一种深水网箱的海洋工况现场受力测试方法与流程

本发明涉及一种深水网箱的海洋工况现场受力测试方法。

背景技术：

深水网箱系统主要由浮架、网衣及锚泊系统三大部分组成，其中锚泊系统是网箱在水中的根基，并与浮架相连将网箱系统控制在一定范围内运动，在海洋风浪流冲击下为保障网箱系统的安全性发挥着重要作用。随着深水网箱未来将进一步朝着大型深水化发展，大型深水网箱在获得高养殖效益的同时也面临更高风险，大型深水网箱在恶劣海况条件下受到的风浪流冲击更大，有可能造成网箱锚泊系统无法承受过大载荷而发生网箱走锚、锚绳断裂或框架塑性破坏的发生，给养殖企业或养殖户造成重大经济损失。

获取风浪流作用下网箱锚泊力学数据是开展大型深水网箱科学设计和制作安装的关键，水动力模型试验、计算机数值模拟和海洋工况现场测试是当前开展网箱力学研究的主要手段。一方面，水动力模型试验因制作小比例尺的网箱模型很难满足刚度相似条件，在实验室波浪流条件下浮架基本是未发生变形的，这与实际中浮架是柔性弹性体的情况不符，造成获取的整体网箱锚泊受力换算到实际情况时具有较大偏差；另一方面，计算机数值模拟因计算理论的缺失和计算条件的限制，为方便模拟计算，往往需要将复杂的网箱系统进行简化，且设定的风浪流环境参数均为理想情况，通过模拟获取的网箱锚泊力学数据其准确性还需要进一步验证。相比水动力模型试验和计算机数值模拟，海洋工况现场测试能够获取网箱锚泊受力的最原始真实数据，数据的准确性和可靠性是其它研究手段所不能比拟的。但为了考虑仪器设备的安全性，现阶段一般仅是测试实际海流作用下的网箱锚泊受力，没有获得海洋风浪流综合环境下的网箱力学数据。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种深水网箱的海洋工况现场受力测试方法。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种深水网箱的海洋工况现场受力测试方法，其特征在于：所述的受力测试方法设有波浪流测试；

所述的波浪流测试包括：

步骤s1.1、制备固定架，该固定架设有万向环、支撑架和多个配重块，所述万向环由内环、外环、内环转轴和外环转轴组成，所述支撑架设有固定圈，该固定圈位于所述支撑架的顶部，所述外环通过所述外环转轴连接在所述固定圈上，所述内环通过所述内环转轴连接在所述外环上，且所述内环转轴与外环转轴位于同一平面上并相互垂直；每一个所述配重块均通过螺杆连接悬挂在所述内环上，各个所述配重块环绕所述内环的中轴线均匀间隔布置；

步骤s1.2、在所述内环上安装多普勒波浪剖面流速仪，所述内环在各个所述配重块的重力作用下能够自动调整并保持在一个静止姿态上，以确保安装在所述内环上的多普勒波浪剖面流速仪的测量方向在海底环境下能够自动调整并保持为竖直向上；

步骤s1.3、在浮于海面的工作平台上用线缆将所述多普勒波浪剖面流速仪与电脑设备进行通信连接，并在启动所述多普勒波浪剖面流速仪后，用位于所述工作平台上的起吊设备将所述固定架和多普勒波浪剖面流速仪投放至海底，且该投放位置与受测深水网箱之间保持预定的距离；在此之后，通过所述多普勒波浪剖面流速仪测量并自动存储海面波浪数据和剖面流速数据。

作为本发明的优选实施方式：所述配重块的数量为四个，每个所述配重块的重量为5kg。

为了提高支撑架在强台风环境下的防倾倒能力，作为本发明的优选实施方式：所述支撑架为由安装平台和连接在所述安装平台底面上的三根斜向支撑杆组成的三脚架，且相邻两根所述斜向支撑杆之间连接有横向连接杆，所述固定圈固定在所述安装平台的顶面上。

用起吊设备将固定架和多普勒波浪剖面流速仪投放至海底时，为了确保支撑架的底部坐落在海底，作为本发明的优选实施方式：所述的固定架还设有起吊环；所述安装平台的顶面上固定有两个吊耳，所述起吊环的两端分别与所述两个吊耳转动连接；所述起吊设备通过所述起吊环吊起所述固定架。

