2017,
Vol. 26
2. 中国水产科学研究院南海水产研究所, 广东 广州 510300;
3. 农业部南海渔业资源开发利用重点实验室, 广东 广州 510300;
4. 广东省网箱工程技术研究中心, 广东 广州 510300;
5. 国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306;
6. 大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室, 上海 201306;
7. 远洋渔业协同创新中心, 上海 201306;
8. 上海海洋大学 工程学院, 上海 201306
金枪鱼延绳钓作业中，钓钩必须具有足够的刚度与强度[1]。钓钩的形式和尺寸，决定钓钩的渔获性能和上钩率[2]。印度学者EDAPPAZHAM等对7种钓钩进行了拉伸实验，观测钓钩机械变形，结果表明钓钩轴径与抗拉强度呈正相关关系[3]。马骏驰等针对环型钓钩和圆型钓钩利用ANSYS软件进行有限元分析，研究表明圆型钓钩的强度满足使用要求，可在延绳钓渔业中使用[4]。刘海阳等利用万能实验机[5]和数字图像相关测量系统 (Digital Image Correlation，DIC) 点分析方法对环型钓钩和圆型钓钩力学性能进行了测量[6]。仿真模拟技术是科学研究中有效的技术手段之一，仿真模拟可应用到渔具模拟上，用于渔具的设计和优化[1]。宋利明等建议采用ANSYS软件对金枪鱼类钓钩建立3D模型，分析钓钩受力产生的拉伸、断裂等变形情况[1]。但目前关于金枪鱼类钓钩的仿真模拟、受力分析依然较少。起重机吊钩与钓钩结构具有相似性[1]，可参考ANSYS软件分析起重机吊钩的方法[7-8]，利用ANSYS有限元分析方法研究金枪鱼延绳钓钓钩力学性能，但是ANSYS有限元分析方法的准确性还有待验证。本文利用万能实验机[7]和数字图像相关系统全场分析方法对环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 进行拉伸实验，测定其位移、应变来检验ANSYS有限元分析方法的有效性，为进一步研究分析钓钩的力学性能提供有效的方法。
1 材料与方法 1.1 环型钓钩结构及尺寸参照中国国家标准GB 3938—1983[9]、QB/T 2927.1—2007[10]、SC/T 4006—1990[11]及金枪鱼钓钩生产企业术语等，将本文环型钓钩型号命名为3.4-4.5，各部分结构、尺寸[4, 10]见图 1。其中横向：前侧-尖芒方向，后侧-钩基方向；纵向：下侧-钩底方向，上侧-钩基方向。钩前轴与钩后轴中心线偏角为0°。
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图 1 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 结构示意图及其尺寸
Fig. 1 Structure diagram and size of ring hook (Type:3.4-4.5)
1.钩基；2.钩柄；3.钩后轴；4.后弯；5.钩底；6.前弯；7.钩前轴；8.尖芒；9.倒刺；10.钩门；11.钩环内经；12.钩环外径；13.尖高；14.钩长；15.钩基孔内径；16.钩基宽；17.钩轴直径；18.钩基厚度；19.钩宽；20.倒刺角度 1.base; 2.hilt; 3.rear axle; 4.back bend; 5.bottom; 6.front bend; 7.front axle; 8.tip mans; 9.barb; 10.gape; 11.ring inner diameter; 12.ring outer diameter; 13.bite; 14.total length; 15.inner diameter of hook eye; 16. hook eye width; 17.axis diameter; 18. hook eye thickness; 19.hook width; 20. barb angle |
