一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法

摘要

本发明公开了一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，具体为：S1：获取并识别网衣基本特征信息，构建完整网衣初始形态；S2：获取并实时记录外部海洋流场环境特征及动态变化；S3：基于水动力学模型实现网衣形变仿真计算；S4：根据计算结果，绘制网衣在外部流场环境影响下的形变及受力情况；S5：计算网衣单元结构所受的内力，识别内力超过网衣材料最大忍耐力的部位并突出显示，进而进行海洋养殖网箱网衣易损部位的判定。本发明可用于复杂海况下网箱网衣的形变及受力分析及易损部位监测。能合理分析网衣在的形变过程和特征，分析网衣薄弱及易损区域，为网衣的替换、布置、编结方式、材质选择提供先行参考，有效降低网箱网衣的制造及更换成本。

权利要求

1.一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，该方法具体为：S1：获取并识别网衣基本特征信息，构建完整网衣初始形态；

S2：获取并实时记录外部海洋流场环境特征及动态变化；

S3：基于水动力学模型实现网衣形变仿真计算；

其中，在空间坐标系下，对网衣中任意质量体 ，其受力为：为质量体的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 的加速度；为质量体受到的重力， 为质量体 受到的浮力，为质量体 受到的拉力，为质量体 受到流体阻力；其矩阵形式为：为质量体的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 的加速度；为质量体受到的重力， 为质量体 受到的浮力，为质量体 受到的拉力，为质量体 受到流体阻力；

相互连接的质量体之间的作用力为：

为质量体 所连接的其他质量体的数量， 表示与质量体 相连的质量体 对其施加的作用力， 为质量体 和 之间的距离； 为质量体 与 的临界长度，当距离超过临界长度，即时，则二者之间存在弹性力，反之则没有弹性力；为质量体 沿拉伸方向的投影面积； 和 为质量体的弹性形变参数；

在空间坐标系下，当质量体 与相连所有质量体的距离均超过各自的临界长度时，其所受拉力沿三个坐标轴的分量为：其中 分别为与第 个质量体相连的第 个质量体对该质量体的拉力沿方向上的分量； 为第 个质量体的位置， 为与第 个质量体相连的第 个质量体的位置；

流体阻力包括速度力和惯性力，表示为：

为第 个质量体所受到的流体阻力， 和 分别为所受到的速度力和惯性力，和分别为质量体 的速度和加速度；为质量体 沿水流流速的投影面积； 为附加质量系数；

为流体密度； 为流体速度； 为速度力系数；

在空间坐标系下，质量体所受到的流体阻力沿三个坐标轴的分量为：其中， 分别为与第 个质量体所

受到的流体阻力，投影面积，速度和加速度沿 方向上的分量； 为流体流速沿 方向上的分量； 为质量体的体积；

将所有质量体的控制方程联立，得到网衣的运动方程式：；

其中, 为每个质量体的质量， 为每个质量体的重力， 为每个质量体的浮力， 为每个质量体沿三个方向上的加速度，为每个质量体所受到的拉力沿三个方向上的分量，为每个质量体所受到的流体力沿三个方向上的分量；

对所述网衣的运动方程式进行线性化处理，并利用Newmark‑beta算法求解，算法表达式为：其中, ， 和 分别为下一时刻的位置，速度和加速度， ， 和 为当前时刻的位置，速度和加速度， 为时间步长，和 为规定参数；

将公式（2‑10）转化为增量方程式：

其中， 为当前时刻到下一时刻的位置，速度和加速度的增量；将（2‑2）整理成如下形式：其中， 为该非线性动力系统中质量体 的统一表示，将该方程在 时刻泰勒展开，则有线性化方程：

