配置波浪环境参数下的水动力载荷。
为了准确确定波浪环境参数下的水动力载荷，构建的网箱整体水动力模型包括与主体框架适配的主体框架水动力载荷模型以及与网衣适配的网衣水动力载荷模型；此时，大型框架式网箱受到的水动力载荷，包括利用主体框架水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的主体框架水动力载荷以及利用网衣水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的网衣水动力载荷。
在得到大型框架式网箱的动力载荷后，对构建的网箱动力响应方程可采用四阶龙格库塔法时域直接求解大型框架式网箱的网箱动力响应方程，采用四阶龙格库塔法求解网箱动力响应方程的条件以及过程可与现有相一致，一般地，需给定六自由度运动初值，实时求解出每一个时间内步大型框架式网箱的六自由度运动，并作为下一个时间步的输入。
本发明的一种实施例中，对利用四阶龙格库塔法在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，包括大型框架式网箱的六自由度状态，以及所述大型框架式网箱受到的浮力、阻力与惯性力。大型框架式网箱的六自由度初值，一般可根据实际情况给定，具体可以根据需要选择。对网箱动力响应方程的求解，除采用四阶龙格库塔法外，还可以采用相应计算精度的欧拉法或纽马克-β法，具体求解网箱动力方程的方法可根据实际需要选择，以能满足对网箱动力响应方程的求解为准。
本发明的一种实施例中，大型框架式网箱的主体框架基于Morison单元模拟，所述Morison单元的体积、水动力与主体框架相应的杆件相同；
对主体框架水动力载荷模型，则有：
其中，dF为主体框架水动力载荷，D为主体框架杆件的特征直径，uf为垂直主体框架杆件方向的流体质点速度，us为在垂直主体框架杆件方向上大型框架式网箱的运动速度，A为主体框架杆件截面面积，ρ为流体的密度，Cm为惯性力系数，Cd为阻力系数。
对惯性力系数Cm，阻力系数Cd，对圆形截面杆件，相应的取值为1；对于非圆截面杆件，视其形状系数(长宽比)，取值在1-3之间。
配置波浪环境参数后，即可确定整个波浪环境中的流体质点速度。在垂直主体框架杆件方向上，大型框架式网箱的运动速度根据龙格库塔法求解六自由度运动参数的过程量、结合每个杆件相对于重心的几何位置可以得到。主体框架杆件截面面积A就是三维空间下的杆件和垂直于杆件的平面相交所产生交集的面积。
垂直主体框架杆件方向的流体质点速度uf、垂直主体框架杆件方向上大型框架式网箱的运动速度us与所配置波浪环境参数相关，即可根据所配置的波浪环境参数确定，具体与现有相一致。
图2中示出了大型框架式网箱主体架构的一种实施例，大型框架式网箱的主体框架由与波长相比尺度较小的细长柱体构成，本发明的一种实施例中，主体框架的主体框架水动力载荷采用Morison方程进行计算，具体地，Morison方程是以绕流理论为基础的半经验公式。该理论假定柱体的存在对波浪运动无显著影响，认为波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附加质量效应。
为满足采用Morison方程计算，具体实施时，针对大型框架式网箱的主体框架采用Morison单元模拟，其中，采用Morison单元模拟主体框架的具体方式如下：
采用Morison方程确定主体框架水动力载荷，首先要确定主体框架杆件的几何参数，对于圆形截面杆件，所述圆形截面杆件的截面直径配置为特征直径。对非圆形截面的杆件，对主体框架内非圆形截面的杆件，采用截面等价后的等体积圆形截面Morison单元替代，其中，采用圆形截面Morison单元替代非圆形截面的杆件时，圆形截面Morison单元的直径为：
其中，Dr为圆形截面Morison单元的直径，S0为非圆形截面杆件的直径，π是圆周率；
对主体框架内非圆形截面的杆件，将圆形截面Morison单元的直径Dr配置为特征直径。
一般而言，大型框架式网箱内的主体立柱与横斜撑均是圆形结构的杆件，非圆形结构的杆件出现在下浮筒的位置，截面多为矩形。对一大型框架式网箱的主体框架，确定圆形截面杆件、非圆形截面杆件相对应的特征直径后，可对主体框架进行建模。