为了提高紧凑性和结构强度，作为本发明的优选实施方式：所述外环位于所述固定圈的内部，所述内环位于所述外环的内部。

作为本发明的优选实施方式：所述的受力测试方法还设有风速风向测试；

所述的风速风向测试包括：

步骤s2.1、制备风速风向仪，该风速风向仪设有风速传感器、风向传感器、安装支架、防护箱和数据采集仪，所述风速传感器、风向传感器和防护箱均固定在所述安装支架上，所述数据采集仪安装在所述防护箱内部，且所述数据采集仪的输入端分别与所述风速传感器的输出端和风向传感器的输出端电性连接；

步骤s2.2、将所述风速风向仪的安装支架固定在所述受测深水网箱的浮架上；

步骤s2.3、用线缆将所述风速风向仪的数据采集仪与所述电脑设备进行通信连接，并在启动所述风速风向仪的数据采集仪后，通过所述数据采集仪接收并存储所述风速传感器采集到的风速数据和所述风向传感器采集到的风向数据。

作为本发明的优选实施方式：所述的风速风向仪还设有太阳能发电单元；所述太阳能发电单元与所述数据采集仪的供电端电性连接。

为了确保风速风向仪的安装稳固性，作为本发明的优选实施方式：所述受测深水网箱的浮架由主浮管、扶手管、多个数量相等的工字架和三通连接件组成，其中，每一个所述工字架均套装在所述主浮管上，每一个所述三通连接件均套装在所述扶手管上，各个所述工字架和三通连接件一一对应连接；所述的安装支架为由横杆和纵杆连接构成的t型支架，所述风速传感器和风向传感器分别固定在所述横杆的两端顶部，所述纵杆固定在其中一个所述三通连接件上并与所述扶手管和对应的工字架固定连接；所述防护箱坐落在所述扶手管上；所述太阳能发电单元通过绳索绑定在所述主浮管与扶手管之间。

作为本发明的优选实施方式：所述的受力测试方法还设有锚泊受力测试；

所述的锚泊受力测试包括：

步骤s3.1、为所述受测深水网箱的锚绳安装上拉力测量装置，该拉力测量装置设有拉力计、两个卸扣和两个绳扣，所述拉力测量装置的安装方式为：在所述锚绳相对所述受测深水网箱的浮架处于海流流向的下游位置时，此时所述锚绳处于松弛状态下，首先，将处于松弛状态下的所述锚绳的部分绳段分别穿过所述两个绳扣的扣孔，使得穿过所述两个绳扣扣孔的绳段分别形成两个绳套；然后，用所述绳扣锁紧所述绳套穿过其扣孔的部分，使得所述绳套被固定；最后，用其中一个所述卸扣连接其中一个所述绳套和所述拉力计的其中一侧拉环，用另一个所述卸扣连接另一个所述绳套和所述拉力计的另一侧拉环；并且，所述锚绳位于所述两个绳扣之间的松弛绳段的长度大于所述拉力计、两个卸扣和绷直时的两个绳套的长度之和；

步骤s3.2、用线缆将所述拉力计与所述电脑设备进行通信连接，并在启动所述拉力计，使得所述拉力计采集并自动存储拉力数据。

作为本发明的优选实施方式：所述拉力测量装置的安装在浮于海面上的作业船上进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明利用多普勒波浪剖面流速仪测量受测深水网箱在真实的海洋工况现场下其所处海域的海面波浪数据和剖面流速数据，即受测深水网箱受波浪流的海况数据；

由于多普勒波浪剖面流速仪是安装在设有万向环和配重块的固定架上的，使得：在多普勒波浪剖面流速仪被投放到海底后，通过万向环所具有的两个方向相互垂直的转动自由度以及各个配重块对万向环的作用力，多普勒波浪剖面流速仪所在的安装平面即内环能够自动的调整姿态直至保持在一个静止姿态上(对于深水网箱所处的海域深度来说，重量较大的配重块所带来的惯性能够确保内环不会受海底处的洋流作用而发生运动)，而多普勒波浪剖面流速仪在内环上的安装方式，则能够令多普勒波浪剖面流速仪的测量方向在内环处于前述静止姿态时保持为竖直向上，从而，即便固定架因其所在的海底不平整而倾斜，多普勒波浪剖面流速仪仍能工作在稳定的安装平面(即保持静止姿态的内环)上，因而多普勒波浪剖面流速仪在海底下能够始终测量到海面波浪数据和剖面流速数据，避免了因海底不平整造成多普勒波浪剖面流速仪的测量方向偏离竖直向上方向而降低了测量的准确性和可靠性的问题；