其中：

其中， 分别为质量体 当前时刻到下一时

刻的加速度，速度和位移增量；

分别为方程 在 时刻下对三

个方向上的加速度，速度和位移的导数；

为水流 力在 时 刻下 对三个方向上的速度的导数 ，分别为拉力的三个分量在 时

刻下对 方向上的位移的导数；

在计算参数后，将其代入到公式（2‑13）中，将公式（2‑13）和公式（2‑11）联立，得到线性方程组；

S4：根据计算结果，绘制网衣在外部流场环境影响下的形变及受力情况；

S5：计算网衣单元结构所受的内力，识别内力超过网衣材料最大忍耐力的部位并突出显示，进而进行海洋养殖网箱网衣易损部位的判定；

其中，所述步骤S1中网衣基本特征信息包括：基本单元结构的数量及属性，基本单元结构间的拓扑关系，特殊基本单元；所述基本单元结构包括：结节和目脚；所述特殊基本单元，具体为：在网衣形变过程中，存在固定的结节，其位置保持不变，不受到水流冲刷或其他结节拉动的影响，这类结节称为特殊基本单元。

2.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，质量体的重力和浮力只与自身的密度，体积和海水密度有关，其表达式为：其中，为质量体的密度；为质量体体积；为重力加速度； 为海水密度。

3.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述基本单元结构的数量包括：网衣所具备的结节和目脚的数量；基本单元结构的属性包括结节和目脚的位置、速度、密度，结节的直径，目脚的直径和长度，结节与目脚的附加质量系数，水动力系数，目脚的弹性系数、临界长度。

4.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述基本单元结构间的拓扑关系，具体为：网衣的每个结节均与目脚相链接，每个目脚只与两个结节相连，由此形成基本单元结构间的拓扑结构。

5.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算结果包括：目脚和结节在不同时刻下的位置、速度、加速度、受力情况；目脚和结节间的拓扑关系；计算结果以mat、txt或dat格式进行存储。

6.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，绘制内容包括：选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的形变情况；选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的受力情况；网衣任意结节和目脚所受拉力，水流力随时间的变化情况。

7.如权利要求6所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，以三维视角或二维投影视角，形成单一时刻下的图片绘制结果、一段时间或完整过程的动画绘制结果。

8.如权利要求1所述的基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据计算网衣目脚和结节所受到的拉力来判断网衣的易损部位。

说明书

一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水产养殖工程和海洋信息化服务领域，尤其是一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法。

背景技术

[0002] 网衣是深海网箱的重要组成部分，它在保证深海箱体与外界水环境交换畅通，维持鱼类生长环境，防止鱼类逃逸和天敌侵害等方面起到关键作用。

[0003] 但网衣柔软的特点使得网衣在外荷载作用下极易发生运动变形，在流速较大时会加大网箱的容积损失，从而影响到养殖鱼类的正常生长。因此，研究网衣在水流作用下的运动变形，对于深入了解网箱的耐流特性、以及为网箱设置区域的选择作为参考具有重要的现实意义。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，该方法可以实现网箱网衣在不同海洋环境下的形变监测及受力分析，从而节约实际应用成本，为网衣形状、结构设计，位置布放提供依据。

[0005] 为实现上述目的，本发明一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，具体为：

[0006] S1：获取并识别网衣基本特征信息，构建完整网衣初始形态；

[0007] S2：获取并实时记录外部海洋流场环境特征及动态变化；

[0008] S3：基于水动力学模型实现网衣形变仿真计算；

[0009] 其中，在空间坐标系下，对网衣中任意质量体 ，其受力为：

[0010]

[0011] 为质量体 的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 的加速度； 为质量体 受到的重力， 为质量体 受到的浮力，为质量体 受到的拉力，为质量体 受到流体阻力；将其写为矩阵形式如下：

[0012]

[0013] 为质量体 的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 沿三个方向上的加速度；为质量体 受到的重力， 为质量体 受到的浮力， 为质量
体 受到的拉力沿三个方向上的分量， 为质量体 受到流体力阻沿三个方向上的
分量；

[0014] 相互连接的质量体之间的作用力为：

[0015]

[0016]

[0017] 为质量体 所连接的其他质量体的数量， 表示与质量体 相连的质量体 对其施加的作用力， 为质量体 和 之间的距离； 为质量体 与 的临界长度，当距离超过临界长度，即 时，则二者之间存在弹性力，反之则没有弹性力；为质量体 沿拉伸方向的
投影面积； 和 为质量体的弹性形变参数；

