金枪鱼延绳钓渔具动力学模拟

论文摘要

延绳钓主要由大量的柔性体,如干线、支线和浮子绳,以及钓钩、转环等构件组成。当作用在钓具上的外力变动时,其柔性体的空间形状以及构件的空间位置都会发生变化。反过来,形状和它们在空间的位置变化,又会使延绳钓各部分所受到的载荷大小和分布发生变化,包括钓钩所处的水层也会随之变化。延绳钓渔具是一种形状和载荷相互关联影响大的渔具。由于钓钩所处的水层直接与捕捞对象的栖息水层有关,如何正确地控制钓钩的深度成为保证延绳钓渔法的效率和捕捞选择性的关键。延绳钓渔具钓钩所能到达的深度受到渔具结构、渔具材料、作业参数及海况等因子的影响。其中,渔具系统及其构件周围的流态、构件上承受的水动力、材料和比重等物理参数对钓具的空间形状和钓钩所处的深度影响较大。随计算机技术发展,处理大量数据资料的能力提升,有可能对复杂的力学系统进行数值计算。通过建立渔具系统的动力学模型,从数值模拟角度获得延绳钓钓具在不同工况下的空间形状和载荷分布,了解和预测延绳钓渔具的作业状态,通过控制和调整使钓钩到达预期的捕捞对象的栖息水层,提高目标鱼种渔获量、减少兼捕。从另一角度看,按照“捕捞效率高意味渔具处于捕捞对象适宜的栖息水域,而且对捕捞对象的习性和行为的适应性好”的假设,可以由捕捞效率的高低来推测鱼类的分布和栖息环境等参数。而通过渔具的数学力学模型,进行数值分析所获得的参数,将作为改进渔具渔法的依据,故开展渔具力学模型的研究具有理论意义和实用价值。延绳钓钓具是由浮子绳、干线和支线等将浮子和钓钩等连接组成。该系统可以视为不承受扭矩和挤压力、仅承受拉力的柔性线系统。本文以有限元理论为基础,将延绳钓钓具系统离散化,由大量仅有轴向拉力的杆单元组成;杆单元与杆单元之间为无摩擦铰链联接;各杆单元受到的水动力、重力和浮力等将被平均分配至杆单元的两个节点;集中载荷按力的特性作用在相应的位置上;采用动力学方法,分析各节点的运动。对各节点列出一系列动力学方程组,建立金枪鱼延绳钓渔具三维动力学模型,利用隐式欧拉法对上述二阶微分方程进行求解,并利用R语言软件对建立的模型进行编程计算。为了验证和完善所建立的渔具动力学模型,进行了海上实测和数据采集。本文采用2009年10月到2010年1月,大滚筒冰鲜金枪鱼延绳钓渔船“深联成719号”,在太平洋中西部的基里巴斯海域（1o01′S-5o01′N,169o52′E-176o42′E）的实测数据,包括渔具参数、作业参数、钓钩深度（116枚钓钩）及三维海流数据等。利用SPSS软件对模型计算所得钓钩深度与实测钓钩的深度数据进行了比较和t-检验,另外,分析在实测数据下系统由初始值到稳定状态的过程中,特殊节点的运动和张力分布。本文所建立的延绳钓渔具系统动力学模型可以用来计算获得在各种三维海流（X、Y和Z方向海流为非恒定流）下,各节点运动速度、节点张力、延绳钓空间形状的变化情况,以及两个主节点张力。而与节点所受的内力（张力）相比,其所受到的水动力及重力很小,所以本文以节点张力为直接研究对象。由于三维海流的变化对延绳钓钓钩系统的空间形状的影响较大,本文采用单因子变动分析法,即假设三维海流中的一个分量处于合理的范围内变化,而其他参数假定为固定值,由此分析此变化的分量对节点运动速度、拉力以及空间位置的影响情况。分析计算结果表明:（1）CN90的大小与研究对象和流态等均有关,本文将各种假定数值的CN90输入延绳钓渔具静力学模型,计算得到的模拟深度,与2009年的实测钓钩深度（85枚）数据对比分析,结果表明:当CN90为1.12时,模型计算的结果与实测结果最为相符,精度最高。由此,本文建议延绳钓柔性线系统综合的水动力学系数CN90可采用1.12;（2）该模型适用于不同的海况下,包括不同水层海流方向各异的三维海流作用下,分析计算延绳钓渔具的三维空间形状、钓钩所处的空间位置和深度、以及关键部件的受力状态;（3）对标准悬链线公式计算而得的钓钩深度与日本吉原有吉的钓钩深度计算公式得到的结果的双样本均值分析,t-检验结果表明,这两种方法得到的钓钩深度无显著性差异（P=0.90 > 0.05）,因此本文建议这两种方法都可以,而且仅适用计算没有海流作用情况下的延绳钓钓钩深度。本文中选取日本吉原有吉计算公式计算值作为本数学力学模型各节点的初始值;（4）对钓钩实测深度与数值模型计算深度的双样本均值分析,t-检验结果表明,两钓钩深度无显著性差异（P=0.17 > 0.05）,而且数值计算钓钩深度明显要比不考虑海流作用的计算公式的钓钩深度要浅,这表明海流使钓钩的深度变浅;（5）本文用单因子变动分析法,发现三维海流中,X和Y向的海流对主节点拉力和延绳钓空间形状变化影响较大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 引言
• 1.1 影响钓钩深度的因子
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 海上实测法
• 1.2.2 力学分析法
• 1.2.3 数值计算与模型实验
• 1.3 有限元理论和R 语言简介
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 研究框架
• 1.6 研究目的、意义
• 2. 材料和方法
• 2.1 海上实测
• 2.1.1 调查船
• 2.1.2 调查时间、调查海区
• 2.1.3 渔具与渔法
• 2.1.4 调查仪器
• 2.1.5 调查方法及内容
• 2.2 动力学数值模拟模型的建立及验证
• 2.2.1 有限元基本假设
• 2.2.2 坐标系统的建立
• 2.2.3 延绳钓钓具各节点初始位值的确定
• 2.2.4 基于有限元理论的动力学方程建立
• N90的确定'>2.2.5 水动力系数 C_N90的确定
• 2.2.6 方程求解
• 2.2.7 模型模拟钓钩深度与实测钩深的比较
• 2.3 延绳钓系统空间位置及力学状态分析
• 3. 结果
• 3.1 各节点初始值的确定
• N90的确定'>3.2 钓线水动力系数C_N90的确定
• 3.3 动力学模型数值模拟结果
• 3.3.1 节点的运动
• 3.3.2 节点张力
• 3.3.3 延绳钓的空间形状
• 3.3.4 模型模拟深度与实测深度的比较验证
• 3.4 均匀海流下的空间运动及受力
• 3.4.1 X 方向海流对延绳钓空间运动及受力的影响
• 3.4.2 Y 方向海流对延绳钓空间运动及受力的影响
• 3.4.3 Z 方向海流对延绳钓空间运动及受力的影响
• 4. 讨论
• 4.1 动力学模型的建立
• 4.1.1 建立延绳钓动力学方程
• 4.1.2 求解延绳钓动力学方程的方法
• 4.2 钓钩深度
• 4.3 延绳钓钓具运动及受力情况分析
• 4.4 数值方法的局限性
• 5 小结
• 5.1 创新之处
• 5.2 本文存在的不足
• 5.3 今后的研究方向
• 参考文献
• 致谢