автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Динамика вырастных элементов гидробиотехнических сооружений

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДВПИ ИМ. В.В.КУЙБЫШЕВА)

На правах рукописи

ЖУКОВ Кирилл Анатольевич

ДИНАМИКА ВЫРАСТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОБИОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

05.23.17 - строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2005

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им.В.В.Куйбышева)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.А. Стоценко

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Н.М. Мальков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Габрюк В.И.

кандидат технических наук, доцент Цуприк В.Г.

Ведущая организация:

ООО «НПО «ГИДРОТЕКС»

Защита состоится 18 ноября 2005 года в 10м часов на заседании диссертационного совета К 212.055.04 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690014, Владивосток, пр. Красного Знамени, д.66, ауд.807.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Дальневосточного государственного технического университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в двух экземплярах по адресу: 690014, г. Владивосток, пр.Красного Знамени, 66, диссертационный совет К 212.055.04. тел.(факс)

Автореферат разослан «15» октября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент_

Гуляев В.Т.

± 12\Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Мировой опыт показывает, что промысловым способом добычи морепродуктов могут быть полностью уничтожены и значительно подорваны природные запасы не только отдельных популяций, но и разрушены целые экологические системы. Поэтому естественное производство не может оставаться надежным источником продуктов в будущем.

В настоящее время выделяются три основных промышленных направления культивирования морских организмов:

• мелиорирование - или устройство искусственных рифов (наброска бетонных блоков, рыхление твердых пород, создание дополнительных субстратов для водорослей и моллюсков, убежищ для рыб и беспозвоночных и т.п.)

• заводское направление - дает возможность создать контролированные условия в течение всего цикла выращивания.

• плантационное направление - позволяет выращивать объекты заданного вида до товарной продукций с минимальными затратами средств на их производство в естественной среде обитания морских организмов.

Гидробиотехнические сооружения (ГБТС) - морские гидротехнические сооружения, предназначенные для оснащения плантаций по выращиванию морских растений и животных в местах их естественного обитания.

С начала развития плантационного направления марикультуры в Приморском крае предпринимались попытки создания гидробиотехнических сооружений на основе эмпирического подхода (метода «проб и ошибок» и инженерной интуиции). Такой подход не может обеспечить гарантии устойчивой работы сооружений на весь период эксплуатации. Необеспеченность прочности ГБТС приводит к их разрушениям, что приносит огромные материальные и моральные потери и в значительной степени тормозит развитие отрасли в целом, т.к. процесс выращивания отдельных организмов до товарного вида занимает до трех лет.

Значительными преимуществами обладает расчетный подход, используемый в проектировании объектов строительства. Он позволяет гарантировать с заданной надежностью прочность сооружения в течение всего срока эксплуатации, определить оптимальные размеры сооружений с минимизацией материалоемкости и стоимости, установить изменения, которые необходимо внести в типовую конструкцию для эксплуатации в осваиваемом районе.

Разработка основ расчетного проектирования требует научных исследований по определенным направлениям, входящим в инженерную теорию гидробиотехнических сооружений:

• изучению проблем среды и воздействий (изучение условий эксплуатации сооружений, связанных с силовыми воздействиями и

влиянием среды на прочность материалов);--—■—

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА , I

(¡.Петербург

©Э МО¿шсгТ'у' - »

• разработке методов перехода от воздействий к нагрузке: определение величины, характера распределения и изменения во времени внешних по отношению к сооружению сил;

• разработке методов определения напряжений, перемещений и деформаций сооружений в статической и динамической постановках;

• оценки прочности и надежности, определение допустимого уровня внутренних усилий и сроков службы сооружений;

• построению основ и принципов проектирования конкретных узлов и деталей несущих конструкций.

Одной из основанных проблем решаемых при расчете любого сооружения является определение действующих на него нагрузок. На ГБТС на всем протяжении их эксплуатации действуют различные нагрузки.

Наибольший вклад в нагрузку на ГБТС вносят волновые воздействия. Об этом говорят не только теоретические расчеты, но и то обстоятельство, что разрушение ГБТС происходит во время штормов. Волновая нагрузка, действующая на ГБТС, носит ярко выраженный динамический характер. Основное воздействие волн приходится в основном на вырастные элементы, содержащие выращиваемые объекты, которые в свою очередь передают усилия на несущие конструкции ГБТС.

Целю диссертации является определение волновой нагрузки на гидробиотехнические сооружения (ГБТС) от вырастных элементов. Для этого были решены следующие задачи:

1. установлено влияние скоростной и инерционной составляющих волновой нагрузки на вырастной элемент ГБТС;

2. разработан метод определения гидродинамического сопротивления морских организмов и их субстратов;

3. разработан метод определения усилий и перемещений в вырастном элементе ГБТС при волновом воздействии;

4. произведено исследование предлагаемого метода на тестовых задачах с известным точным решением и сравнение результатов теоретических расчетов с данными натурных экспериментов;

5. получены зависимости изменения усилий, возникающих в вырастном элементе при волновом воздействии в достаточно большом диапазоне изменения параметров системы «среда-сооружение» и разработать основы построения поля волновой нагрузки на ГБТС с учетом выключающихся связей.

Научная новизна работы:

1. определено влияние инерционной и скоростной составляющей волновой нагрузки на возникающие усилия в элементах существенно подвижных систем;

2. предложена удельно-весовая характеристика гидродинамического сопротивления морских организмов при обтекании их потоком жидкости;

3. разработан численный метод приближенного решения системы дифференциальных уравнений движения существенно подвижной растяжимой нити при волновом воздействии с учетом выключения связей применительно к решению задачи динамики вырастного элемента;

4. создана методика построения поля волновой нагрузки на вырастной элемент для большого диапазона параметров системы «среда-сооружение».

Практическая ценность работы заключается в решении задач построения методики расчета и проектирования ГБТС и позволяет с помощью:

1. удельно-весовой характеристики сопротивления вырастного элемента оценить нагрузку на элементы ГБТС по проектной урожайности плантации;

2. основ построения поля нагрузок на ГБТС при волновом воздействии с учетом выключающихся связей, оценить величины и характер изменения усилий в элементах ГБТС.

Результаты работы использованы при проектировании плантаций для выращивания гребешка в бухте Перевозная Амурского залива Приморского края.

Достоверность полученных результатов определяется высоким качественным и количественным соответствием выдвинутых гипотез и результатов численных экспериментов данным натурных экспериментов в большом волновом лотке Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е.Веденеева (ВНИИГ, Днепродзержинское отделение) с большим диапазоном продуцируемых волн зыби; На защиту выносятся:

1. Способ определения волновой нагрузки на вырастные элементы ГБТС с помощью удельно-весовой характеристик, позволяющей определять гидродинамическое сопротивление вырастного элемента в зависимости от типа организмов и их массы;

2. Приближенный численный метод решения дифференциальных уравнений основанный на комбинации аналитического метода Пикара-Линделефа и формул численного интегрирования (трапеций, Симпсона);

3. Основы формирования поля нагрузки от волнового воздействия для ГБТС с учетом выключения гибких связей вырастных элементов.

Апробация работы:

Результаты исследований были доложены: на ежегодных научно технических конференциях «Вологдинские чтения» (ДВГТУ, Владивосток 2002,2003, 2004 г.г.); на семинаре бакалавров, магистров и аспирантов при кафедре «Теории сооружений» (СИ ДВГТУ, Владивосток 2002-2004 г.г.); на 6-ом симпозиуме Азиатско-Тихоокеанского региона по механике шельфовых сооружений 180РЕ РАСОМ8-2004, секция «Стихия, строительство, безопасность» (Владивосток, 2004 г.); на ежегодной Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2003, 2004 г.г).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано: десять печатных работ. Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы. Содержание изложено на 110 страницах текста и включает 14 таблиц, 54 иллюстраций, 5 приложений и 89 наименований отечественных и зарубежных первоисточников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность выполнения данной работы, определена цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен обзор существующих конструкций гидробиотехнических сооружений с точки зрения их назначения, особенностей расчета и проектирования.