[0018] 在空间坐标系下，当质量体 与相连所有质量体的距离均超过各自的临界长度时，其所受拉力沿三个坐标轴的分量为：

[0019]

[0020] 其中 分别为与第 个质量体相连的第 个质量体对该质量体的拉力沿方向上的分量； 为第个质量体的位置， 为与第 个质量体相连的第 个质
量体的位置；

[0021] 流体阻力包括速度力和惯性力，表示为：

[0022]

[0023] 为第 个质量体所受到的流体阻力， 和 分别为所受到的速度力和惯性力，和 分别为质量体 的速度和加速度；为质量体 沿水流流速的投影面积； 为附加质量
系数； 为流体密度； 为流体速度； 为速度力系数；

[0024] 在空间坐标系下，质量体 所受到的流体阻力沿三个坐标轴的分量为：

[0025]

[0026] 其中 分别为与第 个质量体所受到的流体阻力，投影面积，速度和加速度沿 方向上的分量； 为流体
流速沿 方向上的分量， 为质量体的体积；

[0027] 将所有质量体的控制方程联立，得到网衣的运动方程式：

[0028] ；

[0029] 其中 为每个质量体的质量， 为每个质量体的重力， 为每个质量体的浮力， 为每个质量体沿三个方向上的加速度，
为每个质量体所受到的拉力沿三个方向上的分量，
为每个质量体所受到的流体力沿三个方向上的分量；

[0030] 对所述网衣的运动方程式进行线性化处理，并利用Newmark‑beta算法求解，算法表达式为：

[0031]

[0032] 其中, ， 和 分别为下一时刻的位置，速度和加速度， ， 和 为当前时刻的位置，速度和加速度， 为时间步长，和 为规定参数；

[0033] 将公式（2‑10）转化为增量方程式：

[0034]

[0035] 其中， 为当前时刻到下一时刻的位置，速度和加速度的增量；将（2‑2）整理成如下形式：

[0036]

[0037] 其中， 为该非线性动力系统中质量体 的统一表示，将该方程在 时刻泰勒展开，则有线性化方程：

[0038]

[0039] 其中：

[0040]

[0041]

[0042]

[0043] 其中， 分别为质量体 当前时刻到下一时刻的加速度，速度和位移增量；

[0044] 分别为方程 在 时刻下对三个方向上的加速度，速度和位移的导数；

[0045] 为水流力在 时刻下对三个方向上的速度的导数，分别为拉力的三个分量在 时
刻下对 方向上的位移的导数；

[0046] 在计算参数后，将其代入到公式（2‑13）中，将公式（2‑13）和公式（2‑11）联立，得到线性方程组；

[0047] S4：根据计算结果，绘制网衣在外部流场环境影响下的形变及受力情况；

[0048] S5：计算网衣单元结构所受的内力，识别内力超过网衣材料最大忍耐力的部位并突出显示，进而进行海洋养殖网箱网衣易损部位的判定。

[0049] 进一步，质量体的重力和浮力只与自身的密度，体积和海水密度有关，其表达式为：

[0050]

[0051] 其中， 为质量体 的密度，其值与材料选取有关； 为质量体体积；为重力加速度； 为海水密度。

[0052] 进一步，所述步骤S1中网衣基本特征信息包括：基本单元结构的数量及属性，基本单元结构间的拓扑关系，特殊基本单元。

[0053] 进一步，所述基本单元结构包括：结节和目脚；基本单元结构的数量包括：网衣所具备的结节和目脚的数量；基本单元结构的属性包括结节和目脚的位置、速度、密度，结节的直径，目脚的直径和长度，结节与目脚的附加质量系数，水动力系数，目脚的弹性系数、临界长度。