主体框架的模型中，对Morison单元的体积、水动力通过杆件尺寸和水动力系数(阻力系数和惯性力系数)的选取，以保证与原型主体框架的相同，原型主体框架即为实际大型框架式网箱的主体框架。采用圆形截面等效时，一方面保证浮力的相等，另一方面针对原型主体框架中方形等不同矩形截面的构件使用对应的Morison单元水动力系数，保证了水动力的相等。
具体实施时，对于主体框架的建模(即利用所有Morison单元构成的主体框架)，采用离散方法，主体框架的杆件每隔1米划分一个Morison单元，求得所有离散单元的水动力载荷后，通过矢量相加得到主体框架整体的受力。这些模拟主体框架的杆件是一个有机的整体，所有杆件构成一个刚体。在每隔1米划分一个Morison单元时，以主体框架上两个面相交的位置作为起点，每间隔1米划分为一个Morison单元。
针对任一Morison单元，由于特征杆单元会因水流和波浪的存在而移动，因此，分别利用杆单元和流体速度之间的相对加速度和速度来计算惯性载荷和阻力载荷，从而可构建得到主体框架水动力载荷模型，具体为：
需要注意的是，求解主体框架水动力载荷dF时，首先求出主体框架杆件上流体质点速度矢量投影到垂直杆件方向的分量uf，再代入主体框架水动力载荷模型计算。
本发明的一种实施例中，构建与网衣适配的网衣水动力载荷模型时，包括：
对网衣基于Morison单元模拟，
确定网衣的水动力载荷参数，以基于所确定的水动力载荷参数构建网衣水动力载荷模型，其中，所确定网衣的水动力载荷参数包括网衣几何模型参数、网衣粘性阻力系数等效参数以及网衣惯性力系数等效参数。
由上述说明可知，根据网衣的特性，采用Morison单元的方式模拟网衣。网衣采用Morison单元模拟时，对网衣所构建的网衣水动力载荷模型可参考上述主体框架的主体框架水动力载荷模型相应的表达式。由上述说明可知，在构建网衣的网衣水动力载荷模型时，需要确定网衣相应的惯性力系数Cm以及阻力系数Cd。
具体实施时，为确定网衣相应的惯性力系数Cm以及阻力系数Cd，一般需要先确定网衣几何模型参数，根据网衣几何模型参数确定网衣粘性阻力系数等效参数以及网衣惯性力系数等效参数，此时，所确定的网衣粘性阻力系数等效参数即可配置为惯性力系数Cm，网衣惯性力系数等效参数配置为阻力系数Cd。
确定网衣的水动力载荷参数，以基于所确定的水动力载荷参数构建网衣水动力载荷模型，下面对网衣的水动力载荷参数的具体确定进行详细说明。
本发明的一种实施例中，对网衣几何模型参数，包括等效网衣模型直径、等效网衣平行杆件模型间隔以及等效网衣模型垂杆长度；
在确定网衣几何模型参数时，遵循等效网衣水动力载荷模型和网衣的实际单位面积上网线体积相等以及网线密度相等的原则；
等效时，采用正方形等效网衣平行杆件模型进行等效，在顶点处布置垂直于网面的垂杆。
对网衣建模(即为基于Morison单元的网衣水动力载荷模型)，并确定网衣的网衣几何模型参数时，等效方法遵循网衣水动力载荷模型和实际网衣单位面积上网线体积相等和网线密度相等的原则，依据网线直径、网孔尺寸参数，采用正方形等效网衣平行杆件模型进行等效，如图4所示，在顶点处布置垂直于网面的垂杆。网面为网构成的平面。
选定等效网衣平行杆件模型间隔时，选取的原则是在不影响网衣浮力和水动力性能的前提下，对大型框架式网箱形式进行简化，以减少建模时Morison单元的数量，使得计算评估的速度在实际工程上可行，一般而言，对于尺度100m以上的大型网箱，等效Morison单元的间隔在3-6m之间。
网线直径具体是指构成网衣的网线的直径，网线截面是圆形。网孔尺寸指的是构成网衣的最小网格单元的两条网线之间的距离。
选取模型杆件正方形模型间隔尺寸的方法是：在不影响网衣浮力和水动力性能的前提下，对网衣形式进行简化，以减少模型单元数量。同时，设置平行于网面的等效模型杆件以及垂直于网面的等效垂直杆件，如图3所示，对于尺度100m以上的大型网箱，垂直于网面的等效杆件长度一般取1-2m，依据网衣水动力载荷模型与实际网衣的浮力相等，可计算出Morison单元杆件的直径。网衣水动力载荷模型中包括等效网衣平行杆件模型(包括xy方向)、等效网衣垂直杆件模型(z方向)，具体实施时，xy方向为与网面平行的方向，z方向为垂直于网面的方向。
对于网衣的建模，采用的是离散的方法，等效网衣平行杆件模型和等效网衣垂直杆件模型每隔1米划分一个Morison单元，求得所有离散单元的水动力载荷后矢量相加得到网衣整体的受力。水动力载荷在直角坐标系下有三个方向的分量，本质上是矢量，所有载荷相加时遵循矢量运算规则。网衣的Morison单元划分，具体可以参考上述主体框架的划分说明。