В обзоре приведены сведения о мировом опыте культивирования, отраженном в литературных источниках, отчетах о зарубежных командировках специалистов в КНДР, КНР, США, Францию и Японию, а также в патентных материалах.

Из обзора конструкций ГБТС видно, что применение тех или иных конструктивных решений должно обуславливаться биотехнологическими, экологическими и природоохранными требованиями, а так же гидрометеорологическими характеристиками мест размещения плантаций, требованиями механизации и удобства обслуживания, условиями и методами производства работ по изготовлению их и монтажу.

ГБТС в связи с их назначением должны содержать элементы, выполняющие функции содержания культивируемых объектов в процессе их роста, развития и функции удержания культур в определенном районе и заданном горизонте. Конструктивно выполнение этих функций обеспечивается:

• вырастными элементами, которые служат для непосредственного содержания культивируемых объектов.

• несущим каркасом, включающим собственно несущие конструкции (к ним непосредственно крепятся вырастные элементы) и системы удержания

• системой горизонтального удержания, которая включает якоря, анкеры и другие устройства, прикрепляющие сооружение к земле

• системой вертикального удержания, которая содержит плавучести, стойки и другие устройства, позволяющие сохранять и, по мере надобности, изменять заданный горизонт в процессе выращивания

7В природе большинство моллюсков обитают на дне. Однако выращивание их в тоще воды имеет следующие преимущества: полное использование толщи воды, постоянная циркуляция воды около моллюсков, предохранение их от хищников. Для выращивания морских организмов в толще воды применяются вырастные элементы.

Вторая глава посвящена анализу нагрузок волнового воздействия на вырастные элементы ГБТС. Можно выделить три основных вида нагрузок, действующих на протяжении всего срока эксплуатации:

• нагрузки, вызываемые гравитацией и выталкивающим (Архимедовым) действием воды на морские организмы и элементы самого сооружения;

• технологические нагрузки - от технологического оборудования, складируемых материалов, технологических операций по уходу за плантациями;

• нагрузки от климатических воздействий - волновые, ветровые, ледовые, температурные, от течений и других природных явлений.

► Волновые нагрузки и нагрузки от переменного в пространстве течения

зависят от формы и положения сооружения, которое оно занимает под внешним воздействием. Трудности расчета обусловлены необходимостью построения такой процедуры вычислений, которая позволит найти соответствие между нагрузкой и положением сооружения. Поэтому задачи определения нагрузки, усилий и перемещений (координат) неразделимы и должны для существенноподвижных (нелинейных) систем решаться последовательными приближениями.

Для описания волнового воздействия среды на вырастной элемент принята теория потенциального движения жидкости в волне М.П. Кожевникова, согласно которой вязкостью жидкости можно пренебречь. Рассматриваются регулярные плоскопараллельные волны.

Волновая нагрузка на тело, помещенное в волну, определяется гидродинамическим сопротивлением, характеризующим сопротивление тела движению среды.

Для определения гидродинамического сопротивления вырастного элемента, помещенного в волну, принята формула Лаппо-Морисона, в общем виде:

R = cu-u2+cw-w, (1)

где: и и w - относительная скорость и ускорение движения частиц жидкости и тела;

cw (cj - коэффициенты присоединенной массы (инерции) и лобового сопротивления.

Правая часть выражения (1) представлена суммой двух составляющих гидродинамического сопротивления - скоростной и инерционной соответственно.

Для оценки степени влияния скоростной и инерционной составляющих нагрузки в формуле Лаппо-Морисона при волновом воздействии на вырастной элемент коллективом кафедры Теории сооружений ДВГТУ под руководством A.A. Стоценко были поставлены специальные эксперименты в большом волновом лотке Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. Схема экспериментальной установки изображена на рис.1.

Датчик-динамометр ДВПИ

кабель

Рис. 1 Схема экспериментальной установки с использованием большого волнового лотка ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева:

1 - вырастной элемент; 2 - датчик динамометр ДВПИ; 3 - волномер; 4 - передвижной мостик; 5 - блок питания датчиков; 6 - осциллограф; 7 - блок питания осциллографа

О 1 2 3 " ' 4 э о сек

Рис. 2 Фрагменты осциллограмм усилий в связи:

а) - характеристики волн: 1 - показатели волномера; 2 и 3 -вертикальные скорости и ускорения, вычисленные по СНиП;

б) - усилия в связи: 1, 2, 3, 4 - прикреплении к неподвижной точке, садок на глубине 1, 2, 3, 4 м.

Опыты проводились с пустыми садками и с садками, заполненными специальными вкладышами, имитирующих моллюсков. На рис.2 представлен фрагмент осциллограммы изменения усилий и соответствующих по времени вертикальных скоростей и и ускорений и> в волне.

По результатам проведенных экспериментов установлено:

• усилие в связи появляется и существует на заднем склоне волны, то есть в тот момент, когда вертикальная скорость направлена вниз и вызываемое ею давление растягивает нить;

• на участке с максимальным ускорением не наблюдается сколько-нибудь значительного (соизмеримого со скоростным) изменения давления - датчиками зарегистрированы изменения давления, соизмеримые с величиной шумов;

• результаты опытных данных, приводят к выводу, что максимальные усилия в связи определяются и обуславливаются скоростным (лобовым) сопротивлением. Вклад же инерционной составляющей не значителен по сравнению со скоростной составляющей и может не учитываться. С учетом этих результатов формула Лаппо-Морисона примет вид:

К=си-иг (2)

Однако существуют определенные сложности в использовании коэффициента лобового сопротивления си при определении гидродинамического сопротивления морских организмов.

Использование в расчетах традиционной характеристики площади проекции морского организма приводит к большим разбросам исходных данных и неопределенности, связанным с трудностями оценки их геометрических параметров и прогнозирования их в проектируемом сооружении, поскольку в процессе роста морских организмов эти параметры зависят от многих факторов (климатических, ухода, биологических и т.д.).

На кафедре Теории сооружений ДВГТУ A.A. Стоценко и Б.И. Пронкиным был предложен метод определения гидродинамического сопротивления, основанный на буксировке исследуемого объекта поплавком (лидером), в котором движущую силу, равную силе гидродинамического сопротивления, создает подъемная сила всплывающего тела с объемной массой, меньшей, чем объемная масса среды. Схема испытательной установки представлена на рис.3.

Используемый способ накладывает следующие требования к устройству для его осуществления. Во-первых, лидер должен иметь постоянную форму при изменении его подъемной силы в широких пределах. Во-вторых, лидер не должен вносить существенных возмущений в поток, обтекающий исследуемое тело, которое следует за лидером.

Для решения первой задачи был выбран лидер в форме веретенообразного удобообтекаемого тела со стабилизаторами. Лидер имеет внутри полость, которая может заполняться свинцовыми вкладышами, количество которых подбирается в зависимости от необходимой

Рис.3 Схема проведения испытаний методом вертикальной буксировки: а) - схема испытательной установки; б) - устройство лидера; в) — устройство инициатора старта; 1 - плавсредство; 2 - лидер; 3 - связь; 4 - объект; 5 - стартовая нить; 6 - инициатор старта; 7 - блок с упором; 8 - якорь; 9 - оболочка лидера; 10 - полость; 11 - вкладыши; 12 - положение во время погружения; 13 - положение при старте.

грузоподъемности лидера - подъемной силы.

Для решения второй задачи с помощью дополнительных экспериментов с шарами, в качестве исследуемых объектов, гидродинамические характеристики которых известны, было определено расстояние, на котором влияние лидера на исследуемый объект незначительно.

С помощью описанного метода на протяжении ряда лет в 1982-1986 гг. сотрудниками кафедры Теории сооружений ДВГТУ было исследовано гидродинамическое сопротивление отдельных слоевищ, пучков слоевищ ламинарии, садков для выращивания гребешков, мидиями, устрицами и другими морскими организмами.

