Frequency domain analysis of hydrodynamic characteristics of mariculture ship with truss and plate frame hybrid structure
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摘要: 为了研究由桁架结构和多个板架结构浮体构成的养殖船的水动力性能及运动响应特性，文章基于三维势流理论结合Morison方程对养殖船的水动力特性进行了频域计算，获得了养殖船的水动力参数和运动响应，据此完成了分析。结果表明，养殖船附加质量、辐射阻尼对频率的变化较为敏感，敏感程度在养殖船各方向运动上明显不同；且摇动运动的附加质量和辐射阻尼大于平动运动，均与养殖船结构形状有密切关系；在各向入射波的作用下，养殖船的一阶波浪力随频率的增加呈现先增大后减小的趋势，位于高频段的养殖船在不同方向入射波作用下的一阶波浪力曲线趋于稳定，在中低段则出现了较大差异；在高频与低频激励作用下，养殖船的运动响应均较小，但在中短周期规则波中运动时产生共振，随浪或迎浪时养殖船的纵荡、纵摇为主要运动模态，在横浪时养殖船的横摇和垂荡为主要运动模态。Abstract: In order to study the hydrodynamic performance and motion amplitude response characteristics of the mariculture ship composed of truss structure and several floating bodies with plate and frame structures, we calculated the hydrodynamic characteristics of the ship in frequency domain based on the three-dimensional potential flow theory and Morison equation. Then we obtained and analyzed the hydrodynamic parameters and motion response of the mariculture ship. The results show that the additional mass and radiation damping of the mariculture ship were sensitive to the change of frequency, and the sensitivity was obviously different in the movement of the mariculture ship in different directions, and the additional mass and radiation damping of the three rotations were larger than those of the translations, which were both closely related to the structural shape of the mariculture ship. Under the action of incident waves in every direction, the first-order wave force of the mariculture ship increased at first and then decreased with the increase of frequency, and the first-order wave force curve tended to be stable in the high frequency section under the action of incident waves in different directions. However, there was a big difference in the middle and low section. Under the action of high-frequency and low-frequency excitation, the motion response of the mariculture ship was small, but the resonance occurred when it moved in the medium and short period regular waves. The surging and pitching were the main motion modes when ship was with follow wave or head wave condition, and roll and heave motions were the main motion modes in bean wave.
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鲮(Cirrhinus molitorella)，属鲤科(Cyprinidae)、野鲮亚科(Labeoninae)，是两广地区的四大家鱼(鳙、草、鲢、鲮)之一，在广东省的淡水养殖业中占有重要的地位。四大家鱼繁殖成功以来，普遍存在的近亲繁殖使得亲鱼性成熟提前、个体越变越小、鱼苗病害增多、生长减慢等问题出现[1]，养殖群体遗传多样性下降。因此，收集保存野生原种，了解其遗传多样性状况并从中筛选出具有优良性状的个体或群体进行苗种生产对于水产养殖业的持续稳定发展具有重要意义。
AFLP技术首先由荷兰科学家ZABEAU和VOS提出[2-3]，此项技术兼具了RAPD和RFLP的优点，既有前者的简便灵敏和高效性也有后者的可靠性，是迄今为止最有效的分子标记之一。广东鲮鱼原种场2000和2003年先后2次从西江流域肇庆段采捞野生鲮鱼苗，作为鲮原种保存。饲养过程中发现该批鲮原种存在体色及生长速率差异。为了比较该批原种2个不同体色的子群体间的遗传差异，我们采用AFLP方法对其进行了研究。
1. 材料
1.1 实验用鱼
2005年7月，从广东鲮鱼原种场取保种样品，对体色不同的2个子群体(体色青，q; 体色淡黄，h)各取29尾，共58尾，分别编号为q1~29、h1~29。剪尾鳍保存于95%的乙醇中，4 h后更换1次95%的乙醇，保存用于总DNA抽提。
1.2 AFLP分析中使用的接头及引物序列
参照VOS等[3]方法并稍作修改进行AFLP分析，研究中使用的接头及引物序列见表 1。
表 1 AFLP分析的寡核苷酸接头和引物序列Table 1. The oligo nucleotide adaptors and primers used for the AFLP analysis接头或引物
adaptor or Primer序列(5′→3′)