在网衣的网衣水动力载荷模型中，采用了由三根相互垂直的三方向Morison杆件的方式构建网衣水动力载荷模型。网衣水动力载荷模型中，杆单元的体积的选取保证与原型网衣相同，原型网衣即大型框架式网箱的实际网衣。考虑到大型框架式网箱结构的特点，即为：利用立柱及横斜撑将网衣支成固定的形状，同时网衣具有预张力，即使在强风浪流情况下也不会有较大变形，因此，本发明在构建网衣水动力载荷模型时，作了以下两点假设：1)、网衣完全刚性，2、网衣对波浪无耗散作用。假设1)体现的是大型框架式网箱利用立柱及横斜撑将网衣支成固定的形状，假设2)是认为网衣对流场无耗散，即网衣不造成流场的变化，因此，可以采用Morison公式计算流体载荷。
本发明的一种实施例中，在确定网衣粘性阻力系数等效参数时，其中，
配置单位面积上Morison单元模型受到的阻力相等；
对于实际网衣平行于网面方向的水动力系数，根据在水池模型试验中获得的认识进行系数折减，以获取模型平行于网面的阻力系数。
具体地，确保单位面积上网衣水动力载荷模型受到的阻力相等。网衣的遮蔽效应在确定网衣粘性阻力系数等效参数时中体现，计算等效阻力系数时，对于实际网衣平行于网面方向的水动力系数，基于在水池模型试验中获得的认识进行系数折减，在本发明的一种实施例中，原型网衣中的阻力系数折减一半，获取模型平行于网面的阻力系数。
如此，可获取网衣水动力载荷模型有遮蔽网衣的阻力系数。即考虑了平行于网面的的遮蔽效应。简化网衣水动力载荷模型中各方向的水动力基于上述中Morison杆件尺寸(单元间隔，杆件直径)，进一步通过粘性阻力系数的计算保证与原型网衣相同。
网衣阻力水动力系数，对于特定的网衣有三个方向的粘性阻力系数，分别是平行于网面的两个方向和垂直于网面的一个方向，在求解网衣水动力载荷模型中水动力系数的过程中，本着原型网衣和网衣水动力载荷模型在三个方向受到的阻力相等的原则，列出三个方向的方程组，联立分别求解出三个方向的阻力系数。简化网衣水动力载荷模型中杆单元各方向的水动力基于上述得到的杆件尺寸，通过粘性阻力系数的计算保证与原型网衣相同。即对网衣而言，三个方向为平行于网面的两个方向和垂直于网面的一个方向，下述相同。
具体来讲，对于原型网衣，各方向单位面积单位流速受到的粘性阻力为：
对于网衣的莫里森模型(即为网衣水动力载荷模型)，各方向单位面积单位流速受到的粘性阻力为：
其中，Fdx，Fdy，Fdz分别是单位面积原型网衣在三个方向受到的粘性阻力，Fd′x，Fd′y，Fd′z分别是网衣水动力载荷模型中单位面积网衣在三个方向受到的粘性阻力，其数值由上面的公式确定。dw是实际网衣的直径，ρ是海水的密度，lx，ly，lz是单位面积原型网衣在三个方向的长度投影，为已知量。lxm，lym，lzm是网衣水动力载荷模型中三个方向网线的长度，在上述说明中已经确定。Cdxw、Cdyw和Cdzw是原型大型框架式网箱的实际阻力系数，均取1为已知量，Cdxm、Cdym、Cdzm是莫里森单元中的等效阻力系数，可通过方程组求解出。考虑到遮蔽效应，Cdxw和Cdyw取值要根据实际情况进行相应折减。
根据原型网衣与网衣水动力载荷模型受到的力相等的原则，求解三元一次方程组，可以得到网衣水动力载荷模型所需要的阻力系数。
本发明的一种实施例中，在确定网衣惯性力系数等效参数时，配置网衣Morison单元模型在单位面积上受到的惯性力相等。
确保单位面积上网衣水动力载荷模型受到的惯性力相等。简化网衣水动力载荷模型中各方向的水动力基于上述中Morison杆件尺寸，进一步通过惯性力水动力系数的计算保证与原型网衣相同。
其中，网衣惯性力水动力系数对于特定的网衣有三个方向的水动力系数，分别是平行于网面的两个方向和垂直于网面的方向的一个，在求解模型中水动力系数的过程中，本着原型网衣和模型在三个方向受到的惯性力相等的原则，列出三个方向的方程组，联立分别求解出三方向的惯性力系数。简化模型中杆单元各方向的水动力基于上述得到的杆件尺寸，通过惯性力水动力系数的计算保证与原型网衣相同。
具体来讲，对于原型网衣，各方向单位面积单位流速受到的惯性力为：
对于网衣的网衣水动力载荷模型，各方向单位面积单位流速受到的惯性力阻力为：