[0054] 进一步，所述基本单元结构间的拓扑关系，具体为：网衣的每个结节均与目脚相链接，每个目脚只与两个结节相连，由此形成基本单元结构间的拓扑结构。

[0055] 进一步，所述特殊基本单元，具体为：在网衣形变过程中，存在固定的结节，其位置保持不变，不受到水流冲刷或其他结节拉动的影响，这类结节称为特殊基本单元。

[0056] 进一步，所述步骤S3中，计算结果包括：目脚和结节在不同时刻下的位置、速度、加速度、受力情况；目脚和结节间的拓扑关系；计算结果以mat、txt或dat格式进行存储。

[0057] 进一步，所述步骤S4中，绘制内容包括：选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的形变情况；选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的受力情况；网衣任意结节和目脚所受拉力，水流力随时间的变化情况。

[0058] 进一步，所述步骤S4中，以三维视角或二维投影视角，形成单一时刻下的图片绘制结果、一段时间或完整过程的动画绘制结果。

[0059] 进一步，所述步骤S5中，根据计算网衣目脚和结节所受到的拉力来判断网衣的易损部位。

[0060] 本发明可用于复杂海况下网箱网衣的形变及受力分析及易损部位监测。能合理分析网衣在的形变过程和特征，分析网衣薄弱及易损区域，并为网衣的替换、布置、编结方式、材质选择提供先行参考，从而有效降低网箱网衣的制造及更换成本。

附图说明

[0061] 图1为本发明流程示意图；

[0062] 图2为结节和目脚示意图；

[0063] 图3为本发明实施例中网箱网衣的初始形态示意图；

[0064] 图4为实施例中第50秒网衣形变结果Y轴投影图；

[0065] 图5为实施例中第50秒网衣受力分布三维示意图；

[0066] 图6为实施例中右下角固定结节拉力大小时序图；

[0067] 图7为实施例中右上角固定结节拉力大小时序图。

具体实施方式

[0068] 下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0069] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0070] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0071] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0072] 本发明一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，基于水动力学模型和多种数值监测方法来分析网箱网衣在不同海洋环境下的形变特征和受力情况，分析结果可以用来对网衣易损区域进行快速识别。首先输入要监测的渔网信息及外部流场信息，系统会自动获取并识别网衣基本特征，实时记录外部海洋流场环境特征及动态变化，然后对网衣的运动过程进行求解。求解过程先统计当前时刻下网衣基本单元的各项属性，再通过所选择的数值求解方法计算下一时刻的网衣属性变化，同时还可以将所有计算结果储存并绘制网衣形变及受力分析图，最后，根据受力情况分析网衣易损部位。

[0073] 如图1所示，其展示了本发明实施例中一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法的整体过程。在构建阶段，系统通过获取并识别网衣基本特征信息，构建完整的网衣初始形态，同时获取外部海洋环境特征，记录海洋流场的动态变化。然后系统将根据输入信息进行网箱网衣形变过程的仿真求解，网箱网衣形变及受力结果可通过不同格式进行保存，或通过图片或视频进行展示，最后对网箱网衣易损部位进行检测。

[0074] 本发明一种基于水动力学的网箱网衣受力监测方法，具体为：

[0075] S1：获取并识别网衣基本特征信息，构建完整网衣初始形态；

[0076] S2：获取并实时记录外部海洋流场环境特征及动态变化；

[0077] S3：基于水动力学模型实现网衣形变仿真计算；

[0078] S4：根据计算结果，绘制网衣在外部流场环境影响下的形变及受力情况；

[0079] S5：计算网衣单元结构所受的内力，识别内力超过网衣材料最大忍耐力的部位并突出显示，进而进行海洋养殖网箱网衣易损部位的判定。

[0080] 如图2所示，为结节和目脚示意图，网衣打结处称为结节，两个相邻结节之间的网线称为目脚。根据集中质量法，将结节与目脚之间视为通过无质量弹簧相连接。由此将网衣离散成多个结节与目脚的质量点集合。为了简化模型运算，假设结节为球体，目脚为圆柱体。