На основании данных проведенных экспериментов была произведена обработка их результатов с целью определения зависимости гидродинамического сопротивления от весовой характеристики морских организмов.

По результатам обработки данных экспериментов были сделаны следующие выводы:

• использование в расчетах традиционной характеристики объекта -отношения сопротивления к площади боковой поверхности (11^ -приводит к большим разбросам исходных данных и неопределенностям, связанным с трудностями оценки площади поверхности слоевища по данным измерений геометрических параметров и прогнозирования ее в проектируемом сооружении;

• отношение силы сопротивления к весу водорослей является более устойчивой характеристикой;

• отношение силы сопротивления к весу морских организмов является для вырастных элементов с мидиями, устрицами и другими морскими организмами устойчивой величиной;

• гидродинамическое сопротивление объектов с морскими организмами может быть выражено зависимостью:

Л-*,«2*-* (3)

где к0 - коэффициент удельно-весового сопротивления, зависящий от выращиваемого объекта, вида субстрата и садков.

На рис. 4-9 представлены графики зависимости величины Я/т от скорости буксировки слоевищ ламинарии, садков с гребешком, устричных и мидийных коллекторов.

Удельно-весовая характеристика сопротивления вырастного элемента весьма удобна в проектировании плантаций ГБТС для выращивания морепродуктов, т.к. нагрузка на сооружение может определяться проектной урожайностью плантаций.

160 140 ■ 120 100 (0 60 40 20 О

R mg

и, м/сек

0 12 3 4

Рис.4 Удельно-весовая характеристика сопротивления ламинарии японской.

R

0,300 0,250 0,200 0,150 ■ 0,100 0,050 0,000

mg

и, м/сек

0,9 0.S • 0,70,6 ■ 0,5 0,4

03

04 0,1

о

mg

и, м/сек

0 0,5 I 1,5

Рис.8 Удельно-весовая характеритсика устричных коллекторов

•

1 -0,8 0,6 0,4 ОД

о

количество слоевищ в пучке

0 2 4 6 S

Рис.5 Сопроивление ламинарии японской в зависимости от количества слоевищ в пучке

R

0,300

mg

0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0,000

и, м/сек

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Рис. б Удельно-весовая характеритсика пиримидальных садков

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Рис.7 Удельно-весовая характеристика конусных садков

R

и, м/сек

0 0,5 1 1,5 2

Рис.9 Удельно-весовая характеритсика мидийных коллекторов

В третьей главе приведена постановка задачи динамики вырастного элемента ГБТС и разработка метода ее решения.

Работа гидробиотехнических сооружений (ГБТС) проходит в подвижной среде и анализ их работы при движении может уточнить их

напряженно-деформированное состояние, в частности, получить ответы на вопросы о характере изменения усилий при относительном движении среды и объекта, о возможности резонансных явлений и другие.

В качестве расчетной схемы вырастного элемента ГБТС принята модель, в которой вырастной элемент представлен в качестве гибкой нити с расположенными на ней точечными и распределенными массами. Концы нити могут быть закреплены на подвижных или неподвижных опорах в зависимости от жесткости несущего каркаса. В постановке задачи расчета вырастного элемента не должны вводится традиционные упрощения, связанные с малостью перемещений, пологостью нити и др. При моделировании воздействия среды использована теория потенциальных волн, с регулярными плоскопараллельными волнами. Расчетная схема участка нити представлена на рис.10. з

^ 2 Я®-

Рис. 10 Схема участка нити, с обозначениями приложенных к нему нагрузок и усилий

Равновесное состояние пространственного элемента нити, с учетом растяжимости нити по закону Гука, описывается системой уравнений с тремя уравнениями равновесия (проекциями на координатные оси) и условием неразрывности нити.

(\ + Т/ЕГ)сЬ

= 9/

;=1дз

(4)

\1 + Т/ЕР Л )

где Т- усилие в участке нити; ЕР - жесткость нити; ¿Б - длина участка нити; с1ТШ - единичное приращение усилия; / - порядковый номер участка и точки нити; у - направление координатных осей; q - нагрузка на элемент нити.

Дополненные начальными и граничными условиями данные уравнения представляют условия равновесия одиночной нити под действием статической нагрузки

Согласно концепции сил, принятой в строительной механике, нагрузкой на вырастной элемент являются реакции в связях между точкой крепления выращиваемого объекта (среда) и гибкой нитью (сооружение). Реакция в связи вырастного элемента определяется величиной гидродинамического сопротивления Я с обратным знаком.

Таким образом, для определения волновой нагрузки q на элемент нити принята формула гидродинамического сопротивления Лаппо-Морисона, включающая в себя инерционную и скоростную составляющую (лобовое сопротивление). В отличие от статической постановки нагрузка в формуле Лаппо-Морисона принята переменной во времени. Получена система дифференциальных уравнений движения нити при волновом воздействии:

Т.*

т, | 'i+j

Л

■i+lj

A+j

Xtilc ~»,kf ■ (x,j - "„)+ cw ■ {x,j - wtJ )

M

т, = Щ

Ti=0

T-JXta -\-ikf -J

при I, < X где A, = /,

при l,> Я

EF,

(5)

Существующие аналитические методы решения узкого круга дифференциальных уравнений первого порядка применимы для ограниченного числа дифференциальных уравнений и не могут рассматриваться как универсальные.

Приближенные методы решения задачи Коши делятся на три группы: приближенно-аналитические, графические и численные.

Наиболее «привлекательным» с точки зрения составления алгоритмов программных средств, для решения дифференциальных уравнений, являются численные методы. Предлагаемый метод решения задачи Коши системы дифференциальных уравнений получен объединением приближенно-аналитического метода Пикара-Линделефа и приближенных методов вычисления интегралов (формулы прямоугольников, трапеций, Симпсона). Полученный метод является численным, т.к. в результате интегрирования вместо зависимости, как для исходного приближенно-аналитического метода, получаются совокупность приближенных значений искомого решения y-f{x). Сущность метода заключается в приближенном решении интеграла в интегральном уравнении Пикара:

\f(*„y,)dx (6)

Предлагаемый метод имеет ряд преимуществ, так известна сходимость метода Пикара-Линделефа при i—юо. Кроме того метод имеет относительно небольшое количество вычислений на каждом шаге.

Применительно к уравнению движения вырастного элемента метод является гибким к нахождению решения дифференциального уравнения неразрешенного относительно у!

Для выбора формулы приближенного решения интеграла, были исследованы зависимости накопления локальных ошибок метода при решении тестовых задач. Результаты вычислений показали, что:

• использование формулы трапеций дает возможность построения более простого в реализации алгоритма решения задачи;

• изменение шага интегрирования в пять раз, по отношению к формуле Симпсона, дает методу с использованием формулы трапеций схожую с формулой Симпсона точность вычислений.

Выбор шага интегрирования и количества итераций на каждом шаге сложная и неоднозначная задача для каждого конкретного случая, зависящая от множества факторов: геометрических размеров элементов, внешних воздействий (нагрузки), конструктивных особенностей сооружений и др.

Для решения этой задачи было использовано явление «внутренней сходимости» изучаемого фактора. Была исследована сходимость метода при изменении шага интегрирования и количества итераций. На основании анализа сходимости метода сделаны следующие выводы:

•величина шага интегрирования может определятся заданной точностью вычисления значения y = f(x)\

• оптимальное соотношение между величинами шага интегрирования и количеством итераций может привести сокращению количества вычислений и как следствие к экономии машинного времени при сохранении заданной точности вычислений.

В четвертой главе для проверки теоретической модели, а так же допущений, использованных в постановке задачи динамического расчета существенно-подвижных систем, были проведены численные эксперименты с предлагаемым методом на задачах с известным точным решением. В качестве контрольных задач были решены задачи колебаний одно- и двух массовых систем.

В задаче №1 получены уравнения движения для массы, расположенной по середине нити, закрепленной по обоим концам, при сообщении массе в начальный момент времени импульса, направленного вдоль оси нити.

