1材料与方法
1.1钓钩拉伸实验
选取一系列环形钩与圆形钩进行拉伸实验，测试钓钩的结构强度，确定钓钩刚开始出现塑性变形时的拉力值A(精确到0.01kN)。拉力实验机性能参数如表1。实验方法:(1)用钓钩专用夹具分别固定好钓钩的上下两端，并分别挂到拉力机的上下受力点;(2)启动开关，按合适的速度(100mm/min)将钓钩拉伸至完全变形;(3)读出显示器上拉力的数值，记录拉力值A。
1.2钓钩有限元模型的建立
经市场调研，14/0号圆形钩(线径4.5mm)为需求量最大的金枪鱼钓钩，选取3.4寸环形钩(线径4.5mm)作为对照组。钓钩各部位的名称如图1，两种钓钩各部分的尺寸见表2。对两种钓钩运用UG软件建立三维实体模型(图2)。钓钩有限元网格模型的建立钓钩为小型不规则构件，为提高求解效率，在不影响分析结果的前提下，对钓钩的轴头、倒刺、尖芒部位的部分尺寸进行适当简化，如简化尖芒的外形尺寸，倒刺的定位基准等。钓钩材料为马氏体不锈钢Cr13，密度ρ=7750kg/m3，弹性模量E=217GPa，泊松比μ=0.27，抗拉强度1000MPa，屈服强度850MPa［9］。安全系数取1.3，许用应力为650MPa。根据钓钩实体模型及结构力学特性，采用四面体与六面体结合的方法(钓钩是非规则件)对钓钩结构进行自动精细网格(尺寸为0.5mm×0.5mm)划分。综上建立圆形钩和环形钩的有限元网格模型(图3)。钓钩的边界条件与加载方式钓钩在海水中由支绳在轴头孔处拴住，当鱼咬上钩时，锋利的尖芒迅速刺穿鱼体的上颚，伴随鱼体在海水中的剧烈挣扎，鱼体的上颚会沿钓钩的轮廓移动，在此过程中，钓钩主要受鱼体作用力和支绳张力作用。由于支绳属柔性体，钓钩可以绕轴头孔任意转动和移动，因此在有限元分析时轴头孔处可以看作铰链约束。当鱼体的挣扎使支绳和干线绷紧时，支绳、轴头孔和金枪鱼施加于钓钩的咬钩力在同一条直线上，钓钩受到的外力最大，在此位置进行建模，分析钓钩的应力、强度和变形。为了便于计算，假设此时支绳、钓钩以及咬钩力均处于竖直位置。支绳绷紧后，不再考虑支绳的伸长，钓钩在轴头孔处沿竖直方向的位移假设为0。由于鱼体咬钩的随机性，咬钩力的作用点可以在靠近倒刺下方的前弯至钓钩受力张紧时竖直位置最低点间的圆弧AD上(图4)。为了比较咬钩力作用点不同对钓钩强度的影响，确定钓钩产生最大应力时施力点的位置，对该段圆弧均匀选取4个点A、B、C、D(图4)，分别施加相同的载荷，选取产生最大等效应力的点作为后续分析时鱼体施加给钓钩的载荷作用点。
1.3钓钩有限元分析求解
将实验中建立的钓钩网格模型导入有限元分析软件ANSYS中的结构静力分析模块中，通过施加载荷、设置边界条件，然后进行静力学结构分析得到钓钩的等效应力云图和变形云图，从等效应力图中可以看出应力分布规律以及最大应力的大小和位置，标出最大应力以此进行强度分析。受力变形云图可导出总变形云图及沿X、Y、Z方向的变形云图，从变形云图中可看出钓钩各部位的变形程度及变形分布规律、最大变形量的大小及位置，以此来确定变形率。按下列公式计算变形率:δ1=X轴最大变形量/钩宽×100%δ2=Y轴最大变形量/尖高×100%若计算出的变形率超过12%，则钓钩失去使用价值［10］。钓钩在海水中主要受鱼体作用力F和干线张力T作用(将钓钩与支绳部分等效为一点)。鱼上钩后干线张力的大小随鱼体作用力的变化而变化(图5)。
2结果
2.1钓钩的拉伸试验结果
钓钩拉伸试验测得一系列环形钩与圆形钩的拉力值(表3)。通过实验数据对比，可得:(1)钓钩随着线径增大，其能承受的拉力也逐渐增大。说明钓钩线径与强度呈正相关关系。(2)同线径环形钩能承受的最大拉力大于圆形钩15.80%～29.40%，说明环形钩的结构强度要优于圆形钩。(3)通过观察拉伸实验过程，可知钓钩主要的变形区域集中在钩弯处，由于钓钩的材料属于超塑性材料，其伸长率可超过25%，硬度超过159HB［9］，所以钓钩的失效形式主要为变形率过大(超过12%)，钩弯拉平，尖芒外凸，失去使用意义。但实验过程中钓钩未出现断裂。
