網(wǎng)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(shù)是由網(wǎng)片和綱索構成的“網(wǎng)漁具”。對網(wǎng)漁具進行漁具力學研究時的難點是：作用在網(wǎng)具上的外力與網(wǎng)具的形狀、網(wǎng)具上載荷分布等密切相關，并且相互影響。如果要使網(wǎng)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(wǎng)片的形狀和張力分布以及它們的相互關系。網(wǎng)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(wǎng)具的生產(chǎn)狀況進行現(xiàn)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)片單元的數(shù)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(wǎng)片經(jīng)過一系列的位置變化，最終網(wǎng)片上的應力分布和網(wǎng)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(wǎng)片的各根目腳也處于平衡狀態(tài)。此時，將網(wǎng)片目腳假設成圓柱體狀的剛桿，同時考慮到網(wǎng)片的目腳是不能傳遞壓力的柔性網(wǎng)線，故定義剛桿與剛桿之間為無摩擦鉸鏈聯(lián)接，則構成網(wǎng)衣的任一網(wǎng)目看成是由四個網(wǎng)目腳在其兩端結節(jié)處通過鉸鏈鉸接而成，整個網(wǎng)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(wǎng)片的三維數(shù)學力學模型(3DNNM：3D。 Numerical Netting Model)。由于模型中對網(wǎng)線的應力和應變關系采用非線性關系以及網(wǎng)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(wǎng)片上各節(jié)點的坐標(形狀)、各網(wǎng)線單元的張力值以及網(wǎng)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(wǎng)片、圓柱網(wǎng)片、圓臺

5、網(wǎng)片和圓錐網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)衣的相關計算、采用田內(nèi)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(xiàn)相比田內(nèi)準則，用重力相似準則得出的圓柱網(wǎng)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(wǎng)片變形時，本論文還可以比較精確計算變形后的圓柱網(wǎng)片的體積：根據(jù)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(wǎng)片的三維實體模型，然后再利用Solidworks軟件的“質(zhì)量特性”工具就可以比較精確的計算不同流速時的圓柱網(wǎng)片(網(wǎng)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(wǎng)衣橫剖面圖和縱剖面圖，直觀的比較對應不同流速時的網(wǎng)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(wǎng)箱的圓柱形網(wǎng)囊尺寸，計算和分析了不同流速時網(wǎng)箱網(wǎng)囊的形狀、阻力和容積損失率，供設計和使用網(wǎng)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(wǎng)片或網(wǎng)具可以采用剛化處理，利用有限元等理論，建立網(wǎng)片的三維力學數(shù)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(wǎng)具構件和組合體的形狀和張力大小和分布。 2．平面網(wǎng)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(wǎng)片的三維變形圖。分析表明，在水流作用下的平面網(wǎng)片不再保持平面，而出現(xiàn)拱度。隨流速的增加，網(wǎng)片拱度增大，隨d/a的增加，網(wǎng)片拱度呈非線性減小。對1m×1m的單位面積網(wǎng)片，經(jīng)理論計算，其拱度在5％的量級上，而且由于網(wǎng)線

9、的延展性和網(wǎng)片結節(jié)在受力后會收緊造成網(wǎng)片的伸長，實際網(wǎng)片的拱度會更大，所以在計算平面網(wǎng)片阻力時，如有可能，應盡量考慮到網(wǎng)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(wǎng)片上張力的分布：在水流作用下，網(wǎng)片最中間“十”字形的幾條網(wǎng)線單元的張力最大，越靠近邊緣，單元張力越小。 3．圓柱形網(wǎng)片分析和實驗 (1)分析表明，作用在圓柱形網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)片迎流面的最前端會出現(xiàn)較光順的一個尖角。無論是數(shù)字模型計算，還是實驗的照片都顯示了尖角的出現(xiàn)。 (3)隨吊重的增加，網(wǎng)片阻力呈非線性增加。吊重越重，網(wǎng)片沿水流方向的位移越小，網(wǎng)片橫截面的變形減輕。隨著吊重的增加，雖然網(wǎng)衣的變形減小，圓柱形網(wǎng)衣的體積損失降低，但網(wǎng)線單元的張力增大，網(wǎng)片的水動力以及網(wǎng)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(wǎng)片水動力學性質(zhì)研究：通過模型試驗與理論計算結果的比較，發(fā)現(xiàn)對所試驗的平面和圓柱網(wǎng)片(網(wǎng)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(jīng)不再單純代表光滑圓柱體垂直水流時的阻力系數(shù)，而是一個反映了網(wǎng)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(shù)。而3DNNM模型的優(yōu)點就是能夠根據(jù)試驗結果反算出針對不同網(wǎng)衣尺寸、不同流速、不同吊重等情況

12、下的綜合阻力系數(shù)C<,N90>。 5．模型試驗準則的研究：根據(jù)試驗結果，借助3DNNM模型分析后，發(fā)現(xiàn)在進行圓柱形網(wǎng)片以及網(wǎng)箱的動水槽試驗時，采用重力相似準則要比采用田內(nèi)準則得出的結果更接近實際值。 6．3DNNM模型在重力式網(wǎng)箱中的應用：可以計算出網(wǎng)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(wǎng)箱的體積。考察圓柱網(wǎng)箱的體積損失，當流速從0.2m/s變化到0.4m/s時，

13、網(wǎng)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(wǎng)箱的體積損失達到40％，由于理論計算的網(wǎng)片變形相對實際偏小，所以實際上的網(wǎng)衣體積損失更大。此結果可以作為選擇網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的參考之一。 7．其他應用實例：圓臺形網(wǎng)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(wǎng)片最下面一條網(wǎng)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(wǎng)片時，該網(wǎng)線張力降為最小。 研

14、究表明，對平衡狀態(tài)下的柔性網(wǎng)具采用剛化和無摩擦鉸接等處理所建立的數(shù)值模型，可以合理地反映網(wǎng)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(wǎng)線、綱索等的水動力學性質(zhì)，獲得綜合水動力學系數(shù)。此外，利用網(wǎng)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(wǎng)具基本構件(平面、矩形箱體形、圓柱形、圓臺形、圓錐形等)的數(shù)學力學模型，為進一步進行漁具數(shù)值模型研究提供了