В задаче № 2 получены уравнения движения двух масс, расположенных на нити закрепленной одним концом, при сообщении одной из масс в начальный момент времени импульса, направленного вдоль оси нити.

Полученные результаты хорошо согласуются с точным решением.

С целью проверки соответствия теоретической модели, используемой при получении системы уравнений движения существенно-подвижных нитей, была решена плоская задача расчета вырастного элемента (Задача №3). В качестве опорных экспериментов приняты натурные эксперименты для морского гребешка, описанные в 3 главе. Инерционная составляющая движения частиц жидкости при решении задачи не учитывалась. Для выражения волновой нагрузки была принята упрощенная формула Лаппо-Морисона.

Были решены две задачи о вырастном элементе:

• плоская задача при отсутствии связи (нити) с вырастным элементом для моделирования свободного движения тела помещенного в волну;

• плоская задача при наличии связи для моделирования движения тела в волне связанного с неподвижным каркасом гибкой нитью.

В результате решения задач получены следующие результаты:

• при отсутствии связи тело совершает круговые движения, описывая петлеобразную траекторию. Это объясняется тем, что в волне частицы жидкости совершают движение по круговым орбитам с переносом частиц жидкости в сторону движения волны «волновой поток», который в свою очередь увлекает за собой тело, помещенное в волну. Этот результат, полученный приближенным способом, хорошо согласуется с теорией о потенциальных волнах.

• при наличии связи траектория частиц сохраняет петлеобразную форму, однако эта траектория приобретает смещение к свободной поверхности водоема. Движению, описанному в первой задаче, препятствует связь (нить), удерживающая тело на расстоянии радиуса растянутой нити. При дальнейшем движении тело занимает равновесное положение, совершая движения по замкнутой траектории у поверхности водоема.

Полученные решения модельных задач хорошо согласуются с теорией потенциальных волн, что дает основание считать теоретическую модель и использованные в ней предпосылки верными.

В пятой главе описана методика построения поля волновой нагрузки, в основе которой лежат следующие допущения:

Первое допущение связано с влиянием сооружения на кинематику волнового движения жидкости и течения. Традиционное для сквозных конструкций и сооружений допущение, состоящее в том, что присутствие сооружения в среде мало влияет на параметры движения частиц жидкости, и этим влиянием в расчетах можно пренебречь. Это допущение позволяет построить поле нагрузки по параметрам скоростей и ускорений в среде без сооружения.

Второе допущение вносит упрощение в определение волновой нагрузки. Допущение о том, что при воздействии волн и течений основной вклад в нагрузку на гибкие сооружения вносит скоростная составляющая. Таким образом, поле нагрузки может быть построено по пространственному полю скоростей.

Третье допущение вносит упрощение в определение гидродинамических характеристик вырастных объектов. Допущение состоит в том, что объект характеризует его масса и удельно-весовая характеристика, которая характеризует величину сопротивления оказываемого морским организмом движению водной среды.

Скорость относительно движения жидкости и объекта, а так же масса организмов зависят от координат и времени. По данным об изменении массы морских организмов можно сделать вывод о том, что их масса увеличивается

чрезвычайно медленно, т.е. в каждый заданный момент времени ее можно считать постоянной. Из вышесказанного следует четвертое допущение о том, что квазистатическое поле нагрузки в заданный промежуток времени (в пределах месяца) определяется полем квадрата скоростей движения частиц жидкости. Величины скоростей определяют величины сил, а их направления - направления вектора скорости.

В квазистатическом поле нагрузок, в котором сооружение занимает равновесное положение одновременно с изменением параметров движения среды, выключающиеся связи вносят изменения в него, накладывая «тени» на часть пространства, в котором оно формируется. Этот эффект зафиксирован в результатах натурных экспериментов, а также получен теоретически в задачах главы 4.

Появление импульса в связи и отсутствие его в ней и характеризует нахождение связи в «светлой» или «теневой» области.

Таким образом, «теневой» областью или «тенью» называется область поля нагрузки, в которой в данный момент времени не возникает усилий в связи вырастоного элемента с каркасом, если эту связь в нее в данный момент поместить.

Анализ «затененных областей» поля нагрузки и определение параметров изменения реакций в связях между несущим каркасом сооружения и вырастных элементов в «светлых областях» позволят уточнить загружение ГБТС нагрузкой при волновом воздействии. Чтобы сформировать поле нагрузки необходимо знать величину усилия, момент включения и выключения связи и положение этого импульса относительно профиля волны в широком диапазоне изменений переменных входящих в систему уравнений движения вырастного элемента.

Для этой цели система уравнений движения нити под волновой нагрузкой была приведена к более простому виду, где усилия и координаты зависят от трех параметров а,^,ри параметра относительного времени г.

1-й)

х, =

со

(7)

где и0 - скорость частиц жидкости; со - круговая частота волнения; р -весовая характеристика; х, =х, т = са-1; 4 = 1'ео/ ', 'у .

и0 / ио / ич

Величины 7], и х< получаются численным решением дифференциальных уравнений. В параметр v, входят дополнительно параметры, характеризующие внешнее воздействие и положение вырастного элемента относительно профиля волны.

На основании проведенных выше формул и допущений были сформулированы принципы формирования поля волновой нагрузки на вырастные элементы ГБТС:

• поле волновой нагрузки определяется пространственным полем квадрата скоростей движения частиц жидкости;

• при помещении гибкого вырастного элемента в поле волновой нагрузки в связях вырастного элемента возникают усилия обусловленные сопротивлением вырастного элемента движению частиц в волне;

• усилия в связях вырастного элемента при волновом воздействии носят импульсный периодический характер;

• кривая изменения импульса во времени хорошо апроксимируется частью синусоиды, параболой, а в отдельных инженерных расчетах может быть заменена и прямоугольником;

• для характеристики момента включения и выключения связи, т.е. начала теневой области и ее конца, могут служить графики зависимости изменения положения точек, в которых функция т)(а,4,р,т), характеризующая импульс во времени, равна нулю (рис.11);

• с увеличением значения коэффициента р, т.е. веса груза вырастного элемента, появляются области, в которых связи никогда не выключаются;

• с целью определения характеристики волновой нагрузки на вырастной элемент: начало и конец действия импульса, его форма и величина, моменты «включения-выключения» связей, может быть построена схема, полученная наложением графиков изменения значения функции т|(а,^,р,т) и моментов «включения-выключения» связей (рис.12).

О 2.0 4.0 6 0 8.0 10.0 12 0 14 0

а Рис. 11 График изменения положения и формы «теневой» и «светлой» областей во времени при различных значениях коэффициента а

вырастного элемента и несущего каркаса

В заключении перечислены результаты работы решения задачи по определению волновой нагрузки на гидробиотехнические сооружения:

• Установлена на основе натурных экспериментов в большом волновом лотке преобладающая скоростная составляющая волновой нагрузки на вырастной элемент;

• Выявлена удельно-весовая характеристика для исследованных вырастных элементов в зависимости от типа организмов и их массы, которая позволяет определять сопротивление по характеристикам роста и развития организмов, т.е. проектной урожайностью;

• Выполнена постановка задачи расчета вырастного элемента с неподвижной точкой крепления к несущему каркасу;

• Предложен и исследован приближенный численный метод решения дифференциальных уравнений основанный на комбинации аналитического метода Пикара-Линделефа и формул численного интегрирования (трапеций, Симпсона);

• Разработаны основы формирования поля нагрузки от волнового воздействия для ГБТС с учетом выключения гибких связей вырастных элементов.

Направлениями для дальнейших исследований являются:

• Решение задачи динамического расчета вырастного элемента с учетом перемещения точки крепления вырастного элемента к несущему каркасу;

• Построение основ загружения несущего каркаса и систем горизонтального и вертикального удержания ГБСТ от нагрузок волнового воздействия с учетом выключающихся связей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Жуков К.А. Методика определения сопротивления движению вырастных элементов гидробиотехнических сооружений в воде. // Научная конференция «Вологдинские чтения». Архитектура и строительство/ Материалы конференции. - Владивосток: ДВГТУ, 2002. - С.45.