[0081] 步骤S1中，输入将所要监测的网衣，将自动识别网衣基本特征信息并构建完整网衣初始形态。

[0082] 网衣基本特征信息包括：基本单元结构的数量及属性，基本单元结构间的拓扑关系，特殊基本单元。基本单元结构包括：结节和目脚；基本单元结构的数量包括：网衣所具备的结节和目脚的数量；基本单元结构的属性包括结节和目脚的位置、速度、密度，结节的直径，目脚的直径和长度，结节与目脚的附加质量系数，水动力系数，目脚的弹性系数、临界长度。

[0083] 基本单元结构间的拓扑关系是指：衣的每个结节均与目脚相链接，每个结节可能与不同数量的目脚相连，但每个目脚一定只与两个结节相连，由此形成基本单元间的拓扑结构。

[0084] 特殊基本单元是指：在网衣形变过程中，可能存在固定的结节，其位置保持不变，不受到水流冲刷或其他结节拉动等影响。这类结节称为特殊基本单元，需要被单独记录。

[0085] 步骤S2中，获取并实时记录外部流场环境特征及动态变化；将所要监测的外部流场变化情况进行记录，供后续仿真监测使用。

[0086] 外部海洋流场环境特征包括：流场流速，流场方向，流体密度，重力加速度，监测总时长，监测时间间隔。动态变化是指：流场速度，方向，密度可能会随着位置和时间发生变化。

[0087] 步骤S3包括以下步骤：

[0088] S31，根据实际问题需求选择相关求解算法及求解模式；

[0089] S32，系统自动结合网衣基本特征信息及外部流畅环境特征，基于所选求解算法进行仿真监测；

[0090] S33，存储监测结果。

[0091] 基于水动力学模型实现的网衣形变仿真计算求解方法，包括四阶龙格库塔方法和Newmark‑beta方法，且二者均有串行和并行版本可供选择。若求解算法为显式四阶龙格库塔数值方法，则根据水动力学模型，直接计算下一时刻网衣所有基本单元结构的位置，速度，拓扑关系；若求解算法为隐式Newmark‑beta数值方法，则计算网衣系统的控制方程组，通过求解方程组获得下一时刻网衣所有基本单元结构的位置，速度，拓扑关系。

[0092] 在系统结合网衣基本特征信息及外部流畅环境特征后，基于所选求解算法进行监测的过程中，分为以下几个步骤：

[0093] S321，初始化网衣输入；

[0094] S322，统计当前时刻下，网衣所有基本单元结构的位置，速度，拓扑关系；

[0095] S323，计算当前时刻下，网衣所有基本单元结构的受力情况；

[0096] S324，基于所选求解算法，若求解算法为显式四阶龙格库塔数值方法，则根据水动力学模型，直接计算下一时刻网衣所有基本单元结构的位置，速度，拓扑关系；若求解算法为隐式Newmark‑beta数值方法，则计算网衣系统的控制方程组，通过求解方程组获得下一时刻网衣所有基本单元结构的位置，速度，拓扑关系；

[0097] S325，重复S321‑S324，直到监测时间结束，保存中间计算结果。

[0098] 其中，在空间坐标系下，对网衣中任意质量体 ，其受力为：

[0099]

[0100] 为质量体 的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 的加速度； 为质量体 受到的重力， 为质量体 受到的浮力，为质量体 受到的拉力，为质量体 受到流体阻力。将其写为矩阵形式如下：

[0101]

[0102] 为质量体 的质量； 为质量体 的附加质量系数； 为质量体 的加速度； 为质量体 受到的重力， 为质量体 受到的浮力，为质量体 受到的拉力，为质量体 受到流体阻力；

[0103] 质量体所受到的拉力等同于相连接的质量体施加的作用力之和，因此对质量体有：

[0104]

[0105]

[0106] 其中， 为质量体 所连接的其他质量体的数量， 表示与质量体 相连的质量体对其施加的作用力，该作用力为弹性力，其表达式如(2‑3)所示； 为质量体 和 之间的距离； 为质量体 与 的临界长度，当距离超过临界长度，即 时，则认为二者之间存在弹性力，反之则没有。为质量体 沿拉伸方向的投影面积； 和 为质量体的弹性形变参数，其值与网衣材质有关。

