重力型网箱养殖系统锚泊预张力对整体响应的数值研究：静态与动态条件下的关键影响

为解决重力型网箱养殖系统在复杂海况下的稳定性问题，研究人员通过数值模拟方法，结合Morison模型、6-DOF系统和改进XPBD算法，系统研究了锚泊预张力对网箱静态和动态响应的影响。结果表明，预张力超过0.023会导致锚链完全脱离海床，而动态条件下预张力增加可显著抑制网箱运动但需警惕锚失效风险。该研究为优化养殖系统设计提供了重要理论依据。

　　

在挪威、中国等水产养殖大国，重力型网箱（gravity-type fish farms）是深海养殖的核心装备。这类系统通常由多个网箱组成，通过共享锚泊系统固定，但复杂的海洋环境（如波浪、洋流）会导致锚泊线突然绷紧的“动态冲击载荷”（dynamic snap loads），威胁系统稳定性。尽管预张力（pre-tension）能提升半潜式网箱的抗风浪能力，但传统重力型网箱的预张力影响机制尚不明确。更棘手的是，过高的预张力可能导致锚链脱离海床，而不足的预张力又无法有效抑制网箱晃动——这一矛盾成为制约养殖安全的关键瓶颈。

针对这一难题，挪威研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项创新研究。他们开发了一套融合流体力学与结构动力学的数值模型：通过Morison模型计算波浪和洋流对网箱的水动力载荷，采用改进的扩展位置动力学算法（XPBD）模拟柔性网衣和锚泊线的变形，并结合六自由度模型（6-DOF）分析浮框和沉管的刚体运动。研究首次系统揭示了预张力在0-0.023范围内对网箱系统的多重影响。

关键方法

1. 多尺度建模：整合不规则波浪模型（JONSWAP谱）与深度变化的洋流剖面，精确还原挪威峡湾的极端海况。
2. 动态耦合算法：通过松散耦合策略实现XPBD与6-DOF的数据交互，每步更新浮框节点位置以传递锚泊张力。
3. 接触力学模型：采用刚度系数10⁷
   N/m的海床接触模型，防止锚泊线穿透海底。

静态响应分析
当预张力比（pre-tension ratio）达到0.023时，锚链完全脱离海床（touch-down length=0），浮框下沉深度骤增至1.844米，可能导致养殖鱼类逃逸。此时G1点张力飙升至222.9 kN，较无预张力状态增长20倍，证实传统拖曳锚（drag anchors）在此条件下必然失效。

动态响应规律
在波浪周期6.6秒、流速1.2 m/s的极限工况下：

• 张力控制：预张力从0增至0.02使G1平均张力从158.4 kN升至194.4 kN，但波动标准差降低37%，证明预张力能有效抑制“浪涌松弛-绷紧”循环。
• 运动抑制：浮框纵荡（surge）幅值减少15%，纵摇（pitch）角波动降低41%，但垂荡（heave）运动在预张力>0.01时反常增强，揭示垂向刚度存在优化阈值。
• 锚泊失效风险：动态工况下预张力比>0.015即导致ML1锚链间歇性脱离海床，建议采用吸力锚（suction anchors）替代传统锚具。

多网箱系统验证
4×2阵列的养殖工场中，迎浪方向的ML1-ML3锚泊线承受190 kN平均张力（超单网箱系统27%），而框架线FL1张力达197 kN。但多网箱的张力波动系数（σ/均值）仅为0.8%，显著低于单网箱的2.5%，证明阵列布局能通过相位差抵消波浪冲击。

这项研究建立了重力型网箱预张力设计的“安全窗口”（0.005-0.01预张力比），为挪威AKVA集团等养殖装备商提供了关键参数。更深远的意义在于，