2. Жуков К.А., Стоценко A.A. Волновые нагрузки на гидробиотехнические сооружения./ЛГезисы докладов XXIII Российской школы по проблемам науки и технологий- Миасс: МСНТ, 2003.- С.20.

3. Zhukov К.А, Stotsenko A.A. Influence of drag and inertia coefficients of hydrodynamic resistance on growing elements of hydrobiotechnical construction.//Fifth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries/Congress materials. Part II. - Vladivostok: FESTU, 2003.-P. 295.

4. Жуков К.А. Постановка задачи динамического расчета вырастных элементов гидробиотехнических сооружений.// Научная конференция «Вологдинские чтения». Архитектура и строительство/ Материалы конференции. - Владивосток: ДВГТУ,2003. - С. 108.

5. Жуков К.А., Стоценко A.A. Постановка задачи расчета вырастного элемента гидробиотехнических сооружений.// Тезисы докладов XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. -Миасс: МСНТ, 2004,- С.58.

6. Жуков К.А. Исследования метода решения дифференциальных уравнений Пикара-Линделефа применительно к расчету вырастных элементов гидробиотехнических сооружений.// Научная конференция «Вологдинские чтения». Архитектура и строительство/ Материалы конференции. - Владивосток: ДВГТУ ,2004. - С.26.

7. Жуков К.А. Метод Пикара-Линделефа при решении систем дифференциальных уравнений первого порядка.// Труды ДВГТУ; вып. 140 - Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С.191 -193.

8. Жуков К.А. Основы формирования поля волновой нагрузки на вырастные элементы гидробиотехнических сооружений (ГБТС).// Труды ДВГТУ; вып.140 - Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С.193-196.

9. Жуков К.А. Динамический расчет гибкого вырастного элемента ГБТС с использованием метода Пикара-Линделефа при волновой нагрузке.// Труды ДВГТУ; вып.140 - Владивосток: ДВГТУ, 2005. -С. 196-200.

Ю.Жуков К.А. Использование приближенного метода Пикара-Линделефа при решении динамических задач.// Труды ДВГТУ; вып. 140 - Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С.200-203.

Подписано в печать 11.10.05 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 135.

Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

«in 9 3 1 1

РНБ Русский фонд

2006-4 21808

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор конструкций гидробиотехнических сооружений.

1.1. Загоны и вольеры.

1.2. Садковые устройства.

1.3. Конструкции ГБТС с вырастными элементами.

1.4. Гибкие сооружения.

1.5. Полужесткие и жесткие ГБТС.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. Нагрузки на ГБТС.

2.1. Нагрузки, действующие на ГБТС в процессе эксплуатации.

2.2. Влияние скоростной и инерционной составляющей гидродинамического сопротивления на вырастные элементы гидробиотехнических сооружений.

2.3. Удельно-весовая характеристика гидродинамического сопротивления вырастных элементов воздействию волн.

2.3.1 Определение удельно-весовой характеристики.

2.3.2 Сопротивление отдельных слоевищ ламинарии.

2.3.3 Сопротивление пучков ламинарии.

2.3.4 Удельно-весовое сопротивление садков для выращивания гребешка.

2.3.5 Удельно-весовое сопротивление мидийных и устричных коллекторов.

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3. Разработка метода решения задачи динамики вырастного элемента гидробиотехнических сооружений.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Анализ приближенных методов решения начальных задач (Коши) обыкновенных дифференциальных уравнений.

3.3. Использование выбранного метода для решения задачи расчета вырастного элемента.

3.3.1 Выбор формулы приближенного решения интеграла.

3.3.2 Исследование внутренней сходимости количества итераций предлагаемого метода.

3.3.3 Исследование внутренней сходимости при изменении шага интегрирования предлагаемого метода.

3.3.4 Зависимость величины шага и количества итераций от заданной точности вычисления.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. Численные эксперименты с предлагаемым методом.

4.1. Колебание одномассовой системы. Задача №1.

4.2. Колебание двухмассовой системы. Задача №2.

4.3. Задача расчета вырастного элемента. Задача №3.

4.4 Выводы.

ГЛАВА 5. Построение поля нагрузки с учетом выключения связей.

5.1. Допущения, используемые при построении поля.

5.2. Определение понятия «тени», используемое в поле нагрузки.

5.3. Упрощение расчетной модели.

5.4. Приведение уравнений движения к безразмерному виду.

5.5. Численные эксперименты. Построение поля нагрузки.

5.6 Выводы.

Мировой опыт показывает, что промысловым способом добычи морепродуктов могут быть полностью уничтожены и значительно подорваны природные запасы не только отдельных популяций, но и разрушены целые экологические системы. Поэтому, естественное производство не может оставаться надежным источником продуктов в будущем.

Восстановление, пополнение, улучшение качества естественных запасов морских организмов, обеспечение людей и животных пищей, промышленным сырьем, сельского хозяйства удобрениями, а так же многие другие проблемы позволяет решать марикультура.

В настоящее время выделяются три основных направления культивирования морских организмов [58].

Мелиорирование - или устройство искусственных рифов (наброска бетонных блоков, рыхление твердых пород, т.е. создание дополнительных субстратов для водорослей и моллюсков, убежищ для рыб и беспозвоночных, нерестилищ и т.п.) - относительно пассивное направление связано с попыткой создания благоприятных условий жизнедеятельности морских организмов. Мелиорированием решаются частично вопросы пополнения и восстановления природных запасов, естественной очистки вод от загрязнения, сохраняются традиционнее способы добычи. Но это направление не дает возможности контролировать выращивание объектов данного вида, производить уход за культурой, бороться с вредителями болезнями, проводить селекционные работы.

Заводское направление - дает возможность создать контролированные условия в течение всего цикла выращивания. На заводах или полноцикловых хозяйствах возможно культивирование водных животных и растений заданного вида. При этом упрощается посадка, уход и сбор урожая. Но для обеспечения работы заводов требуются большие затраты материальных и энергетических ресурсов связанные с созданием оптимальных условий выращивания. Поэтому большинство заводов выращивают организмы на начальных стадиях развития, а в дальнейшем их рост проходит в естественных условиях.

Культивирование на плантациях - данное направление позволяет выращивать объекты заданного вида до товарной продукции с минимальными затратами средств на их производство в естественной среде обитания морских организмов, что выгодно отличает это направление от двух первых. Это обусловило преимущественное развитие в марикультуре плантационного направления.

Подсчитано, что в морских водах Приморья возможно создание плантаций морской капусты на пяти миллионах гектаров с получением 200 тысяч тонн сырца в год, разводить беспозвоночных реально на площади 10 тысяч гектаров, что даст возможность получить почти 50 тысяч тонн товарной продукции.

С начала развития плантационного направления марикультуры в Приморском крае предпринимались попытки создания гидробиотехнических сооружений на основе эмпирического подхода (метода «проб и ошибок» и инженерной интуиции), но эти попытки окончились неудачей. Так с 1972 по 1977 год было опробовано (запроектировано и смонтировано) одиннадцать вариантов конструкции ГБТС [2]. Ни один из них не выдержал испытаний на промышленных плантациях - сооружения разрушались раньше, чем был получен урожай. Эмпирический подход не обеспечивает гарантии устойчивой работы сооружений весь период эксплуатации. Значительными преимуществами обладает расчетный подход, используемый в проектировании объектов строительства. Он позволяет гарантировать с заданной надежностью прочность сооружения в течение всего срока эксплуатации, определить оптимальные размеры сооружений с минимизацией материалоемкости и стоимости, установить изменения, которые необходимо внести в типовую конструкцию ГБТС для эксплуатации в осваиваемом районе.

Разрушения ГБТС приносят огромные материальные и моральные потери и в значительной степени тормозят развитие отрасли в целом, т.к. процесс выращивания отдельных организмов до товарного вида занимает до трех лет.