2.2钓钩有限元分析结果
钓钩施力点位置的确定按照实验加载方案对圆形钩施加拉力650N后得到的计算结果如表4。在A点，也就是假设支绳、钓钩以及咬钩力均处于竖直位置时的最低点。环形钩与圆形钩结果类似。圆形钩有限元分析对圆形钩最低点处施加650N拉力得到等效应力分布云图，(图6)圆形钩的最大等效应力出现在钓钩后弯处，应力分布区域从钓钩钩底一直延伸至轴头处，轴头孔处存在应力集中，等效应力值为620MPa，小于等效应力的最大值。尖芒、倒刺、钓钩前弯及轴头顶端区域受到的应力很小。钓钩后弯内侧受拉应力，外侧受压应力，两侧应力分布相似，圆形钩等效应力最大值为636.68MPa，其值较大，这是由于假设鱼体咬钩力是作用于钓钩最低点的一个集中力，实际作业中，鱼体咬钩力因鱼嘴具有一定宽度，是一个分布力，应力值会较小。此时，钓钩不会变形，这与当拉力是650N时才开始出现塑性变形的结果(表4)较为接近。因此，圆形钩基本满足强度设计要求。最大值在圆形钩后弯圆弧中心偏上处，且应力分布随着后弯应力最大值点向圆弧两侧逐渐减小，最小值在尖芒下端，由此可看出，外载荷主要由圆形钩后弯部分来承担，约占整体应力的86.00%。图7为其总变形云图及沿X、Y、Z方向的变形云图，圆形钩整体变形集中在钩弯处，而鱼体拉力亦主要由钩弯承受，因此钩弯是钓钩的主要受力区域，也是产生变形甚至失效的主要区域。钓钩整体最大变形出现在钓钩前弯外侧。钓钩整体最大变形量，在X、Y和Z轴的最大变形量，X轴和Y轴变形率见表5。由表5得出钓钩的主要变形集中在X轴方向。最大变形率为11.1%，接近12%，基本满足钓钩力学性能设计要求［10］。
2.3环形钩有限元分析
对环形钩于最低点处分别施加650N的拉力得到等效应力分布云图(图8)。在与圆形钩承受相同载荷650N的情况下，环形钩的等效应力最大值为557.25MPa，小于圆形钩。说明环形钩的结构强度优于圆形钩。图9为对其施加850N拉力所得到的等效应力分布云图。在850N的拉力作用下，最大等效应力出现在环形钩后弯圆弧中心偏上处，等效应力最大值为629.94MPa，与钓钩材料的许用应力接近，与实验结果接近，基本满足强度设计要求。应力分布特征与圆形钓钩类似，轴头与钩轴连接处存在应力集中，而尖芒、倒刺、钓钩前弯及钩柄顶端区域几乎不受力。应力分布随着后弯最大值点沿钓钩轴线向轴头、尖芒处逐渐减小，最小值在尖芒下端，由此可看出外载荷主要由环形钩后弯承担，约占整体应力的83.00%。图10为环形钩总变形云图及沿X、Y、Z方向的变形云图，环形钩的变形特征与圆形钩相似，钩弯和钩轴是环形钩整体变形最集中的区域，钩弯是环形钩的主要受力区域，也是产生变形甚至失效的主要区域。钓钩整体最大变形出现在钓钩前弯外侧。钓钩整体最大变形量，在X轴、Y轴和Z轴的最大变形量，X轴和Y轴的最大变形率见表5。由表5可看出环形钩的主要变形集中在X轴方向。最大变形量均未超过12%，基本满足钓钩刚度性能设计要求［10］。有限元分析结果从有限元分析中可以得出:(1)圆形钩与环形钩的力学性能基本满足设计使用要求，在线径相同的条件下，承受相同载荷时，环形钩X、Y轴最大变形率比圆形钩分别小3.00%和0.21%，说明环形钩的强度更高，抗变形能力更强。(2)圆形钩与环形钩的主要受力区域都在钩弯处，分别占86.00%、83.00%，轴头与钩轴连接处皆存在应力集中，最大变形都出现在钓钩前弯外侧，而尖芒、倒刺及钩柄顶端区域受到的力很小，因此钩弯的设计对钓钩整体性能的影响至关重要。(3)14/0号圆形钩可承受的最大拉力为650N，已经超过了50kg大眼金枪鱼所能产生的动拉力(450N)，说明该钓钩已能满足使用要求。但在实际捕捞作业中，可能有更大的渔获，如大眼金枪鱼最大可达138kg，对应的动拉力是1250N，这时，钓钩的强度已经不够，故需增加钓钩的强度或更换更大尺寸的钓钩。