其中，Fax，Fay，Faz分别是单位面积网衣在三个方向受到的惯性力阻力，Fa′x，Fa′y，Fa′z分别是网衣水动力载荷模型中单位面积网衣在三个方向受到的惯性力阻力ρ是海水的密度，Caxw、Cayw、Caxw是网箱的实际惯性力系数，均取1为已知量，Caxm、Caym、Cazm是莫里森单元中的等效惯性力系数，可通过方程组求解出。Vdxw，Vdyw，Vdzw是单位面积实际网衣在三个方向投影体积，为已知量。Vdxm，Vdym，Vdzm是单位面积网衣模型在三个方向投影体积，在步骤二中求出了，为已知量。根据实际网衣与模型受到的力相等的原则，求解三元一次方程组，可以得到莫里森单元建模所需要的惯性力系数。
确定网衣水动力载荷。根据上述得到的网衣模型几何参数，以及网衣模型水动力系数参数，可以确定网衣模型的水动力载荷，据此建立网衣的水动力模型，如图4所示。即Morison公式中涉及的两项：阻力、惯性力都确定了，网衣的水动力载荷也就确定了。根据采用Morison公式建模时采用的离散方法，可以求得每个离散的Morison单元上的水动力载荷矢量。进一步根据矢量相加的原则，可以完全确定网衣的水动力载荷，即可构建得到网衣水动力载荷模型。
具体实施时，Morison公式中涉及的流体质点速度和加速度参数，具体由所配置的波浪环境参数决定。对大型框架式网箱受到的浮力，会随着大型框架式网箱六自由度运动状态的变化而改变，浮力的计算需要在每一个时间步判断Morison单元与波面的相对位置，在波面以下的Morison单元受到浮力。大型框架式网箱受到浮力的确定，可采用现有常用的技术手段得到。
综上，可得到大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析装置，本发明的一种实施例中，包括动力响应模拟分析器，其中，
对大型框架式网箱进行波浪上的动力响应模拟分析时，动力响应模拟分析器采用上述的模拟分析方法进行分析。
具体地，动力响应模拟分析器可采用现有常用的计算机设备，动力响应模拟分析器采用上述的模拟分析方法，具体是指在动力响应模拟分析器内构建网箱整体水动力模型与网箱动力响应方程；当在动力响应模拟分析器内配置波浪环境参数后，动力响应模拟分析器利用四阶龙格库塔法进行在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，具体详细的过程，可参考上述说明，此处不再赘述。
综上，本发明可以快速评估大型框架式网箱的网衣对整体运动响应的影响；模拟分析时，考虑了网衣的遮蔽效应，使得大型框架式网箱的动力特性更加精确。在大型框架式网箱的动力特性分析过程中，设置平行于网面的单元杆件以及创造性地引入了垂直于网面的单元杆件，准确模拟了平行于网面的的遮蔽效应以及多层网衣间的遮蔽效应。垂直于网面的单元杆件可以模拟各个方向不同的遮蔽效应，更加真实的模拟了网箱的受力情况，有利于大型框架式网箱特性的精确模拟。
结合刚性浮体六自由度运动，在动力学分析过程中加入网衣水动力载荷的影响，通过在每一时间步求解动力学方程，可实现大型框架式网箱动力特性的直接时域分析，实时监测网箱的整体受力情况以及局部网衣的载荷情况，并进一步基于水动力评估结果开展系泊系统设计优化，从而实现波浪上动力响应的快速模拟分析，即适用于大型框架式网箱的水动力响应快速评估。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，所述动力响应模拟分析方法包括：
对待模拟分析的大型框架式网箱，构建用于表征大型框架式网箱受到水动力状态的网箱整体水动力模型以及用于表征大型框架式网箱运动状态的网箱动力响应方程，其中，
构建的网箱整体水动力模型包括与主体框架适配的主体框架水动力载荷模型以及与网衣适配的网衣水动力载荷模型；
对大型框架式网箱进行动力响应模拟分析时，配置所需的波浪环境参数，以基于所配置的波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，且根据所确定的动力载荷在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，其中，
对基于波浪环境参数确定所述大型框架式网箱所受到的动力载荷，包括大型框架式网箱在波浪载荷环境参数下的水动力载荷、大型框架式网箱受到的浮力以及大型框架式网箱的重力；
