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一种网箱耐流特性的有限元分析方法

发布于:2016-03-09 18:53
有限元分析

      近十年来,快速发展的海水网箱养殖业在满足人们对水产品的需求上发挥了积极的作用,成为海洋渔业一个新的经济增长点。但是,由于网箱养殖缺乏规划和养殖网箱本身抗风浪能力和耐流特性差等原因,大多只能设置在风浪相对较小的内湾,致使近海海域网箱设置密度过大,导致水体自净能力下降、鱼类品质和产量下降。为此,将网箱养殖业由内湾、近海向外海或深海发展已成为一种必然选择。然而,由于外海水域的海况复杂,海流流速和风浪大等原因,对网箱的水动力特性进行有限元分析和研究显得尤为必要。通常的研究方法有模型实验、海上实测和数值模拟。
      养殖网箱耐流特性是网箱工程设计中的重要问题之一,探求对这一问题的数值解法在近几年得到了空前的重视。但是,由于深水抗风浪网箱箱体规模大,如果在有限元分析中单纯以网衣网目脚为单元进行数值计算,往往因其计算量巨大而难以实现。在拖网形状与张力的数值计算中提出了网目群化(mesh group)的概念,即根据实际需要可以将1个虚拟的“计算网目”代替一定数量的实际网目,从而减少拖网的计算单元数。Igor Tsukrov提出了等效杆单元的概念,在飞碟型网箱计算中试图以有限个“等效杆单元”替代部分网衣单元(equivalent truss approach to net modeling),以提高计算效率。但是,他们并未就“网目群化”及其对数值计算的影响进行讨论。
      本研究根据网箱承受水动力的特点,提出了通过保持群化前后网衣水中重量和投影面积相等以保证网箱网衣总体水动力相同的原则,将若干个真实网目群化为1个虚拟的计算网目的网箱箱体网目群化方法,以减少计算单元,降低运算成本,节省运算时间。以文献的有限元数值计算模型为基础,通过与实测值之间的计算精度和运算效率的对比分析,探讨了不同流速和配重条件下网目群化数目对计算结果和计算效率的影响。
      在文献中提出了1种基于直线绳索单元的流场中网箱耐流特性的有限元数值计算方法,该方法将构成网箱箱体网衣的网目脚和加强绳索比拟为绝对柔软并且只能承受拉伸张力的直线绳索单元,因此,整个网衣及其绳索系统可以看成是一系列这样的直线绳索单元在其两端结点处通过无摩擦铰接而成的柔性集合体。计算模型假设直线绳索单元的张力仅仅作用于单元的轴线上,并且在单元的整个横截面上为常数,网箱的绳索和网衣的网线材料各向同性,并且符合应力-应变的弹性虎克定律,单元的横截面面积在变形过程中保持不变。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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