2.4圆形钩的结构优化
优化后的圆形钩有限元分析对圆形钩，其具体优化方案:(1)对钩柄、钩弯进行压扁操作，将其原有的圆形截面压扁成近似于长方形的截面，其压下率(压下量与轧件轧制前的宽度之比)为15%。(2)适当增大钓钩前弯的圆弧曲率，原前弯曲率半径为14mm，现增至16mm。钩轴采用圆弧过渡以避免应力集中。采用与上述分析类似的步骤，按照优化方案，重新对14/0号圆形钩建模，然后导入ANSYS软件进行分析，求解后的等效应力如图11。求解后得到的最大等效应力值为613.64MPa，小于优化前的最大等效应力值636.68MPa，说明在用料相同的情况下，强度提升了3.60%。有限元分析初步证实上述优化方案可以有效提升圆形钩的结构强度。优化后的圆形钩拉伸实验选取14/0号圆形钩(线径4.5mm)和结构优化后的14/0号圆形钩进行拉伸实验，针对实验中的两种措施分别测试相应可承受的最大拉力值，拉力A为增大圆弧曲率后的拉力值，拉力B为压扁操作后的拉力值(表6)。实验数据对比发现:优化后的圆形钩较优化之前抗拉强度分别提升了4.60%、10.80%，其结构强度较之前有了提高，在应对金枪鱼的主要捕捞群体(10～50kg)方面能满足使用要求，但在应对超大型金枪鱼(超过100kg)时强度欠缺。
3讨论
3.1钓钩的力学性能及优化
经过有限元分析与实验研究可得:环形钩的部分力学性能(强度和刚度)优于圆形钩，但圆形钩亦满足正常的使用要求，钓钩线径与抗拉强度呈正相关关系。钩弯是主要受力及变形区域，其设计对钓钩整体性能的影响至关重要。钓钩的主要受力区域在后弯处，轴头孔下端存在应力集中。适当增加钓钩钩弯的圆弧曲率并对表面进行压扁处理、钩轴采用圆弧过渡可避免应力集中，压扁操作有效增大了惯性矩，根据材料力学理论，材料一定的条件下(弹性模量不变时)，惯性矩越大，抗弯刚度越大，钓钩的承载能力也越强。通过钓钩拉伸实验证实，上述措施可有效提升圆形钩的力学性能。结合钓钩拉伸实验结果与软件分析的钓钩力学性能，环形钩虽然部分力学性能优于圆形钩，但其结构容易造成鱼体死亡，会威胁海龟等保护动物的生存，而圆形钩是良好的生态保护型钓钩，可降低对海龟等保护动物的兼捕，满足生态保护等要求［12］，且其力学性能基本满足使用要求。Cooke等［12］分析得出圆形钩是有效的保护型钓钩。Andrew［13］通过实验对比得出，在延绳钓渔业中使用圆形钩可降低海龟的死亡率。Hall［14］研究表明，与传统环形钩相比，金枪鱼延绳钓渔业中使用圆形钩使海龟的钓获率下降44%～88%。戴小杰等［15］通过实验证明使用环形钩确实会引起海龟的兼捕。由此可初步认定，圆形钩相对于环形钩而言，可以减少海龟等的兼捕，有效保护濒危物种，是良好的生态保护型钓钩，是今后钓钩发展的趋势，在尺寸相同的条件下，圆形钩的强度虽比环形钩低，但仍能满足使用要求，在延绳钓作业中可放心使用，但在钓大型金枪鱼时需选用大尺寸钓钩。
3.2展望
钓钩的偏角对渔获的捕获率、伤害和死亡率产生影响［16－19］。因此，具有偏角的钓钩的力学性能研究势在必行。另外，有学者指出大号圆形钩能防止海龟的误捕，但小号圆形钩和传统的环形钩对海龟的钓获率没有实质性区别［20－21］。
作者：马骏驰 袁军亭 宋利明 单位：上海海洋大学工程学院 上海海洋大学海洋科学学院