而且，由于万向环能够自动调整的特性，固定架和多普勒波浪剖面流速仪能够通过位于工作平台上的起吊设备直接投放至海底，而不需潜水员潜入海底对多普勒波浪剖面流速仪的工作姿态进行调整，提高了安装效率；

所以，本发明能够测量受测深水网箱受波浪流的海况数据，具有测量准确性和可靠性高、安装效率高的优点。

第二，本发明通过在锚绳上安装拉力测量装置，使得风浪流作用于整体网箱系统锚绳上的拉力能够经由拉力测量装置的两个绳套、两个卸扣和拉力计进行传递，从而，令拉力计测量到受测深水网箱的锚绳在真实的海洋工况现场下的拉力数据，以获得受测深水网箱的锚泊受力情况；

由于拉力测量装置是在锚绳处于松弛状态时进行安装的，无需解开工作中的受测深水网箱的锚绳来进行安装，因此，本发明能够在已锚泊在海面上的受测深水网箱的锚绳上安装拉力测量装置，实现对已在工作中的受测深水网箱进行锚泊受力测量，并且安装的安全性高；

所以，本发明能够测量受测深水网箱的锚绳的受力数据，具有拉力测量装置安装容易方便、安全性高的优点。

第三，本发明用风速风向仪测量受测深水网箱在真实的海洋工况现场下受到风力作用的风速数据和风向数据，以获得受测深水网箱所在海域的风力情况；

由于风速风向仪固定在受测深水网箱的浮架上而能够与浮架在风力作用下同步运动，因此，受测深水网箱是还采用单点锚泊还是多点固定式锚泊，风速风向仪的风速传感器和风向传感器均能准确的测量出受测深水网箱受到风力作用的风速数据和风向数据；

所以，本发明能够测量受测深水网箱所在海域的风速数据和风向数据，具有测量准确性高的优点。

综上所述，本发明适于长时间、实时对深水网箱在真实的海洋工况现场下进行受力测试。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明中受测深水网箱3所安装的固定架1、多普勒波浪剖面流速仪2、风速风向仪4和拉力测量装置5的示意图；

图2为本发明中固定架1和多普勒波浪剖面流速仪2的主视结构示意图；

图3为本发明中固定架1和多普勒波浪剖面流速仪2的俯视结构示意图；

图4为本发明中风速风向仪4的安装结构示意图；

图5为本发明中拉力测量装置5的安装结构示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明公开的是一种深水网箱的海洋工况现场受力测试方法，其设有波浪流测试、风速风向测试和锚泊受力测试。

参见图2和图3，上述波浪流测试包括：

步骤s1.1、制备固定架1，该固定架1设有万向环11、支撑架12和多个配重块13，万向环11由内环111、外环112、内环转轴113和外环转轴114组成，支撑架12设有固定圈121，该固定圈121位于支撑架12的顶部，外环112通过外环转轴114连接在固定圈121上，内环111通过内环转轴113连接在外环112上，且内环转轴113与外环转轴114位于同一平面上并相互垂直，使得外环112能够绕外环转轴114的轴线相对固定圈121自由转动，内环111能够绕内环转轴113的轴线相对外环112自由转动；每一个配重块13均通过螺杆连接悬挂在内环111上，各个配重块13环绕内环111的中轴线均匀间隔布置；

步骤s1.2、在内环111上安装多普勒波浪剖面流速仪2，内环111在各个配重块13的重力作用下能够自动调整并保持在一个静止姿态上(该静止姿态一般优选为保持水平)，以确保安装在内环111上的多普勒波浪剖面流速仪2的测量方向在海底环境下能够自动调整并保持为竖直向上；

步骤s1.3、在浮于海面的工作平台上用线缆将多普勒波浪剖面流速仪2与电脑设备进行通信连接，并在启动多普勒波浪剖面流速仪2后，用位于工作平台上的起吊设备将固定架1和多普勒波浪剖面流速仪2投放至海底，且该投放位置与受测深水网箱3之间保持预定的距离；在此之后，通过多普勒波浪剖面流速仪2测量并自动存储海面波浪数据和剖面流速数据，其中，工作平台可以是作业船也可以是任意能够漂浮于海面上的浮体平台，多普勒波浪剖面流速仪2的工作参数包括水深层数、记录时间、存储间隔等可以根据测试需要进行灵活设置。