Разработка основ расчетного проектирования требует целенаправленных научных исследований по определенным направлениям, входящим в инженерную теорию гидробиотехнических сооружений:

- изучение проблем среды и воздействий (изучение условий эксплуатации сооружений, связанных с силовыми воздействиями и влиянием среды на прочность материалов);

- разработке методов перехода от воздействий к нагрузке: определение величины и характера распределения и изменения во времени внешних по отношению к сооружению сил;

- разработке методов определения напряжений, перемещений и деформаций сооружений в статической и динамической постановках задач;

- оценки прочности, определение допустимого уровня внутренних усилий и сроков службы сооружений;

- построение основ и принципов проектирования конкретных узлов и деталей несущих конструкций.

Такие или похожие направления решаются при разработке элементов расчетного проектирования конструкций практически любого назначения.

Основным вопросом при расчете любого сооружения является определение нагрузки. На ГБТС на всем протяжении их эксплуатации действуют различные нагрузки, связанные с гравитацией, архимедовым воздействием воды, с технологическими операциями и эксплуатацией технологического оборудования, а так же с климатическими воздействиями окружающей среды (волновые, ветровые, ледовые, температурные, от течений и других природных явлений).

Наибольший вклад в нагрузку на ГБТС вносят волновые воздействия. Об этом говорят не только теоретические расчеты, но и то обстоятельство, что разрушение ГБТС происходит во время штормов.

Получить представление о воздействии и нагрузке помогает концепция сил, согласно которой, нагрузка — это усилия в связях между средой и сооружением. Для определения связей необходимо выделить сооружение, удалить внешние по отношению к нему связи и заменить эти связи силами (реакциями). Та часть пространства, которая при этом удаляется, называется средой, а силы (реакции), полученные в результате, называются нагрузкой.

Соответственно для гидробиотехнических сооружений нагрузкой на несущий каркас являются усилия в связях между вырастным элементом (средой) и удерживающим каркасом (сооружением), а для вырастного элемента - реакции в связях между точкой крепления выращиваемого объекта (среда) и гибкой нитью (сооружение) и т.д.

ГБТС являются существенно подвижными системами, в которых перемещения (деформации) приобретаемые при приложении к ним нагрузки соизмеримы с размерами самого сооружения. К таким системам не приемлемы традиционные допущения о малости перемещений и деформаций.

Условия работы ГБТС, находящихся в подвижной среде, и их конструктивные особенности обуславливают форму и положение сооружения. Форма сооружения и нагрузка на него не являются изначально заданными. Поскольку форма сооружения зависит от нагрузки на него, а нагрузка в свою очередь - от формы. Поэтому задачи определения усилий и перемещений (координат) неразделимы и должны для существенно подвижных систем решаться одновременно. Основы такого расчета существенноподвижных систем заложил д.т.н. Стоценко A.A. на кафедре «Теории сооружений» ДВГТУ г. Владивосток.

Целью данной работы является определение нагрузки на гидробиотехнические сооружения (ГБТС) от вырастных элементов при волновом воздействии.

Для достижения поставленной цели необходимо решение ряда задач: определить нагрузку на вырастной элемент от волнового воздействия; получить уравнение движения нити под действием волновой нагрузки; разработать метод решения поставленной задачи; на основе анализа полученных решений разработать основы построения поля нагрузок на ГБТС при волновом воздействии с учетом выключающихся связей.

1. Обзор конструкций гидробиотехнических сооружений

Представления о конструктивных схемах, функциях отдельных деталей и узлов, конкретном исполнении сооружений и анализ их разрушений позволяет определить онтологическую характеристику ГБТС. В нашем распоряжении имеются сведения о мировом опыте культивирования, отраженном в литературных источниках, отчетах о зарубежных командировках советских специалистов в КНДР, КНР, США, Францию и Японию, а также в патентных материалах. Нужно признать, что рассмотренные источники посвящены преимущественно биотехнологическим вопросам, конструкции ГБТС описываются в них схематично [2,16,45]. Естественно здесь невозможно привести все известные конструктивные решения сооружений, ибо каждое их них привязано к конкретным объектам культивирования, условиям эксплуатации, производственным силам и производственным отношениям. Для ориентировки в многообразии изучаемых сооружений, фиксации закономерных связей между элементами, функционального значения этих элементов, определения места элементов в общей конструктивной схеме выделим и проанализируем основные элементы ГБТС.

Очевидно, что ГБТС должны выполняться так, чтобы создать оптимальные (с точки зрения продуктивности) условия жизнедеятельности объектов выращивания на плантациях. В частности, ГБТС должны способствовать интенсивному поступлению питательных веществ и лучистой энергии солнца. На конструкции ГБТС влияет способ содержания организмов, который зависит от объективно сложившегося образа их жизни. Не прикрепляющиеся пелагические и бентосные объекты, например, требуют относительно свободного передвижения, поэтому их разводят в загонах, образуемых ограждениями, и в различного рода садках. Прикрепляющиеся объекты не требуют замкнутых объемов и могут выращиваться в субстратах, оснащенных устройствами, способствующими прикреплению к каркасу.

Кроме того, ГБТС должны обеспечить успешную хозяйственную деятельность, связанную с посадкой, уходом за плантациями и сбором урожая. При этом необходимо учитывать стремление к исключению дорогостоящих (например, водолазных) работ и максимально возможной механизации и автоматизации трудовых процессов.

ГБТС в связи с их назначением должны содержать элементы, выполняющие функции содержания культивируемых объектов в процессе их роста и развития и функции удержания культур в определенном районе и заданном горизонте.

Конструктивно эти функции выполняются:

• вырастными элементами, которые служат для непосредственного содержания культивируемых объектов.

• несущим каркасом, включающим собственно несущие конструкции (к ним непосредственно крепятся вырастные элементы) и системы удержания

• системой горизонтального удержания, которая включает якоря, анкеры и другие устройства, прикрепляющие сооружение к земле

• системой вертикального удержания, которая содержит плавучести, стойки и другие устройства, позволяющие сохранять по мере надобности изменять заданный горизонт в процессе выращивания

1.1 Загоны и вольеры

Загоны и вольеры образуются ограждениями, не препятствующими естественной циркуляции воды. Они должны способствовать сохранению в пределах загона культивируемых объектов и мешает попаданию в него вредителей. Ограждения выполняют в той или иной степени водопроницаемыми. Это могут быть дамбы из каменной наброски (без водонепроницаемого ядра), но чаще ограждаемыми элементами служат сети

81], выполненные из волокнистых проволоки (рис. 1.1, 1.2). материалов или из гальванизированной

Рис.1.1 Ограждение Хациуси (Япония); а) разрез 1-1; б) - ситуационный план;

1-цепь; 2-сеть; 3- свая; 4-стальной трос; 5-гравитационный якооь; 6-ограждение; 7-шлюз.

Сети поддерживаются несущими конструкциями, зависящими от глубины водоема [45]. На глубине до семи метров рекомендуется применять А-образные опоры. На глубинах 5-12 метров используются Н-образные и К-образные свайные опоры. На больших глубинах (до 20 м) применяют заякоренные понтоны, с которых свисают сети. Обычно ограждения имеют два сетных слоя - удерживающий и защитный.