采用WDW-100微机控制电子万能实验机和数字图像相关测量系统进行钓钩拉伸实验。参照金属材料室温拉伸实验方法GB/T 228—2002[12]及金属超塑性材料拉伸性能测定方法GB/T 24172—2009[13]对钓钩进行拉伸实验。DIC系统主要包括图像采集系统和数字图像相关分析系统，主要采集实验中钓钩的图像并对钓钩表面灰度图进行分析、计算处理、自动获得全场分析的位移和应变信息。实验方法：(1) 对钓钩进行哑光喷漆处理，使钓钩表面产生均匀的灰度散斑；(2) 用合适的钢丝绳分别固定好钓钩的上下两端，调整周围环境的亮度，减小测量误差[14]；(3) 实验前设定万能实验机参数，按照设计速度 (15 mm/min) 匀速拉伸，测定拉力实时变化梯度过程，以保证小型试样拉伸实验稳定性；(4) 使用CCD或CMOS相机对钓钩变形过程以0.3 s/张的速度连续拍摄[15]；(5) 将钓钩拉伸至明显变形且拉伸实验时间与DIC系统拍摄照片帧数相配合，为30 s；(6) 应用傅里叶光学理论在散斑干涉中对散斑图进行分析和观察照相机拍摄得到的与全息干涉图条纹相类似的位移分量等值线，称为全场分析[16]。根据有限元平滑法、最小二乘法和Newton-Raphson迭代法微观尺度测量全场分析选定区域的应变和位移 (图 2a)[17]。
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图 2 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) ANSYS模拟
Fig. 2 Ring hook (Type:3.4-4.5) ANSYS simulation
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ANSYS模拟测定环型钓钩的应变和位移[18]。
(1) 根据环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 的结构尺寸 (图 1)。在Unigraphics NX内构建三维实体模型，见图 2b。
(2) 将连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度进行求解，钓钩网格单元尺寸越小，越接近真实值。故将Unigraphics NX模型导入ANSYS Workbench进行不同区域网格划分，钩前轴-钩后轴约为圆柱形区域，划分单元尺寸为0.6 mm×0.6 mm的方形网格。尖芒约为圆锥不规则区域，细划单元尺寸为0.3 mm的三角形网格。钩基为非重点研究区域，划分单元尺寸1 mm的自动网格。节点数22 466个，单元数6 421个，见图 2c。
(3) 钩底B区域施加负Y方向拉力，钩基孔内面A区域施加Y、Z方向位移为零的约束，X方向无约束，以符合钓钩拉伸实验受力、约束情况，见图 2d。
1.4 对比分析 1.4.1 正态性检验使用Shapiro-Wilk正态检验方法 (W检验)[19]，分别检验环型钓钩拉伸实验与ANSYS模拟结果是否符合正态分布。
式中：Wi为W检验统计量，拉伸实验：i=1；ANSYS模拟：i=2。
1.4.2 方差齐性检验利用Bartlett检验[19]，检验不同拉力水平的拉伸实验与ANSYS模拟结果方差是否相等。
1.4.3 方差分析若环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验与ANSYS模拟结果满足正态假设和方差齐性假设，则可进行单因素方差分析[20]，并检验是否存在显著性差异。
1.4.4 钓钩拉力-位移弹塑性阶段非线性方程拟合采用下列方法对钓钩拉力-位移弹塑性阶段非线性方程进行拟合：
(2)
式中：Ti为拉力；Di为位移，X方向: i=1, Y方向: i=2, 总位移: i=3；k1和k22为回归系数。
1.4.5 钓钩拉力-应变弹塑性阶段非线性方程拟合采用下列方法对钓钩拉力-应变弹塑性阶段非线性方程进行拟合：
(3)
式中：T为拉力；S为应变；k3和k4为回归系数。
1.4.6 总位移总位移为X和Y方向位移的合成，见下式：
(4)
式中：D3为总位移；D1为X方向位移；D2为Y方向位移。
1.4.7 一元线性回归环型钓钩拉伸实验与ANSYS模拟得出的位移、应变回归方程形式如下[21]：
(5)
式中：yj为拉伸实验值；kj为拟合系数；xj为ANSYS模拟值；分析位移时，x方向位移：j=1，y方向位移：j=2，总位移：j=3；分析应变时，j=4。
1.4.8 Pearson相关系数用Pearson相关系数[22]度量拉伸实验与ANSYS模拟结果的线性关系：
(6)
式中：r为Pearson相关系数；x为ANSYS模拟值；y为拉伸实验值。
2 结果 2.1 拉伸实验与ANSYS模拟结果环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验与ANSYS模拟位移、应变结果见表 1。拉伸实验位移、应变与拉力之间的关系见图 3。
