基于最小势能原理的延绳钓渔具作业状态数值模拟

基于有限元理论及最小势能原理,以2008年9月到2009年1月海上实测的188枚钓钩的深度、24个站点不同深度的三维海流数据、渔具参数和作业参数为基础,建立并验证了延绳钓三维最小势能模型。结果表明:(1)建立的延绳钓最小势能模型可以计算得出任何三维分层海流作用下延绳钓的三维形状和钓钩的深度,大部分钓钩的实测深度与数学模型数值深度之间的差别不大,其平均差值为12.03 m,差值范围为0.02～40.36 m(方差S2=100.30,标准差S=10.01,n=188),通过成对双样本均值分析,实测深度与数值深度无显著性差异(P>0.05);(2)延绳钓渔具的干线在海水中稳定后并不是呈平滑的悬链线,而是波浪形的曲线;(3)圆柱体轴线与流向垂直时的阻力系数(CN90)取值对于数值模拟的结果有一定的影响,CN90值的选取与研究对象的雷诺数有关。延绳钓最小势能数值模型能够有效模拟并预测延绳钓在不同深度的三维海流作用下的形状、钓钩深度并达到可视化。     

深水网箱的分类及性能

探讨了深水网箱的分类方法，选择网箱的工作方式、结构特点、框架柔性、框架材料等对深水网箱进行分类。对17种典型的大型深水网箱的结构特性、力学特性、抗风浪能力等进行了分析。结果表明，按工作方式的分类中，浮式网箱的品种最多，占52．9％；按网箱力学结构分类中，重力式和自张式网箱较多，分别占52．9％和41．2％；按框架材料柔性分类中，柔性框架和刚性框架各占一半；按框架材质分类中，金属网箱居多数，达52．9％。其中，浮式重力式网箱结构简单，成本较低，操作管理方便，应用较广。但它在强水流作用下，网衣水平漂移严重，网箱容积损失率高，而加载保持网型的同时，会使网衣承受的张力增加，容易造成网衣撕破，因此，在流速较大海域中，该网箱的使用受到限制。自张式刚性网箱具有稳固的操作平台，易于实现自动化，同时，框架承受了相当的载荷，网衣受力和网型相对稳定，在新材料、新工艺的支持下，该类结构的抗风浪网箱具有较大发展潜力。     

基于有限元分析的金枪鱼延绳钓钓钩力学性能研究

掌握金枪鱼延绳钓钓钩的应力、变形等力学性能有利于改进钓钩设计和正确选用材料。实验针对生产实际中常用的2种钓钩(环形钩和圆形钩)进行三维实体建模,利用ANSYS软件对其进行有限元分析,获得钓钩的等效应力、变形的分布模式和可能的破坏条件及形式;由同尺寸和同结构钓钩的拉伸实验结果验证了数值分析得到的最大应力和变形结果,并根据数值分析的结果对钓钩进行了结构优化分析。结果显示:(1)同规格环形钩的抗拉强度优于圆形钩15.80%~29.40%,环形钩X、Y轴最大变形率比圆形钩分别小3.00%和0.21%;(2)钓钩的主要受力区域在后弯处(承受83.00%~86.00%的应力),轴头孔下端存在应力集中;(3)对后弯、前弯表面进行压扁处理(压下率为15.00%),适当增加钓钩后弯的圆弧曲率(曲率半径由14 mm增至16 mm)、钩轴采用圆弧过渡等措施,可提升钓钩强度4.60%~10.80%。研究表明,圆形钩是良好的生态保护型钓钩,强度满足使用要求,可在延绳钓渔业中使用。     

气力提升泵性能影响因子的初步试验

气力提升泵的水输送量反映了提升管进口的流速情况,而进口流速是衡量吸鱼效果的重要因素。以水槽试验的方法研究了不同因子对水输送性能的影响,共测试了使用6种平板孔喷嘴、2种环状孔喷嘴、5种潜水比3、种喷嘴水下潜没深度和3种管径的水输送量数据,并进行了活鱼抽吸试验。分析结果表明,D2和D3平板孔喷嘴由于合理的孔分散程度而相对提高了水输送量,但与其它喷嘴差异不显著。具备理想的气泡尺寸和分散程度的D6环状孔喷嘴获得了最佳的水输送性能。增加潜水比和喷嘴水下潜没深度或减小提升管管径对水输送性能的提高有决定性影响。当集鱼装置始终维持高鱼水比例时,气力提升泵具有较好的活鱼抽吸能力。     

不同张纲连接系统对碟形网箱浮环安全性能影响的分析

以碟形网箱浮环上的法兰所承受的剪应力来衡量浮环的安全性能。指出了法兰最危险的受剪情况,通过对网箱的力学分析和计算,分别得出单张纲和双张纲连接系统中法兰所受剪应力的理论计算公式。对目前应用的12边形碟形网箱进行了计算,得出法兰两端面所受剪应力在单张纲连接系统中同为5.74×107N/m2,在双张纲连接系统中(γ=45°)则分别为4.82×107N/m2和7.50×106N/m2,相比单张纲连接系统减小了16%和87%,从而说明了双张纲连接方式的优点。讨论结果表明,在双张纲连接系统中,12边形碟形网箱的γ应在0°-60°间选择为宜,且当γ=26°时,浮环的安全性能达到最佳。建议将常用的单张纲连接系统改进为双张纲式,以提高网箱的抗风浪性能。     

