我国是世界第一水产养殖大国，养殖产量占世界总产量的70%以上[1]。然而，我国养殖设施化和工程化水平不高，生产技术水平低。简陋的设施、装备无法抵御大风浪和灾害性天气。由于近海台风等海洋灾害性气候高发，近海及深远海网箱遭受台风、强流等恶劣海洋环境的严重威胁，严重阻碍了我国海水养殖业的健康发展。因此开展我国深水网箱受灾破坏机理研究，可为养殖个体提供相应的预警信息、防灾减灾措施意见，为相关部门进行灾前预判、灾中救助及灾后损失估算提供科学依据[2-3]。

我国多采用重力式深水网箱。重力式深水网箱主要是由浮架系统、网衣系统、锚碇系统和配重系统组成，如图1所示。李坤鹏利用ANSYS有限元软件对浮架结构在波浪和水流作用下的水动力特性进行了数值模拟[4]。赵云鹏利用集中质量法建立网衣的数学模型[5]，分析了菱形网目和方形网目在不同流速下的变形特征。许条建分析了组合式网箱的锚碇系统[6]在恶劣海况下，锚泊锚绳断裂之后整个锚绳系统的张力会重新分布，断裂之后的锚绳张力由其他的锚绳来分担，其他的锚绳也可能会随之发生连续断裂。毛雨婵分析了网箱在不同配重形式和配重大小下[7]，在纯波、纯流和波流情况下的动力特性。

图1 重力式深水网箱示意Fig.1 Sketch of a gravity cage

国外的研究主要是集中在风暴潮灾害的风险评估上，但对风暴潮灾情的预警研究较少。佩塔克对美国风暴潮灾害风险区域的划分和评估方法做出了详细的阐述[8]。国内学者运用定量分析方法对风暴潮灾害灾情的等级划分研究较少，主要集中在对其他自然灾害灾情的划分上。马景灏将熵值法、灰色关联度法、主成分分析法3种综合评价方法和Kendall一致性检验方法相结合[9]，对我国沿海地区风暴潮灾害经济损失进行了等级划分，并构建了灾情预警模型。

之前的研究主要是集中在重力式深水网箱的水动力特性和风暴潮灾情的预报上，并未对风暴潮对重力式深水网箱致灾破坏机理做出解释以及预警，其受灾因子(风、浪、流、设施结构脆弱性)、设施受灾响应、受灾机理尚不完全清晰，导致每年海洋设施渔业的灾前预判和应对不够有针对性。根据受灾调查，圆形重力式深水网箱的受灾破坏是指在风暴潮的作用下网箱的锚绳和浮架内部应力会急剧增加，从而更容易达到其极限应力，破坏的可能性也增加；网箱的容积保持率也会减小，从而导致鱼类大量挤压缺氧而死亡。本文通过实验室自行开发的DUT-FlexSim软件得到的重力式深水网箱水动力数据作为训练数据，通过BP神经网络建立受灾因子与网箱结构受损的定量关系，从而实现重力式深水网箱结构破坏的预警，并用灰色关联度识别重力式深水网箱受损的受灾破坏的主控因子，其分析流程图如图2示。

图2 分析流程Fig.2 Flow chart of analysis

1 计算方法

本文获取的训练数据来源于DUT-FlexSim软件，经过大量物理模型试验与数学模拟试验的对比，该软件能正确地反映重力式深水网箱的水动力特性[2]；计算采用刚体运动学原理建立浮架和底圈的运动微分方程，采用集中质量法建立网衣和锚绳的运动微分方程；最后采用四阶Runge-Kutta法求解运动微分方程[5]，进而得到重力式深水网箱的网衣变形、锚绳张力。然后通过ANSYS求解浮架的应力。由于篇幅有限，本文只做简要介绍。

1.1 浮架的模拟

重力式深水网箱的浮架系统主要是由内外两根浮管、立柱、注塑三通构件以及扶手组成[10]。模型中将浮架简化为单根浮管，将浮架离散成有限段微元，计算每段的载荷，然后叠加，进而得到整个浮架的载荷，从而建立浮架的运动方程。

1.2 网衣和锚绳的模拟

网衣简化为一系列的集中质量点，集中质量点位于目脚两端和中间位置，集中质量点之间采用无质量的弹簧连接，通过求解各质量点的运动微分方程可以获得各个质量点的位移，最终得到网衣的运动和受力[5]。根据相关文献，采用Morison公式计算端节点受到的水动力时，水动力系数选取为1.0[10]。锚绳由无质量弹簧连接的集中质量点模拟，微段由有限个无质量的弹簧和两端的集中质量点构成[6]。

1.3 浮架结构变形和应力分析

浮架是由两根HDPE空心管组成，所以通过壳单元建立其有限元模型[11]。通过水动力模型计算浮架在水流、波浪下的受力，通过迭代最终求解出浮架在波浪作用下的变形和应力分布[11]。