[0107] 在空间坐标系下，当质量体 与相连所有质量体的距离均超过各自的临界长度时，其所受拉力沿三个坐标轴的分量为：

[0108]

[0109] 其中 分别为与第 个质量体相连的第 个质量体对该质量体的拉力沿方向上的分量。 为第个质量体的位置， 为与第 个质量体相连的第 个质
量体的位置。

[0110] 流体阻力包括速度力和惯性力两部分。对于质量体 ，其表达式如下：

[0111]

[0112] 为第 个质量体所受到的流体阻力， 和 分别为所受到的速度力和惯性力，和 分别为质量体 的速度和加速度；为质量体 沿水流流速的投影面积； 为附加质量
系数； 为流体密度； 为流体速度； 为速度力系数；

[0113] 在空间坐标系下，质量体 所受到的流体阻力沿三个坐标轴的分量为：

[0114]

[0115] 其中 分别为与第 个质量体所受到的流体阻力，投影面积，速度和加速度沿 方向上的分量。 为流体
流速沿 方向上的分量， 为质量体的体积。

[0116] 质量体的重力和浮力只与自身的密度，体积和海水密度有关，其表达式为：

[0117]

[0118] 其中， 为质量体 的密度，其值与材料选取有关； 为质量体体积；为重力加速度； 为海水密度。

[0119] 将所有质量体的控制方程联立，即可得到网衣系统的运动方程：

[0120] ；

[0121] 其中 为每个质量体的质量， 为每个质量体的重力， 为每个质量体的浮力， 为每个质量体沿三个方向上的加速度，
为每个质量体所受到的拉力沿三个方向上的分量，
为每个质量体所受到的流体力沿三个方向上的分量。

[0122] 对于每一个质量体，其所受到的合力不仅与自身的位置和速度有关，还与其他相连的质量体的位置有关，因此方程组（2‑8）具有高度非线性，不易直接求解。

[0123] 由于方程组（2‑8）具有很强的非线性，且方程数量随质量点的数量增多而增多，不易直接求解。先将其线性化处理，再利用Newmark‑beta算法求解。Newmark‑beta算法属于隐式求解算法，其算法表达式如下：

[0124] 。

[0125] 其中 ， 和 分别为下一时刻的位置，速度和加速度， ， 和 为当前时刻的位置，速度和加速度， 为时间步长，和 为规定参数，可根据实际情况选取。具体应用方法如下：

[0126] 首先将式（2‑10）转化为增量方程式：

[0127]

[0128] 其中 为当前时刻到下一时刻的位置，速度和加速度的增量。将（2‑2）整理成如下形式：

[0129]

[0130] 其中 为该非线性动力系统中质量体 的统一表示，将该方程在 时刻泰勒展开，忽略高阶项，则有线性化方程：

[0131]

[0132] 其中：

[0133]

[0134]

[0135]

[0136] 其中 分别为质量体 当前时刻到下一时刻的加速度，速度和位移增量。

[0137] 分别为方程 在 时刻下对三个方向上的加速度，速度和位移的导数。 为水流力在 时刻下对三
个方向上的速度的导数， 分别
为拉力的三个分量在 时刻下对 方向上的位移的导数。

[0138] 在计算完相关参数后，将其代入到（2‑13）中，将（2‑13）和（2‑11）联立，得到线性方程组，该方程组可通过软件MATLAB进行求解。

[0139] 步骤S3中，仿真计算后，要保存的计算结果有：目脚和结节在不同时刻下的位置、速度、加速度、受力情况；目脚和结节间的拓扑关系。计算结果可选择mat，txt，dat格式进行存储；存储形式有：txt，mat，dat格式。

[0140] 步骤S4中，可绘制内容包括：选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的形变情况；选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的受力情况；网衣任意结节和目脚所受拉力，水流力随时间的变化情况。选定时刻下网箱网衣在外部流场环境影响下的形变情况，包括三维视角和二维投影视角。所述绘制内容既可以是图片格式，也可以是视频格式。

