網片的三維力學模型研究及應用.pdf

1、世界上使用的漁具中，絕大多數是由網片和綱索構成的“網漁具”。對網漁具進行漁具力學研究時的難點是：作用在網具上的外力與網具的形狀、網具上載荷分布等密切相關，并且相互影響。如果要使網具具有較高的工作效率，在水中達到或保持設計所要求的形狀，就必須了解和掌握網片的形狀和張力分布以及它們的相互關系。網漁具的工作環(huán)境是在洋面以下幾十米以至幾千米的水層深處，對網具的生產狀況進行現場研究和控制不是一件容易的事情。 漁具模型試驗可以方便的對網具進

2、行觀察和測量，但試驗設施要求較高，投入較大，并且至今在模型試驗的準則、模型制作和測量方面存在技術上和材料上的困難。因此進行計算機數值模擬是這一學科領域發(fā)展的又一重要途徑。本論文試圖建立各種基本形狀網片單元的數學力學三維模型，并通過動水槽模型試驗進行結果驗證，本論文將為分析或組合模擬各種漁具的受力和變形提供基礎。 在流速恒定的水流作用下，網片經過一系列的位置變化，最終網片上的應力分布和網片各部分的空間位置將達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。也就

3、是說，網片的各根目腳也處于平衡狀態(tài)。此時，將網片目腳假設成圓柱體狀的剛桿，同時考慮到網片的目腳是不能傳遞壓力的柔性網線，故定義剛桿與剛桿之間為無摩擦鉸鏈聯接，則構成網衣的任一網目看成是由四個網目腳在其兩端結節(jié)處通過鉸鏈鉸接而成，整個網片可看成許多剛桿通過無摩擦鉸鏈約束連接起來的系統(tǒng)，各個鉸鏈即桿單元的端點(節(jié)點)。各桿單元在水流中受到的水動力和重力等均布力將被平均分配至相連的兩個節(jié)點。集中載荷將按力的特性作用在相應的位置上。對各節(jié)點列出

4、一系列力學平衡方程組，由此得到網片的三維數學力學模型(3DNNM：3D。 Numerical Netting Model)。由于模型中對網線的應力和應變關系采用非線性關系以及網線單元的水動力與沖角也為非線性關系等，所得到的方程組是非線性方程組，利用MATIAB優(yōu)化工具箱進行求解，可以獲得網片上各節(jié)點的坐標(形狀)、各網線單元的張力值以及網片的總阻力。 本研究針對不同的邊界條件，利用3DNNM分別對四邊固定平面網片、圓柱網片、圓臺

5、網片和圓錐網片等進行了水動力和變形的分析，并將此理論結果與相應的動水槽模型試驗結果進行比較和分析。通過對流速與阻力、吊重與阻力、流速與位移、流速與網形等等方面的比較可知，3DNNM模型的計算結果還是可以接受的。在分析圓柱網片模型的動水槽試驗結果時，利用所建立的3DNNM模型，分別進行了原形網衣的相關計算、采用田內相似理論的計算和重力相似理論的計算并與實驗結果對照，發(fā)現相比田內準則，用重力相似準則得出的圓柱網片總阻力以及特征點的水平和垂直

6、位移等方面的理論結果和實驗結果吻合較好。 在分析網片變形時，本論文還可以比較精確計算變形后的圓柱網片的體積：根據3DNNM計算出的各節(jié)點坐標值，利用Solidworks軟件通過放樣、填充、縫合等操作，建立起圓柱網片的三維實體模型，然后再利用Solidworks軟件的“質量特性”工具就可以比較精確的計算不同流速時的圓柱網片(網箱)的體積值，從而比較其體積損失。另外還可以通過Solidworks軟件中的“曲面切除”和“轉化實體引用”

7、等命令，得到對應不同流速下的網衣橫剖面圖和縱剖面圖，直觀的比較對應不同流速時的網片橫截面的變形和軸向高度的變化。 論文的最后，選用在我國廣泛使用的重力式網箱的圓柱形網囊尺寸，計算和分析了不同流速時網箱網囊的形狀、阻力和容積損失率，供設計和使用網箱時的參考。 總之，論文的主要結論如下： 1．在穩(wěn)定流中，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的網片或網具可以采用剛化處理，利用有限元等理論，建立網片的三維力學數學模型(3DNNM)。該模型利