大型框架式网箱受到的水动力载荷，包括利用主体框架水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的主体框架水动力载荷以及利用网衣水动力载荷模型基于波浪环境参数确定的网衣水动力载荷。
2.根据权利要求1所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，大型框架式网箱的主体框架基于Morison单元模拟，所述Morison单元的体积、水动力与主体框架相应的杆件相同；
对主体框架水动力载荷模型，则有：
其中，dF为主体框架水动力载荷，D为主体框架杆件的特征直径，uf为垂直主体框架杆件方向的流体质点速度，us为在垂直主体框架杆件方向上大型框架式网箱的运动速度，A为主体框架杆件截面面积，ρ为流体的密度，Cm为惯性力系数，Cd为阻力系数。
3.根据权利要求2所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，采用Morison单元模拟主体框架时，
对主体框架内的圆形截面杆件，所述圆形截面杆件的截面直径配置为特征直径；
对主体框架内非圆形截面的杆件，采用截面等价后的等体积圆形截面Morison单元替代，其中，采用圆形截面Morison单元替代非圆形截面的杆件时，圆形截面Morison单元的直径为：
其中，Dr为圆形截面Morison单元的直径，S0为非圆形截面杆件的直径，π是圆周率；
对主体框架内非圆形截面的杆件，将圆形截面Morison单元的直径Dr配置为特征直径。
4.根据权利要求1至3任一项所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，构建与网衣适配的网衣水动力载荷模型时，包括：
对网衣基于Morison单元模拟，
确定网衣的水动力载荷参数，以基于所确定的水动力载荷参数构建网衣水动力载荷模型，其中，所确定网衣的水动力载荷参数包括网衣几何模型参数、网衣粘性阻力系数等效参数以及网衣惯性力系数等效参数。
5.根据权利要求4所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，对网衣几何模型参数，包括等效网衣模型直径、等效网衣平行杆件模型间隔以及等效网衣模型垂杆长度；
在确定网衣几何模型参数时，遵循等效网衣水动力载荷模型和网衣的实际单位面积上网线体积相等以及网线密度相等的原则；
等效时，采用正方形等效网衣平行杆件模型进行等效，在顶点处布置垂直于网面的垂杆。
6.根据权利要求4所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，在确定网衣粘性阻力系数等效参数时，其中，
配置单位面积上Morison单元模型受到的阻力相等；
对于实际网衣平行于网面方向的水动力系数，根据在水池模型试验中获得的认识进行系数折减，以获取模型平行于网面的阻力系数。
7.根据权利要求4所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，在确定网衣惯性力系数等效参数时，配置网衣Morison单元模型在单位面积上受到的惯性力相等。
8.根据权利要求1至3任一项所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，构建的网箱动力响应方程包括网箱的三自由度平动以及网箱的三自由度转动；
对配置波浪环境参数，包括波高、波浪周期、浪向、流速以及流向。
9.根据权利要求8所述大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析方法，其特征是，对利用四阶龙格库塔法在时域求解所述大型框架式网箱的动力响应，包括大型框架式网箱的六自由度状态，以及所述大型框架式网箱受到的浮力、阻力与惯性力。
10.一种大型框架式网箱在波浪上的动力响应模拟分析装置，其特征是：包括动力响应模拟分析器，其中，
对大型框架式网箱进行波浪上的动力响应模拟分析时，动力响应模拟分析器采用上述权利要求1～权利要求9任一项的模拟分析方法进行分析。
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