sequence(5′→3′)adaptor EcoRI-1 CTC GTA GAC TGC GTA CC EcoRI-2 AAT TGG TAC GCA GTC TAC MseI-1 GAC GAT GAG TCC TGA G MseI-2 TAC TCA GGA CTC AT primers of pre-amplication EcoRI+1 GTA GAC TGC GTA CCA ATT CA MseI+1 GAC GAT GAG TCC TGA GTA AC primers of selective amplification E-NNN GAC TGC GTA CCA ATT C NNN NNN AAG，AGC，AGT，ATC，ACG M-NN(N) GAT GAG TCC TGA GTA A NN(N) NN(N) CAA，ACG，CTC，CAG，CGT 注: ‘E-NNN’和‘M-NN(N)’各自代表一条引物序列，其中的一个‘N’代表一个选择性碱基。‘NNN’为引物‘E-NNN’的选择性碱基，而‘NN(N)’为引物‘M-NN(N)’的选择性碱基
Note: ‘E-NNN’ and ‘M-NN(N)’ represented a primer sequence respectively，and an ‘N’ represented one selective nucleotide in the primer.‘NNN’was the selective nucleotides for the primer‘E-NNN’，whereas‘NN(N)’for the primer‘M-NN(N)’.2. 方法
2.1 鲮总DNA的提取及定量
采用本实验室改进的Tris-饱和酚法进行鲮总DNA抽提[4]。在德国Biometra核酸定量仪上测定基因组DNA的吸光值，测定核酸浓度。选取光密度OD260/OD280比值在1.8~2.0之间的基因组DNA，将其浓度稀释至50 ng · μL-1，-20℃保存备用。
2.2 总DNA的消化、连接、扩增
实验方法及操作过程参照夏军红[5]博士论文并稍做修改进行。所做修改如下，在DNA样品限制性消化中，DNA用量为250 ng，+1/+1 PCR预扩增中，+1引物用量为100 ng，+3/+3 PCR选择性扩增中，+3引物用量为150 ng。
2.3 PAGE电泳
+3/+3循环结束后，1.5% Agrose胶检测扩增结果。等体积2×上样缓冲液终止反应，点样，6%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，银染法显色(Premega银染试剂盒操作说明书)，数码相机拍照记录。
2.4 数据分析
银染之后得到的谱带应用软件Labimage(Ver 2.6，by Kapelan)分析，相对于分子量标记100 bp DNA ladder确定等位基因大小。数据统计所有清晰可见的条带，有带记为1，无带记为0，获得0~1矩阵。利用Popgene(Ver.3.1)进行数据分析[6]。
3. 结果与分析
3.1 AFLP引物筛选及扩增图谱
从25对AFLP引物组合(表 1)中选取6对扩增条带丰富、带型清晰、有差异性条带的AFLP引物用于进一步分析。引物组合为E1M3、E1M4、E2M4、E4M3、E5M1、E5M2。以上6对AFLP引物对子群体h和子群体q共58个个体进行PCR扩增，共产生173条扩增条带，分子量范围在50~400 bp之间，平均每对引物产生29条扩增条带，其中多态性条带数为72条，多态位点比例为41.5%。子群体q、h的多态位点数分别为61和70，多态性片段的比例分别为35.11%、40.43%。在6对引物产生的173条扩增条带中，有1条编号为E2M4-1的条带在子群体h中的频率远远高于在子群体q中的出现频率，该条带在2个子群体间的出现频率差别很大，子群体h中的出现频率为72.4%，而子群体q中的出现频率仅为20.6%。图 1为引物E2M4扩增的AFLP图谱，从图谱中可以看出鲮个体间的差异。标注位点为子群体h的高频位点。
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图 1 引物组合E2M4对原种群体的扩增图谱q1~29. 子群体q; h1~29. 子群体h; M. 100 bp分子量标准Figure 1. AFLP-PCR pattern of primer pair E2M4 on original populationq1~29. sub-stock q; h1~29. sub-stock h; M. 100 bp DNA ladder3.2 鲮原种群体的遗传多样性分析
对所取鲮原种群体进行遗传多样性分析结果，鲮原种群体的遗传多样性指数为0.1254，其子群体h与子群体q的遗传多样性指数分别为0.1367和0.0998，子群体h的遗传多样性指数远高于子群体q。
4. 讨论
本研究采用AFLP方法对广东鲮鱼原种场的鲮原种群体进行了遗传多样性分析。对鲮原种群体2个子群体遗传多样性分析表明，子群体h的遗传多样性水平高于子群体q(0.1367>0.0998)，2个子群体间的遗传分化较为明显。这一结果与笔者此前采用RAPD方法研究的结果[4]一致。广东鲮鱼原种场在对该批鲮原种的饲养观察中已发现，子群体h的生长性能优于子群体q，因而获得子群体h相对于子群体q的特异性分子标记对于培育具有生长优势的鲮优良品系具有重要意义。AFLP标记能够提供大量且高密度的信息位点，因此，有可能在表型不同的2个鲮原种子群体间筛选出具有群体特异性的分子标记。夏军红等[5]采用AFLP方法从36对引物组合中筛选到一对长江江豚性连锁分子标记的引物组合，找到一个与性别相关的标记性位点。本研究从25对引物组合中选取了6对扩增中显示出有差异条带的引物组合对该批鲮原种的2个子群体进行扩增，获得了1条在子群体h中的出现频率绝对高于子群体q的条带E2M4-1(72.4%>20.6%)。体色是由多基因控制的性状，条带E2M4-1有可能与控制体色的某基因位点呈不完全连锁。进一步扩大筛选范围，采用更多引物组合做进一步研究有希望获得2个子群体间的特异性分子标记。
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图 8 不同浪向下养殖船受到的一阶波浪力
Figure 8. First order wave forces/moments of mariculture ship in different wave directions
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图 9 养殖船幅频响应曲线
Figure 9. Motion response of mariculture ship in different wave directions
表 1 养殖船有关参数
Table 1 Parameters of mariculture ship
参数
Parameter数值
Value总长 Length overall/m 91.3 宽度 Width/m 27.6 型深 Depth/m 7.5 设计吃水 Draught/m 6.5 满载排水量 Full load displacement/t 1 073 重心 COG (x, y, z)/m (51.9, 0, 3.35) 横摇惯性半径 Roll radius of gyration/m 9.7 纵摇惯性半径 Pitch radius of gyration/m 62.8 艏摇惯性半径 Yaw radius of gyration/m 63.3 桁架管外径 Outer diameter of truss steel pipe/mm 245 桁架管壁厚 Wall thickness of truss steel pipe/mm 12 
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