深水网箱的分类及性能

探讨了深水网箱的分类方法，选择网箱的工作方式、结构特点、框架柔性、框架材料等对深水网箱进行分类。对17种典型的大型深水网箱的结构特性、力学特性、抗风浪能力等进行了分析。结果表明，按工作方式的分类中，浮式网箱的品种最多，占52．9％；按网箱力学结构分类中，重力式和自张式网箱较多，分别占52．9％和41．2％；按框架材料柔性分类中，柔性框架和刚性框架各占一半；按框架材质分类中，金属网箱居多数，达52．9％。其中，浮式重力式网箱结构简单，成本较低，操作管理方便，应用较广。但它在强水流作用下，网衣水平漂移严重，网箱容积损失率高，而加载保持网型的同时，会使网衣承受的张力增加，容易造成网衣撕破，因此，在流速较大海域中，该网箱的使用受到限制。自张式刚性网箱具有稳固的操作平台，易于实现自动化，同时，框架承受了相当的载荷，网衣受力和网型相对稳定，在新材料、新工艺的支持下，该类结构的抗风浪网箱具有较大发展潜力。     

排水辅助减压型真空式鱼泵研究

在分析国内真空式鱼泵样机现有不足的基础上，运用增大真空容积制造负压的原理，试制了抽气、排水相结合减压的改进型鱼泵样机。程序计算及鱼泵样机抽吸活鱼试验结果均表明，虽然真空泵抽气效率不稳定，导致真空罐内压强的实际曲线出现一定波动，但实测曲线与理论曲线趋势基本一致。水泵开启前后罐满时间增加约10s，吸鱼管流速有显著提高，水泵排水对辅助真空泵减压、延长抽吸时间和减小设备体积等均有积极作用。预抽压强为2mH2O时能获得较4mH2O时更短的罐满时间和更高的吸入流速。以150—180mm的鲫鱼为抽吸对象，罐内初压为4mH2O时，20s内可抽上13kg鱼，预计样机1hr内可抽吸约2t的成品鱼。     

环型钓钩拉伸实验与ANSYS模拟的对比研究

为了解金枪鱼延绳钓钓钩的力学性能及验证ANSYS有限元分析方法的准确性,本文对环型钓钩(型号:3.4-4.5)进行拉伸实验和ANSYS模拟分析,并利用方差分析对其结果进行检验。研究表明:(1)两种方法得出的环型钓钩位移、应变等力学性能无显著性差异(P0.05),且最大应变为钩后弯及后侧,最大总位移为钩前弯及后侧,X方向最大位移为钩底及后弯,Y方向最大位移为钩前弯及后侧;(2)拉伸实验拉力为500、800和1 200 N时,钓钩的应变分别为0.002 76、0.008 14和0.069 94,X方向位移分别为1.8、3.5和7.2 mm,Y方向位移分别为-2.4、-4.6和-8.7 mm,总位移分别为2.8、5.4和10.6 mm;(3)ANSYS模拟与拉伸实验结果之间存在线性关系,拉伸实验得出的总位移、X、Y方向位移和应变分别为ANSYS模拟结果的1.0189、1.0272、1.019 5和1.088 3倍。建议今后可利用ANSYS有限元分析方法研究金枪鱼延绳钓钓钩的力学性能。     

环型和圆型钓钩的力学性能

为了在我国金枪鱼延绳钓渔业中推广应用圆型钓钩,必须掌握圆型钓钩、环型钓钩受力时的位移和应变等力学性能。实验对环型钓钩3.4~4.5和圆型钓钩14/0~4.5采用万能实验机进行拉伸实验,利用数字图像相关测试系统对实验过程中钓钩的位移、应变等进行动态测量。结果显示:(1)当拉力为0~500 N、500~800 N时,圆型钩14/0~4.5最大应变分别为0.012、0.018,环型钩3.4~4.5最大应变分别为0.010、0.025;(2)当拉力为0~500 N、500~800 N时,圆型钩14/0~4.5最大位移分别为5.16 mm、8.50 mm,环型钩3.4~4.5最大位移分别为4.36 mm、6.01 mm。环型钓钩3.4~4.5为4.36 mm。对环型钓钩3.4~4.5和圆型钓钩14/0~4.5应变、位移进行卡方检验,发现环型钓钩3.4~4.5、圆型钓钩14/0~4.5力学性能无显著性差异。研究建议今后在金枪鱼延绳钓渔业中推广应用圆型钓钩。     

排水辅助减压型真空式鱼泵研究

在分析国内真空式鱼泵样机现有不足的基础上，运用增大真空容积制造负压的原理，试制了抽气、排水相结合减压的改进型鱼泵样机。程序计算及鱼泵样机抽吸活鱼试验结果均表明，虽然真空泵抽气效率不稳定，导致真空罐内压强的实际曲线出现一定波动，但实测曲线与理论曲线趋势基本一致。水泵开启前后罐满时间增加约10s，吸鱼管流速有显著提高，水泵排水对辅助真空泵减压、延长抽吸时间和减小设备体积等均有积极作用。预抽压强为2mH2O时能获得较4mH2O时更短的罐满时间和更高的吸入流速。以150—180mm的鲫鱼为抽吸对象，罐内初压为4mH2O时，20s内可抽上13kg鱼，预计样机1hr内可抽吸约2t的成品鱼。