网片的三维力学模型研究及应用
世界上使用的渔具中，绝大多数是由网片和纲索构成的“网渔具”。对网渔具进行渔具力学研究时的难点是：作用在网具上的外力与网具的形状、网具上载荷分布等密切相关，并且相互影响。如果要使网具具有较高的工作效率，在水中达到或保持设计所要求的形状，就必须了解和掌握网片的形状和张力分布以及它们的相互关系。网渔具的工作环境是在洋面以下几十米以至几千米的水层深处，对网具的生产状况进行现场研究和控制不是一件容易的事情。
渔具模型试验可以方便的对网具进行观察和测量，但试验设施要求较高，投入较大，并且至今在模型试验的准则、模型制作和测量方面存在技术上和材料上的困难。因此进行计算机数值模拟是这一学科领域发展的又一重要途径。本论文试图建立各种基本形状网片单元的数学力学三维模型，并通过动水槽模型试验进行结果验证，本论文将为分析或组合模拟各种渔具的受力和变形提供基础。
在流速恒定的水流作用下，网片经过一系列的位置变化，最终网片上的应力分布和网片各部分的空间位置将达到稳定的平衡状态。也就是说，网片的各根目脚也处于平衡状态。此时，将网片目脚假设成圆柱体状的刚杆，同时考虑到网片的目脚是不能传递压力的柔性网线，故定义刚杆与刚杆之间为无摩擦铰链联接，则构成网衣的任一网目看成是由四个网目脚在其两端结节处通过铰链铰接而成，整个网片可看成许多刚杆通过无摩擦铰链约束连接起来的系统，各个铰链即杆单元的端点(节点)。各杆单元在水流中受到的水动力和重力等均布力将被平均分配至相连的两个节点。集中载荷将按力的特性作用在相应的位置上。对各节点列出一系列力学平衡方程组，由此得到网片的三维数学力学模型(3DNNM：3D。 Numerical Netting Model)。由于模型中对网线的应力和应变关系采用非线性关系以及网线单元的水动力与冲角也为非线性关系等，所得到的方程组是非线性方程组，利用MATIAB优化工具箱进行求解，可以获得网片上各节点的坐标(形状)、各网线单元的张力值以及网片的总阻力。
本研究针对不同的边界条件，利用3DNNM分别对四边固定平面网片、圆柱网片、圆台网片和圆锥网片等进行了水动力和变形的分析，并将此理论结果与相应的动水槽模型试验结果进行比较和分析。通过对流速与阻力、吊重与阻力、流速与位移、流速与网形等等方面的比较可知，3DNNM模型的计算结果还是可以接受的。在分析圆柱网片模型的动水槽试验结果时，利用所建立的3DNNM模型，分别进行了原形网衣的相关计算、采用田内相似理论的计算和重力相似理论的计算并与实验结果对照，发现相比田内准则，用重力相似准则得出的圆柱网片总阻力以及特征点的水平和垂直位移等方面的理论结果和实验结果吻合较好。
在分析网片变形时，本论文还可以比较精确计算变形后的圆柱网片的体积：根据3DNNM计算出的各节点坐标值，利用Solidworks软件通过放样、填充、缝合等操作，建立起圆柱网片的三维实体模型，然后再利用Solidworks软件的“质量特性”工具就可以比较精确的计算不同流速时的圆柱网片(网箱)的体积值，从而比较其体积损失。另外还可以通过Solidworks软件中的“曲面切除”和“转化实体引用”等命令，得到对应不同流速下的网衣横剖面图和纵剖面图，直观的比较对应不同流速时的网片横截面的变形和轴向高度的变化。
论文的最后，选用在我国广泛使用的重力式网箱的圆柱形网囊尺寸，计算和分析了不同流速时网箱网囊的形状、阻力和容积损失率，供设计和使用网箱时的参考。
总之，论文的主要结论如下：
1．在稳定流中，处于相对稳定状态的网片或网具可以采用刚化处理，利用有限元等理论，建立网片的三维力学数学模型(3DNNM)。该模型利用MATLAB等软件可以简单方便地在设计阶段就计算出平面、圆柱体、圆锥等多种形状的网具构件和组合体的形状和张力大小和分布。
