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在海洋养殖中，桩网结构受波浪作用振动问题突出。研究人员开发耦合动力学模型，模拟其三维振动。结果显示，桩径、桩长、土壤刚度等因素影响结构响应。该研究为提升养殖设施安全和效率提供理论支持。
在广阔的海洋世界里，海鲜一直是人们餐桌上的美味佳肴。随着人们对高品质海鲜需求的不断增加，海洋养殖行业蓬勃发展。其中，桩网结构作为一种重要的养殖设施，在海洋中发挥着关键作用。它通过将长桩深深打入海床，在桩间悬挂柔性网，围出一片特定区域用于鱼类养殖。这种方式既可以让清洁的海水自由流动，为鱼类提供良好的生存环境，又能有效防止鱼类逃脱。
然而，海洋环境复杂多变，波浪成为了桩网结构的一大挑战。每当海浪涌起，桩网结构就会随之振动。这些振动不仅可能影响鱼类的生长环境，还对养殖设施的安全性构成威胁。如果振动过于剧烈，甚至可能导致桩体损坏、网具破裂，造成巨大的经济损失。因此，深入研究桩网结构在波浪作用下的振动特性，找到影响其稳定性的关键因素，进而提升养殖设施的安全性和运营效率，成为了亟待解决的问题。
为了攻克这一难题，研究人员开展了关于桩网结构在波浪激发下振动特性的研究。他们开发了一种耦合动力学模型，用于模拟受海床土壤约束且受波浪激发的桩网结构的三维振动。研究中，运用 Stokes 二阶波理论模拟波浪，采用 Euler-Bernoulli 梁理论对桩进行建模，海床土壤则用弹簧模型表示，而柔性网的振动通过集中质量法进行模拟。通过与有限元方法和实验结果对比，验证了该模型的有效性。最终研究发现，桩网结构的振动会随着桩直径增大、桩在海床土壤中的长度增加或海床土壤变得更坚硬而受到更强的约束，其动力响应也会相应减小。这一研究成果发表在《Biosystems Engineering》上，为海洋养殖设施的优化设计提供了重要的理论依据，有助于提升海洋养殖行业的安全性和经济效益。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是理论建模，包括 Stokes 二阶波理论、Euler-Bernoulli 梁理论和集中质量法，分别用于模拟波浪、桩和柔性网的特性；二是数值求解，通过有限差分法将桩的振动偏微分方程离散化为常微分方程进行求解；三是对比验证，将模型结果与有限元方法和实验结果对比，验证模型的准确性。
数值结果与分析
研究人员利用已开发并验证的非线性动态耦合模型，对桩网结构在波浪激发下的动力响应特性展开深入研究，并进行参数化分析。研究发现，桩网结构在波浪作用下，桩和网都会产生振动。通过改变桩直径、桩长、土壤弹簧刚度和波浪方向等参数，详细分析这些因素对结构振动的影响。结果表明，随着桩直径增大，桩网结构受到的约束更强，动力响应减小；桩在海床土壤中的长度增加时，结构的稳定性增强，振动响应也会降低；海床土壤越坚硬，即土壤弹簧刚度越大，对桩网结构的约束作用越明显，结构的振动幅度越小。这一系列结果为进一步理解桩网结构的振动特性提供了重要数据支持。
结论与讨论
本研究成功构建了桩网结构的非线性耦合动力学模型，借助多种理论和方法对桩网结构在波浪激发下的振动特性进行全面分析。研究结果清晰地揭示了桩直径、桩长、海床土壤刚度和波浪方向等因素对桩网结构振动的影响规律。这些发现对于海洋养殖设施的设计和优化具有重要的指导意义。例如，在实际工程中，可以根据不同海域的波浪条件和海床土壤特性，合理选择桩的尺寸和材质，优化网具的布置方式，从而有效降低桩网结构在波浪作用下的振动幅度，提高养殖设施的安全性和稳定性，保障海洋养殖产业的可持续发展。同时，该研究也为后续相关领域的研究提供了重要的参考，有助于推动海洋养殖技术的不断进步。