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表 1 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验和ANSYS模拟位移、应变汇总表 Tab.1 The displacement, strain summary table of tensile test and ANSYS simulation of ring hook 3.4-4.5 |
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图 3 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验结果与拉力之间的关系
Fig. 3 Displacement, strain and tension curve of ring hook (Type:3.4-4.5) tensile test
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由图 3得，拉力-位移、拉力-应变拟合结果为
(7)
(8)
(9)
(10)
由图 3、式7~10得，环型钓钩Y方向位移为负方向，X方向为正方向，Y方向位移绝对值大于X方向，且Y方向应变大于X方向。当0 N < T < 1 200 N时，环型钓钩拉力-位移为二次函数关系、拉力-应变为对数函数关系，曲线斜率皆随拉力增大而减小。即拉伸实验初期环型钓钩刚度较大，抗拉性能较强；拉伸实验过程中，其刚度、强度等力学性能显著下降。
2.2 拉伸实验与ANSYS模拟方差分析 2.2.1 正态性检验由Shapiro-Wilk正态检验W1=0.96，P1=0.395 > 0.05；W2=0.97，P2=0.462 > 0.05，结果表明，拉伸实验与ANSYS模拟结果均符合正态分布。
2.2.2 方差齐性检验由Bartlett检验得Bartlet’s K-squared=0.691，df=1，P=0.406 > 0.05，结果表明，拉伸实验与ANSYS模拟结果在不同拉力水平下是等方差的。
2.2.3 方差分析对环型钓钩拉伸实验与ANSYS模拟结果进行单因素方差分析，F=0.059，P=0.81 > 0.05，即拉伸实验与ANSYS模拟结果无显著性差异。
2.3 拉伸实验与ANSYS模拟线性回归 2.3.1 回归曲线拉伸实验与ANSYS模拟数据采用一元线性回归的方法拟合，拟合结果见图 4。
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图 4 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验与ANSYS模拟拟合曲线
Fig. 4 The fitting curve between tensile test and ANSYS simulation of ring hook (Type:3.4-4.5)
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由图 4得回归方程如下：
(11)
(12)
(13)
(14)
环型钓钩拉伸实验与ANSYS模拟位移、应变之间Pearson相关系数检验结果见表 2。
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表 2 环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 拉伸实验与ANSYS模拟相关系数检验 Tab.2 The correlation coefficients test obtained from tensile test and ANSYS simulation for ring hook (Type:3.4-4.5) |
由表 2得P < 0.05，表明拉伸实验与ANSYS模拟结果之间的线性关系显著。
3 讨论 3.1 拉伸实验分析钩环与钩底分别为受力点，导致钩后弯区域受力较大。而尖芒无约束，导致钩前弯区域受力较小，但钢丝绳受拉力作用后，会滑向前侧，为触发性的瞬态过程，继而影响环型钓钩后续的形变轨迹，导致钩前弯、钩前轴位移较大。万能实验机以15 mm/min匀速拉伸，环型钓钩受钢丝绳的拉力加大过程中，应力集中区域随时间变化[23-24]，环型钓钩由弹性变形转为塑性变形，继而破坏失效[25]。
环型钓钩受力形式类似于拉压杆模型[26]，即作用于环型钓钩的拉力作用线与轴线重合，故环型钓钩产生轴向拉伸，但由于环型钓钩结构的特殊性和复杂性，位移、应变为纵向、横向的合成。