[0141] S41，读取历史项目或直接使用当前项目的存储结果；

[0142] S42，可选地，按照实际需要，根据存储结果中的不同时刻下结节和目脚的位置，绘制网箱网衣在外部流场环境影响下的形变情况；其中，形变情况既可以绘制三维视角，也可以绘制二维投影视角，以观察形变过程的细节变化。

[0143] S43，可选地，按照实际需要，根据存储结果中的不同时刻下结节和目脚间的拓扑关系，计算网衣单元结构所受的内力，内力数值大小通过颜色不同进行呈现。

[0144] S44，可选地，按照实际需要，根据存储结果绘制任意结节和目脚的拉力，水流力随时间的变化情况。

[0145] S45，可选地，按照实际需要，可获取并保存单一时刻下的图片绘制结果，也可以获取并保存一段时间或完整过程的动画绘制结果。

[0146] 最终，根据计算网衣目脚和结节所受到的拉力，网衣基本属性进行比较，来判断网衣的易损部位。

[0147] 具体应用中，网衣宽为1.5米，深1米，流场水流为0.5m/s均匀流，方向沿X轴正向。网衣顶端两侧和底部六个部位为固定结节。网口尺寸为2.5厘米，其示意图如图3所示。结节与目脚的部分参数如下表所示。

[0148]

[0149] 为保证监测结果收敛，设置时间步长为0.01秒，总时长为50秒。第50秒网衣形变情况的Y轴投影视图，监测结果如图4所示。

[0150] 由于顶端只有2个固定节点，而底部有6个固定节点，所以在受力上顶部每个固定节点所分担的力更大，因此顶部拉伸更加明显。而由于网衣的密度整体小于海水密度，因此从侧视图看整体呈现向上漂浮状态。

[0151] 经计算，当网衣系统稳定时，顶部左右两侧固定结节所受拉力数值均为0.1709N，为所有结节中受力最大。因此系统分析，该部位最容易发生老化，为易损部位，需要格外关注。

[0152] 我们以网衣最上层正中间的结节为例展示计算过程：

[0153] 在初始时刻，该结节的坐标 为(0,0.75,1)，速度 和加速度均为0，根据材质，该结节的 。另外，结节的直径，密度和弹性参数
和 已在表格中给出。此时水流流速为5m/s，方向沿X轴正向，流体密度为 ,
重力加速度为 ,和该结节相连的目脚共有4个，但均未超过临界长度。故该时
刻下，基于上述参数，根据公式（2‑4），可以计算该结节的拉力为0N；根据公式（2‑5），可以计算水流力为：4.89e‑04N，根据公式（2‑7），可以计算重力和浮力分别为0.0017N和0.0018N。
由此求得当前时刻的加速度为：代入到Newmark‑beta方法，即（2‑9）中，计算得到下一时刻的坐标为(9.34e‑05,0.75,1)。

[0154] 图5、图6、图7给出了拉力的监测结果。根据绘制第50秒网衣受力情况的三维视图，图5为第50秒各结节之间拉力的分布情况，可以看出在固定结节处拉力最大，离固定结节越远拉力越小。图6、图7分别为网衣右下角和右上角固定结节拉力大小时序图，由图可知，受水流冲击影响，拉力在前10秒不断增大，大约在第10秒开始逐渐趋于稳定。稳定情况下，右上角拉力比右下角拉力大50%，这也与之前的分析相符。

[0155] 本发明的优点和积极效果在于：

[0156] 1.本发明可用于复杂海况下网箱网衣的形变及受力分析及易损部位监测。能合理分析网衣在的形变过程和特征，分析网衣薄弱及易损区域，并为网衣的替换、布置、编结方式、材质选择提供先行参考，从而有效降低网箱网衣的制造及更换成本。

[0157] 2. 本发明在程序设计上具有极高的灵活性和拓展性。本发明充分考虑了在应用到实际问题过程中所遇到的特殊性和复杂性，在监测过程中分别设计了显式求解算法和隐式求解算法，同时也分别提供了串行与并行的版本，使得监测过程可以很好的根据实际需要进行调整。

[0158] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。