作为本发明的优选实施方式：配重块13的数量为四个，每个配重块13的重量为5kg。

为了提高支撑架12在强台风环境下的防倾倒能力，作为本发明的优选实施方式：上述支撑架12为由安装平台122和连接在安装平台122底面上的三根斜向支撑杆123组成的三脚架，且相邻两根斜向支撑杆123之间连接有横向连接杆124，固定圈121固定在安装平台122的顶面上。

用起吊设备将固定架1和多普勒波浪剖面流速仪2投放至海底时，为了确保支撑架12的底部坐落在海底，作为本发明的优选实施方式：上述固定架1还设有起吊环14；安装平台122的顶面上固定有两个吊耳1221，起吊环14的两端分别与两个吊耳1221转动连接；起吊设备通过起吊环14吊起固定架1。

为了提高紧凑性和结构强度，作为本发明的优选实施方式：上述外环112位于固定圈121的内部，内环111位于外环112的内部。

参见图4，上述风速风向测试包括：

步骤s2.1、制备风速风向仪4，该风速风向仪4设有风速传感器41、风向传感器42、安装支架43、防护箱44和数据采集仪，风速传感器41、风向传感器42和防护箱44均固定在安装支架43上，数据采集仪安装在防护箱44内部，且数据采集仪的输入端分别与风速传感器41的输出端和风向传感器42的输出端电性连接；

步骤s2.2、将风速风向仪4的安装支架43固定在受测深水网箱3的浮架31上；

步骤s2.3、用线缆将风速风向仪4的数据采集仪与电脑设备进行通信连接，并在启动风速风向仪4的数据采集仪后，通过数据采集仪接收并存储风速传感器41采集到的风速数据和风向传感器42采集到的风向数据，其中，数据采集仪的工作参数包括记录时间和存储间隔等可以根据测试需要进行灵活设置。

作为本发明的优选实施方式：上述风速风向仪4还设有太阳能发电单元45；太阳能发电单元45与数据采集仪的供电端电性连接。

为了确保风速风向仪4的安装稳固性，作为本发明的优选实施方式：上述受测深水网箱3的浮架31由主浮管311、扶手管312、多个数量相等的工字架313和三通连接件314组成，其中，每一个工字架313均套装在主浮管311上，每一个三通连接件314均套装在扶手管312上，各个工字架313和三通连接件314一一对应连接；安装支架43为由横杆和纵杆连接构成的t型支架，风速传感器41和风向传感器42分别固定在横杆的两端顶部，纵杆固定在其中一个三通连接件314上并与扶手管312和对应的工字架313固定连接；防护箱44坐落在扶手管312上；太阳能发电单元45通过绳索绑定在主浮管311与扶手管312之间。

参见图5，上述锚泊受力测试包括：

步骤s3.1、为受测深水网箱3的锚绳32安装上拉力测量装置5，该拉力测量装置5设有拉力计51、两个卸扣52和两个绳扣53，拉力测量装置5的安装方式为：在锚绳32相对受测深水网箱3的浮架31处于海流流向的下游位置时，此时锚绳32处于松弛状态下即其不承受所连接的锚与浮架31的拉力作用，首先，将处于松弛状态下的锚绳32的部分绳段分别穿过两个绳扣53的扣孔，使得穿过两个绳扣53扣孔的绳段分别形成两个绳套321；然后，用绳扣53锁紧绳套321穿过其扣孔的部分，使得绳套321被固定而不会松开；最后，用其中一个卸扣52连接其中一个绳套321和拉力计51的其中一侧拉环511，用另一个卸扣52连接另一个绳套321和拉力计51的另一侧拉环511；并且，锚绳32位于两个绳扣53之间的松弛绳段322的长度大于拉力计51、两个卸扣52和绷直时的两个绳套321的长度之和，以确保锚绳32受到的拉力而使得两个绳套321绷直时，松弛绳段322仍能够保持松弛，令锚绳32受到的拉力能够通过两个绳套321和两个卸扣52传递到拉力计51的两侧拉环511上；

步骤s3.2、用线缆将拉力计51与电脑设备进行通信连接，并在启动拉力计51，使得拉力计51采集并自动存储拉力数据，其中，拉力计51的工作参数包括记录时间、测量单位和存储间隔等可以根据测试需要进行灵活设置。

作为本发明的优选实施方式：上述拉力测量装置5的安装在浮于海面上的作业船上进行；由于锚绳32处于松弛状态下，因此，借助作业船可以很容易将处于松弛状态下的锚绳32的部分绳段放置在工作船上，以进行拉力测量装置5的安装操作。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。