При разведении пелагических объектов (т.е. объектов обитающих в толще воды и на ее поверхности) ограждения прорезают всю толщу воды и возвышаются над уровнем моря 0,5-1,5 м. Бентосные объекты (обитающие на

5.6 Выводы

На основании произведенных исследований изменения импульсов в связи вырастного элемента с несущим каркасом ГБТС можно сделать следующие выводы о формировании поля волновой нагрузки на вырастные элементы ГБТС:

1. поле волновой нагрузки определяется пространственным полем квадрата скоростей движения частиц жидкости;

2. при помещении гибкого вырастного элемента в поле волновой нагрузки в связях вырастного элемента возникают усилия обусловленные сопротивлением вырастного элемента движению частиц в волне;

3. усилия в связях вырастного элемента при волновом воздействии носят импульсный периодический характер;

4. кривая изменения импульса во времени хорошо апроксимируется частью синусоиды, параболой, а в отдельных инженерных расчетах может быть заменена и прямоугольником;

5. для характеристики момента включения и выключения связи, т.е. начала теневой области и ее конца, могут служить графики зависимости изменения положения точек, в которых функция г|(а,^,р,т), характеризующая импульс во времени, равна нулю (рис.5.5.2);

6. с увеличением значения коэффициента р, т.е. веса груза вырастного элемента, появляются области, в которых связи никогда не выключаются;

7. с целью определения характеристики волновой нагрузки на вырастной элемент: начало и конец действия импульса, его форма и величина, моменты «включения-выключения» связей, может быть построена схема, полученная наложением графиков изменения значения функции г|(а,^,р,т) и моментов «включения-выключения» связей (рис.5.5.3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе был решен ряд задач с целью определения нагрузки на гидробиотехнические сооружения:

- Проведен обзор конструкций и вырастных элементов. Установлены типы элементов и схемы их закрепления к несущему каркасу;

- Установлена на основе натурных экспериментов в большом волновом лотке преобладающая скоростная составляющая волновой нагрузки на вырастной элемент;

- Получены коэффициенты сопротивления вырастных элементов для выращивания отдельных слоевищ и пучков ламинарии, мидий и гребешка;

- Выявлена удельно-весовая характеристика для исследованных вырастных элементов в зависимости от типа организмов и их массы, которая позволяет определять сопротивление по характеристикам роста и развития организмов, т.е. проектной урожайностью;

- Получены уравнения движения вырастного элемента в волне с учетом динамической составляющей волнения;

- Предложен приближенный численный метод решения дифференциальных уравнений основанный на комбинации аналитического метода Пиккара-Линделефа и формул численного интегрирования (трапеций, Симпсона);

- Исследован предложенный метод на сходимость и устойчивость при различных параметрах динамических систем;

- Установлены параметры численно интегрирования для предложенного метода, позволяющие получить решение поставленной задачи с заданной точностью;

- Проведены численные эксперименты решения модельных задач с известными аналитическими решениями;

Выполнена постановка задачи расчета вырастного элемента с неподвижной точкой крепления к несущему каркасу;

Определены и исследованы «теневые» области, в которых отсутствуют усилия в связи между вырастным элементом и несущим каркасом;

Разработаны основы формирования поля нагрузки от волнового воздействия для ГБТС с учетом выключения гибких связей вырастных элементов.

1. Бабенко А.И., Тен О.П. Гидробиотехнические сооружения водорослевых плантаций./ Технические средства марикультуры. М. ВНИРО, 1986 г., с.36-41.

2. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения).-М. 1973 г.

3. Бреббиа К., Уокер С. Динамика морских сооружений. Л., Судостроение, 1983 - 232 с.

4. Вержбицкий В.М. Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения). -М. 2001 г.

5. Гидробиотехнические сооружения. НМ-01-88. Нормативные материалы. Основные положения проектирования. Владивосток, 1988г. — 13 с.

6. Гидробиотехнические сооружения. НМ-02-88. Нормативные материалы. Нагрузки и воздействия. Владивосток, 1988г. 30 с.

7. Гидробиотехнические сооружения. НМ-03-88. Нормативные материалы. Гибкие сооружения. Владивосток, 1988г. 11с.

8. Гидробиотехнические сооружения. НМ-06-89. Нормативные материалы. Оценка прочности и долговечности элементов ГБТС, выполненных из полимерных материалов. Владивосток, 1989г. — 18 с.

9. Горобец Б.Н. К вопросу силового воздействия волны на заякоренное сооружение, находящееся на плаву. — Вестник Львовского политехнического института, 1978 г., №127, с.43.

10. Давлетшин В.Х., Стоценко A.A. Измерение усилий в элементах установки для выращивания морского гребешка в натурных условиях/

11. Гидравлика и гидротехника. Владивосток. ДВПИ, 1975 г., т. 109, с. 6066.

12. Давлетшин В.Х., Стоценко A.A. Колебание двух массовой системы в жидкости/ Гидравлика и гидротехника. — Владивосток. ДВПИ, 1975 г., т.109, с. 55-60.

13. Давнин С.И. Гидродинамическое сопротивление плохообтекаемых тел. -Л., Судостроение, 1969 г., 360с.

14. Джунковский Н.И. Действие ветровых волн на гидротехнические сооружения. М. - JL, Стройиздат., 1940 г., 212 с.

15. Дмитриев Л.Г., Касилов A.B. Байтовые покрытия (Расчет и конструирование). К. Будивельник, 1974. - 271 с.

16. Докукин М.М., Держинская И.А. Технические средства марикультуры. Обзорная информация./ЦНИИТЭИРХ. М.,1987 г. - 49 с.

17. Жуков К.А., Стоценко A.A. Волновые нагрузки на гидробиотехнические сооружения. XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий. Тезисы докладов. Миасс: МСНТ, 2003.- с.20.

18. Жуков К.А. Методика определения сопротивления движению вырастных элементов гидробиотехнических сооружений в воде//Строительство и архитектура. Научная конференция Вологдинские чтения. Материалы конференции. ДВГТУ 2002. - 45 с.

19. Жуков К.А. Постановка задачи динамического расчета вырастных элементов гидробиотехнических сооружений// Строительство и архитектура. Научная конференция Вологдинские чтения. Материалы конференции. ДВГТУ 2003. - 108 с.

20. Жуков К.А. Метод Пикара-Линделефа при решении систем дифференциальных уравнений первого порядка.// Труды ДВГТУ; вып. 140 Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С.191-193.

21. Жуков К.А. Основы формирования поля волновой нагрузки на вырастные элементы гидробиотехнических сооружений (ГБТС).// Труды ДВГТУ; вып. 140 Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С. 193-196.

22. Жуков К.А. Динамический расчет гибкого вырастного элемента ГБТС с использованием метода Пикара-Линделефа при волновой нагрузке.// Труды ДВГТУ; вып. 140 Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С. 196-200.

23. Жуков К.А. Использование приближенного метода Пикара-Линделефа при решении динамических задач.// Труды ДВГТУ; вып. 140 -Владивосток: ДВГТУ, 2005. С.200-203.

24. Ивович В.А. Динамический расчет висячих конструкций. М., Стройиздат., 1975 г. - 192с.

25. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям (коэффициент местных сопротивлений и сопротивлений трения). — М. — Л., Госэнергоиздат, 1960 г. 465 с.

26. Каспарсон A.A., Халфин Н.Ш. О выборе коэффициента лобового сопротивления цилиндрических тел, обтекаемых волной. Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1967 г., вып.34, с.35-43.

27. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М. 1976 г.

28. Качурин В.К. Статический расчет вантовых систем. — Л. Стройиздат., 1969 г. 141 с.

29. Кожевников М.П. Гидравлика ветровых волн. -М. Энергия, 1972г.-262 с.

30. Кочин Н.Е., Кибель Н.А., Розе Н.В. Теоретическая гидродинамика. М. Физматгиз., 1963 г. — 563 с.

31. Крылов Ю.М. Методы расчета элементов ветровых волн, их проверка и применение к вычислению максимальных размеров штормовых волн Апшеронского морского района. — Тр.ГОИН, 1957 г., вып. 36, с. 63-86.

32. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. JI. Гидрометеоиздат, 1966 г. -255 с.

33. Кузнецов Э.Н. Введение в теорию вантовых систем. М. Стройиздат., 1969-143 с.

34. Кузнецов Ю.В., Крючков В.Г. Результаты разработки и испытания технических средств выращивания мидий в Керченском проливе. Технические средства марикультуры. М. ВНИРО, 1986 г. с.41-50.

35. Лаппо Д.Д. Вопросы теории и практики расчета волн на воде и их взаимодействие с преградами. Теория волн и расчет гидротехнических сооружений. М. Наука, 1965 г., с.3-13.