2．平面网片的分析和实验：
(1)采用3DNMM模型，可以计算得出不同水流作用下平面网片的三维变形图。分析表明，在水流作用下的平面网片不再保持平面，而出现拱度。随流速的增加，网片拱度增大，随d/a的增加，网片拱度呈非线性减小。对1m×1m的单位面积网片，经理论计算，其拱度在5％的量级上，而且由于网线的延展性和网片结节在受力后会收紧造成网片的伸长，实际网片的拱度会更大，所以在计算平面网片阻力时，如有可能，应尽量考虑到网片的拱度及其影响。
(2)通过3DNNM模型可以获得四边固定的平面网片上张力的分布：在水流作用下，网片最中间“十”字形的几条网线单元的张力最大，越靠近边缘，单元张力越小。
3．圆柱形网片分析和实验
(1)分析表明，作用在圆柱形网片的水动力与流速成二次曲线关系。
(2)轴线垂直来流的圆柱形网片，变形后横截面不再是圆截面，流速越大，截面变形越严重。在流速为0.6m/s以后，圆柱形网片迎流面的最前端会出现较光顺的一个尖角。无论是数字模型计算，还是实验的照片都显示了尖角的出现。 (3)随吊重的增加，网片阻力呈非线性增加。吊重越重，网片沿水流方向的位移越小，网片横截面的变形减轻。随着吊重的增加，虽然网衣的变形减小，圆柱形网衣的体积损失降低，但网线单元的张力增大，网片的水动力以及网线的最大张力都增加了，这样又带来了强度问题，所以要综合考虑吊重的作用。
4．网片水动力学性质研究：通过模型试验与理论计算结果的比较，发现对所试验的平面和圆柱网片(网线较细，d/a较小)，随流速的增加，需要增大C<,N90>才能使理论和试验结果比较接近。此时，C<,N90>已经不再单纯代表光滑圆柱体垂直水流时的阻力系数，而是一个反映了网线的柔性、延展性、动水槽试验特点等等因素的综合阻力系数。而3DNNM模型的优点就是能够根据试验结果反算出针对不同网衣尺寸、不同流速、不同吊重等情况下的综合阻力系数C<,N90>。
5．模型试验准则的研究：根据试验结果，借助3DNNM模型分析后，发现在进行圆柱形网片以及网箱的动水槽试验时，采用重力相似准则要比采用田内准则得出的结果更接近实际值。
6．3DNNM模型在重力式网箱中的应用：可以计算出网箱上各理论节点的三维坐标，借助工程绘图软件Solidworks，可以比较精确的计算变形后的圆柱网箱的体积。考察圆柱网箱的体积损失，当流速从0.2m/s变化到0.4m/s时，网箱体积有接近五分之一的损失，而当流速增加到0.6m/s时，相对原始体积，网箱的体积损失达到40％，由于理论计算的网片变形相对实际偏小，所以实际上的网衣体积损失更大。此结果可以作为选择网箱养殖海区的参考之一。
7．其他应用实例：圆台形网片在水流作用下迎流面张力大于背流面的张力，当锥角较大时，圆台网片最下面一条网线的张力最大，随锥角的逐渐变小，张力越来越小，当锥角很小接近0度，圆台变成圆柱体网片时，该网线张力降为最小。
研究表明，对平衡状态下的柔性网具采用刚化和无摩擦铰接等处理所建立的数值模型，可以合理地反映网渔具的力学特性和空间形状。结合模型实验或实测，可以研究分析网线、纲索等的水动力学性质，获得综合水动力学系数。此外，利用网目群化和镜像处理等手段、MATLAB和SolidWorks等工具软件有效地解决了大量非线性方程组的求解及其应用。初步获得了网具基本构件(平面、矩形箱体形、圆柱形、圆台形、圆锥形等)的数学力学模型，为进一步进行渔具数值模型研究提供了基础。
网片;三维力学模型;重力式网箱;捕捞技术
上海海洋大学;上海水产大学
博士
捕捞学
周应祺
2007
中文
S971.4
132
2007-11-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）