8、用MATLAB等軟件可以簡單方便地在設計階段就計算出平面、圓柱體、圓錐等多種形狀的網具構件和組合體的形狀和張力大小和分布。 2．平面網片的分析和實驗： (1)采用3DNMM模型，可以計算得出不同水流作用下平面網片的三維變形圖。分析表明，在水流作用下的平面網片不再保持平面，而出現拱度。隨流速的增加，網片拱度增大，隨d/a的增加，網片拱度呈非線性減小。對1m×1m的單位面積網片，經理論計算，其拱度在5％的量級上，而且由于網線

9、的延展性和網片結節(jié)在受力后會收緊造成網片的伸長，實際網片的拱度會更大，所以在計算平面網片阻力時，如有可能，應盡量考慮到網片的拱度及其影響。 (2)通過3DNNM模型可以獲得四邊固定的平面網片上張力的分布：在水流作用下，網片最中間“十”字形的幾條網線單元的張力最大，越靠近邊緣，單元張力越小。 3．圓柱形網片分析和實驗 (1)分析表明，作用在圓柱形網片的水動力與流速成二次曲線關系。 (2)軸線垂直來流的圓柱形

10、網片，變形后橫截面不再是圓截面，流速越大，截面變形越嚴重。在流速為0.6m/s以后，圓柱形網片迎流面的最前端會出現較光順的一個尖角。無論是數字模型計算，還是實驗的照片都顯示了尖角的出現。 (3)隨吊重的增加，網片阻力呈非線性增加。吊重越重，網片沿水流方向的位移越小，網片橫截面的變形減輕。隨著吊重的增加，雖然網衣的變形減小，圓柱形網衣的體積損失降低，但網線單元的張力增大，網片的水動力以及網線的最大張力都增加了，這樣又帶來了強度問題，所以要

11、綜合考慮吊重的作用。 4．網片水動力學性質研究：通過模型試驗與理論計算結果的比較，發(fā)現對所試驗的平面和圓柱網片(網線較細，d/a較小)，隨流速的增加，需要增大C<,N90>才能使理論和試驗結果比較接近。此時，C<,N90>已經不再單純代表光滑圓柱體垂直水流時的阻力系數，而是一個反映了網線的柔性、延展性、動水槽試驗特點等等因素的綜合阻力系數。而3DNNM模型的優(yōu)點就是能夠根據試驗結果反算出針對不同網衣尺寸、不同流速、不同吊重等情況

12、下的綜合阻力系數C<,N90>。 5．模型試驗準則的研究：根據試驗結果，借助3DNNM模型分析后，發(fā)現在進行圓柱形網片以及網箱的動水槽試驗時，采用重力相似準則要比采用田內準則得出的結果更接近實際值。 6．3DNNM模型在重力式網箱中的應用：可以計算出網箱上各理論節(jié)點的三維坐標，借助工程繪圖軟件Solidworks，可以比較精確的計算變形后的圓柱網箱的體積?？疾靾A柱網箱的體積損失，當流速從0.2m/s變化到0.4m/s時，

13、網箱體積有接近五分之一的損失，而當流速增加到0.6m/s時，相對原始體積，網箱的體積損失達到40％，由于理論計算的網片變形相對實際偏小，所以實際上的網衣體積損失更大。此結果可以作為選擇網箱養(yǎng)殖海區(qū)的參考之一。 7．其他應用實例：圓臺形網片在水流作用下迎流面張力大于背流面的張力，當錐角較大時，圓臺網片最下面一條網線的張力最大，隨錐角的逐漸變小，張力越來越小，當錐角很小接近0度，圓臺變成圓柱體網片時，該網線張力降為最小。 研

14、究表明，對平衡狀態(tài)下的柔性網具采用剛化和無摩擦鉸接等處理所建立的數值模型，可以合理地反映網漁具的力學特性和空間形狀。結合模型實驗或實測，可以研究分析網線、綱索等的水動力學性質，獲得綜合水動力學系數。此外，利用網目群化和鏡像處理等手段、MATLAB和SolidWorks等工具軟件有效地解決了大量非線性方程組的求解及其應用。初步獲得了網具基本構件(平面、矩形箱體形、圓柱形、圓臺形、圓錐形等)的數學力學模型，為進一步進行漁具數值模型研究提供了