3.2 拉伸实验与ANSYS模拟对比分析拉伸实验全场分析对拍摄的环型钓钩拉伸实验图片质量要求较高，运算量较大，适用于钓钩小变形测量[27]，且内置自检系统，此非接触测量不易失效，为环型钓钩力学性能研究提供可靠的分析方法，可作为检验ANSYS模拟结果的依据。全场云图主要用于分析环型钓钩重点区域，即测量钩底至钩后轴等区域，分析结果从云图读取，直观地展现了环型钓钩不同阶段的受力分布情况。
由于建立的数值分析模型都有各自的假设条件，ANSYS模拟中涉及的现实因素复杂多变，其受力、约束也相当复杂，都需要不同程度地简化模型中的参数，会影响模拟的精度。环型钓钩ANSYS模拟精度主要取决于Unigraphics NX模型精度、施加载荷和约束的准确度。
由表 1得，拉伸实验与ANSYS模拟结果中，钩后弯至钩前轴区域，分别为最易破坏区域至最大变形区域，与起重机吊钩有限元分析得出的最大位移、应变区域相同[28-29]。钩后弯至钩前轴区域为钓钩结构优化、设计高抗变钓钩及提高钓钩工作寿命的重点研究区域[30]。
ANSYS模拟可对环型钓钩任意区域进行研究，可对钓钩优化设计提供方案，今后可利用ANSYS模拟研究钓钩的力学性能[31]，可丰富渔具的研究方法[32]，减少实验时间和材料消耗，提高研究效率。
3.3 拉伸实验与ANSYS模拟的拟合系数分析拉伸实验影响因素主要包括环型钓钩表面散斑灰度处理及DIC系统拍摄采光处理等。ANSYS模拟考虑主要实验条件，简化加载模型，且ANSYS载荷、约束面积大于环型钓钩拉伸实验时与钢丝绳的作用面积，故结果偏低。
ANSYS模拟值略小于拉伸实验值，进行方差分析P > 0.05，两者无显著性差异。两种方法位移、应变成正比例关系，乘以拟合系数可以提高ANSYS模拟精度，本文根据环型钓钩 (型号：3.4-4.5) 位移、应变数据得出拟合系数1 < r < 1.1，可为其他型号金枪鱼类钓钩ANSYS模拟确定拟合系数提供参考。
3.4 数字图像相关系统精度分析DIC系统测量精度主要受载荷系统、成像系统及相关算法影响[33]。相关运算精度主要由图像质量、插值精度和数据处理精度决定[34]。在钓钩表面喷涂亚光黑漆涂料，形成人工散斑精细结构[35]。DIC拍摄钓钩拉伸实验过程，利用变形前后图像 (目标图像) 的散斑灰度特征，建立起对应关系，当前点计算得到的位移和应变值作为下一个点的初始值[34]，通过跟踪钓钩平面点对间的长度变化计算位移场，并利用差分法计算应变场[33]。在参考散斑图中以 (x, y) 为中心，选取大小为 (2Nx+1)×(2Ny+1) 的计算窗口A，然后与目标散斑图中以搜索范围内的一像素为中心，大小为 (2Nz+1)×(2Ny+1) 的计算窗口B进行相关运算，得到两点间相关系数值，皆大于0.95，满足精度要求，且可测量从微米到米范围内钓钩变形的位移、应变[35]。>
3.5 展望通过参考其他工程设计等领域力学实验、有限元分析的应用情况，并结合金枪鱼钓钩力学性能研究现状，今后可采用ANSYS模拟对有关金枪鱼类钓钩的下列问题进行分析研究：
(1) 对不同材料的金枪鱼类钓钩的弯曲、扭转、剪切、冲击等材料力学性能进行研究，对钓钩受力过程中应力和变形进行量化分析，对有关参数进行调试，推测参数变动带来的影响，确定钓钩的材料和最佳设计方案。
(2) 采用双摄像机数字图像法研究5°、10°、15°等偏角的钓钩三维力学性能。
(3) 根据金枪鱼等咬钩后的冲击力、挣扎力等，对金枪鱼类嘴型、延绳钓支绳、海流与钓钩之间的相互作用机理进行力学分析，进一步模拟钓钩在海上的实际作业状态。
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4. Guangdong Cage Engineering Research Center, Guangzhou 510300, Guangdong, China;
5. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai 201306, China;
6. The Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai 201306, China;
7. Collaborative Innovation Center for Distant-water Fisheries, Shanghai 201306, China;
8. College of Engineering science and technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China