36. Лаппо Д.Д., Шестаков Ю.Н. Некоторые результаты исследования коэффициентов сопротивления при обтекании цилиндра волной. — Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1967 г., вып. 34, с.55-68.

37. Лаппо Д.Д., Каплун В.В. Исследование волнового давления на вертикальные преграды. Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1967 г., вып.34, с.69-85.

38. Лаппо Д.Д., Соколов А.В., Мищенко С.С., Каплун В.В., Миловидов B.C. Расчетные формулы и графики для определения нагрузок на обтекаемые преграды. Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1967 г., вып.67, с.99-115.

39. Лаппо Д.Д. Современное состояние и направление исследований воздействий на вертикальные преграды гидротехнических сооружений. -Труды координационных совещаний по гидротехнике, 1972 г., вып.75, с.4-18.

40. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. (Теория. Инженерные методы. Расчеты). -Л. 1990 г. 432с.

41. Лишонов O.E. Влияние течения на характеристики волновых нагрузок на конструкции ПБУ. Судостроение, 1980 г., №9, с. 12-14.

42. Милн П.Х. Морские хозяйства в прибрежных водах. М. Пищевая пром-сть, 1978 г.-198 с.

43. Мингизатдинов А.И. Гидротехнические сооружения для хозяйств марикультуры. Владивосток. ЦПКТБ Дальрыба, 1983 г. - 33 с.

44. Михеев В.П. Садковое выращивание товарной рыбы. М. / Легкая и пищевая промышленность, 1982 г. -216 с.

45. Описание живорыбного садка всплывающе-погружающегося типа. — Бриджстоун Тайа Ко, ЛТД (Япония), 1981 г. 32 с.

46. Плавучая морская ферма нового типа. Экспресс-информация/ ЦНИИТЭИРХ. вып.6.— М. 1986 г. с.10-11.

47. Пантелеев A.B., Якимова A.C., Босов A.B. Обыкновенные дифференциальные уравнения в примерах и задачах. -М. 2000 г.

48. Пронкин Б.И., Стоценко A.A. Нагрузки на гидробиотехнические сооружения/ Прочность и устойчивость инженерных конструкций/ Межвуз. сб. Алтайск. политехи, ин-т. Барнаул, 1987 г. - с. 59-64.

49. Пронкин Б.И., Стоценко A.A. Устройство для дистационного размещения под водой и подъема исследуемого объекта/ авт.св. СССР №1425883.-М, 1988 г. 7 с. (Кл. А 01 к 79/00).

50. Раков В.А. Культивирование моллюсков во Франции. Биология моря. — М., 1984 г. -№1, с. 67-72.

51. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения. JI. ВНИИГ, 1977 г. - 316 с.

52. Слевич C.B. Шельф, освоение и использование. JI. Гидрометеоиздат, 1977 г.,-239 с.

53. СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М. Госстрой, 1989 г. — 78с.

54. Справочник по культивированию беспозвоночных в южном Приморье/ ТИНРО-центр. Владивосток, 2002 г. - 83 с.

55. Справочник по сетеснастным материалам и промысловому сооружению/ Минрыбхоз, ВПРО "Дальрыба". Владивосток, 1983 г. - 171 с.

56. Стоценко A.A. Динамика подвижных тросовых систем. Прочность гидротехнических сооружений. Владивосток, ДВПИ, 1986 г., с.15-27 (деп. В ЦНИИТЭИРХ, библ.указ. ВНИИТИ, №5 (175). - М., 1986г., с.135.

57. Стоценко A.A. Гидробиотехнические сооружения. -Владивосток. Идз-во ДВГТУ, 1984г.-136 с.

58. Стоценко A.A. О решении волновых задач методом расчленения. Метод конечных элементов и строительная механика. JL, ЛПИ, 1976 г. №349, с.98-103.

59. Стоценко A.A. Основы проектирования гидробиотехнических сооружений в условиях Тихоокеанской шельфовой зоны СССР. Научно-технические проблемы марикультуры. Владивосток. IV Всесоюзное совещание, 19836 г., - с. 108-111.

60. Стоценко A.A. Приближенный расчет существенно подвижных тросовых систем. Прочность и устойчивость инженерных конструкций. Барнаул., Межвузовский сборник, 1979 г., вып.2, с. 83-96.

61. Стоценко A.A. Разработка методики расчета и конструирования морских гидробиотехнических сооружений. ИЛ о научно-техническом достижении. Владивосток, Приморский ЦНТИ, 1980 г., вып. № 130-82. -4 с.

62. Стоценко A.A. Расчет существенно подвижных тросовых систем. ИЛ о научно-техническом достижении. Владивосток, Приморский ЦНТИ, 1981 г., вып. №07-81.-4 с.

63. Стоценко A.A. Сооружения водорослевых плантаций, эксплуатируемых в условиях открытого моря. ИЛ о научно-техническом достижении. — Владивосток, Приморский ЦНТИ, 1982 г., вып. № 130-82. -4 с.

64. Стоценко A.A., Пронкин Б.И. Устройство для измерения усилий в гибких нитях/ авт.св. СССР №892244. М., 1981 г. - 7 с.

65. Стоценко A.A. Устройство для выращивания морских организмов/авт.св. СССР №1123608. М., 1984 г. - 4 с. (Изобретения в СССР и за рубежом, №42,15.11.84).

66. Турчак Л.И. Основы численных методов. -М. 1987 г.

67. Тэрао Тосиро. Выращивание лососевых рыб в сетчатых садках. -Сокяно-Томидзу, 1982 г. №20, с. 12-15.

68. Хартман Ф. Обыкновенные дифференциальные уравнения. -М. 1970 г.

69. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. -М. 1972 г.

70. Чупешева Н.Г., Пегливаньян В.А. Рекомендации по использованию искусственных нерестилищ сельди в заливе Петра-Великого. -Владивосток, 1987 г. 12 с.

71. Aquaculture in the Americans/ Symp. "Science and Man in the Americans". Mexico, 20 June 4 July 1973. Mar. Fish. Rev., 1975, 37, №1, p. 1-56.

72. Aquaculturists taking a second look at seaweed. Austral. Fish. 1976, 35, №2, p. 30-31.

73. Beleau M.H., Heidelbaugh N.D., Van Dyke D. Open-ocean farming of kelp for conversion to animal and human foods. Food Technol.,1975, 29, №12, p.27-30,45.

74. Castagna Michael. Culture of the bay scallop, Agropecten irradians, in Virginia. Mar.Fish. Rev., 1975, 37, №1, p. 19-24.

75. Fujiva Masary. Jellwtail (seriola quinqueradiata) farming in Japan. J. Fish. Res. Board Can., 1976, 33, №4, p.911-915.

76. Harache Jves, Novothy Anthony J. Coho Salmon farmihg in France. Mar. Fish. Rev., 1976, 38, №8, p. 1-8.

77. Hasegawa Joshio. Progress of Laminaria cultivation in Japan. J. Fish. Res. Board Can., 1976, 33, №4, p.1002-1006.

78. Katayama Masatoshi, Norimatsu Jasufiimi, Miva Eiichi. On analysis method of Mooring system for floating offshore structures. Techn. Rev., 1977, 14, №1, p.326-335.

79. Meixuex R. Uberwinterung Won Pazfischen Austern Crassostrea Qigas on der deutschen Ostseekuste. Arch. Fischreiwiss, 1974,25, №1-2, p.47-52.

80. New system for growing clams, oysters, mussels. Food Can., 1975, 35, №8, p.23.

81. Pria В., Crimond J. Analyse de reseam de flexibles. Anal. Eng. Sei. Proc. 2-nd Int. Symp. Monreal, 1980, p. 689-700.

82. Sinclair G.B., Holder S.B. Exact solution for elastic cable systems. — Int. J. Solid and stract., 1980, 17, №9, p. 845-854.

83. Steen M. Greep life Assessement by low strain Rate tensile testing. Int. J.Pressure vessels and pipe. 1983, 14, №4, p. 201-205.