автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Исследование напряженного состояния и формы подвижных сетных полотнищ гидробиотехнических сооружений

дальневосточный государственный технический университет

ол

' На правах рукописи

МАЛЬКОВ Николай Михайлович

Исследование напряженного состояния и Форш подвижных сетных полотнищ гидробиотехнических сооружений

05.23.17. Строительная механика

Автореферат Оиссортацт на соиотаю ученой апопони кандидата технических наук

Владивосток 1994

2 1\

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.А. Стоценко

Официальные ошоненты:

доктор технических наук, профессор Б.И. Друзь

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Н. Кархалев

Ведущая организация:

Дальневосточный научно-исследовательский институт морского флота СДВНШФ)

Защита состоится "_"_ 1994 г. в _часов на

заседании специализированного Совета К 064.01.04 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу г. Владивосток, пр-т Красного Знамени 66, ауд. 807.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке технического университета.

Просим Вас принять участие в закате и направить Ваш отзыв в двух экземплярах по адресу: 690014, г. Владивосток, проспект Красного Знамени 66, Ученый Совет К 064.01.04.

Учеьый секретарь специализированного

Совета кандидат технических наук, доцент Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и значение работы.

Объективная потребность в развитии производящего хозяйства в море (марикультуры) приводит к необходимости проектирования, строительства и эксплуатации гидробиотехнических сооружений (ГБТС). В состав многих ГЕГС в качестве несущих или ограждающих элементов входят сети или сетные полотнища.

В начале становления марикультуры предпринимались попытки полностью перенести методы проектирования орудий рыболовства на гидробиотехнические сооруженйя в составе которых имелись сетные полотнища. Известны, например, работы по проектированию ограждений Института гражданских инженеров Склайдфордского университета (Англия), выполненные под руководством Милна П.Х. В руководстве по проектированию и строительству ограждений, разработанных в этом институте, приводятся способы определения давления на опоры ограждений. Расчеты построены на моделировании ветра и волн стационарным потоком и исследовании в натурных условиях сопротивления обросших сетей. Японская фирма "Бриджстоун", специализирующаяся на изготовлении сетных садков для рыб, использует расчеты, которые также базируются на традициях проектирования орудий промышленного рыболовства.

Специфические особенности орудий цромрыболовства, основными из которых являются малый срок службы (низкая капитальность) и быстрая окупаемость (бывает, что одним уловом практически полностью окупаются затраты на проектирование и изготовление орудия рыболовства) послужили но нога вогляд причиной того, что мотоди прооктироппния тпких орудий опираются на натурные эксперименты, эмитадаонное моделирование и расчеты, построенные на известном решении о цепной линии.

Хотя осиошши доли ообос.'оимости продукции марикультуры определяется стоимостью гидробиотэхнических сооружений, необоснованная "экономия" приводит к разрушению их, приносящим огромный материальный ущорб и тормозящим становление и развитие пчантационного направления з марикультуре. Известны разрушения ограждений в Японии (из семидесяти семи ограждений после штормов осталось только восемь), рыбоводных ;идкои и СССР, Гормииш, Японии, ША.

Подход к проектированию ГБТС разработанный в ДВГТУ с учетом особенностей 1а работы в сложных уолоииях на ироиашдотиошшх шшитшдалх позволяет расчетным путем с достаточной надежностью получать прочные, устойчивые и долговечные сооружения, привязанные к конкретным условиям их оксплуотоции.

Каши исследования направлены'на разработку приближенного метода определения формы и связанного с не» напряженного состояния сущест-ьошю подлинных оопшх полспощ я веданном пол? нвгруоки и ого численной реализации. Работа выполнялась в рамках важнейших НИР.

- Государственного слана Российской Федерации (постановление Совета министров #580 от 10.11.79); тема 002.70.3.16.5 - Разработка конструкций инженерных сооружений по искусственному выращиванию морских организмов;

- Научно-технической программы РОСМИНВУЗа "Мировой океан" (приказ *287 от 26.06.77); тема 2.И.2.1.3 - Разработка и совершенствование методики расчета и конструирования морских инженерных сооружений для разведения водорослей, морского гребешка, устриц и мидий;

- Научно-технической программы РОСМИНВУЗа "Океанотехника" (приказ Л178 от 14.08.86); направление 07 - Исследование и проектирование гидробиотехнических средств освоения океана;

- Научно-технической программы Госкомвуза "Дальний Восток" (приказ М25 от 25.05.93); тема - Разработка основ проектирования, технологии изготовления и монтажа сооружений морских плантаций по получению продукции и очистке вод аельфовой зоны морей Дальнего Востока.

Цель.и задачи исследований, в связи с выше сказанным целью нашей работ является разработка, исследование и создание проптического аппарат по определению форм и расчета напряженного состояния существенно подвижных сетных полошщ, работающих в составе гидробиотехнинескиг сооружений.

Реализация данной цели достигается решением следу*шх задач:

- детальной постановкой изучаемой проблемы и построения расчетной схемы сетного полотна;

- вывода уравнений состояния сетных полотнищ;

- вывода разрешающих уравнений приближенного метода расчета сетных полотнищ, основанного на метода расчленения дифференциальных операторов Л.А. Розина;

- построения алгоритма расчета приближенного метода и исследования точности и сходимости метода на модельных задачах;

- определения напряженно-деформированного состояния реальных ГБТС (нерестилищ для сельди, вольеров для выращивания гребешка) эксплуатируемых в условиях Юга Приморского края.

Научная новизна и практическая ценность проведенных исследования.

В результате проведенных исследований

- выявлены особенности работы сетных полотнщ в составае ГБТС, построена расчетная схема и поставлены задачи поверочных и проектировочных расчетов таких полотнищ;

- получены уравнения состояния сетных полотнищ при их существенной подвижности в поле действующих нагрузок;

- разработаны программные средства для реализации приближенного мотода;

- проведен расчет реальных гидробиотехнических сооружений, имеющих в своем составе сетные полотнища.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и одобрены не научно-технических конференциях ДВГТУ (ДВ1Ш) -XXX - XXXIII (1990 - 1993), научно-технических семинарах кафедры строительной механики МИСИ (1989), кафедры строительной механики и механики грунтов ДВГТУ (1987-94), кафедры гидротехники ДВГТУ (1989).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в четырех печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит

страниц машинописного текста, включая рисунков твблиц, библиографию из наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и значение работы, формулируются цели и задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, дается краткое содержание работы.

В первой главе приводятся пример« ГБТС , выполнен-

ных на основа сетных полотнищ; обращается внимание на их особенности; на основе анализа исследований в области расчета гибких тросовых систем, мягких и сетчатых оболочек устанавливаются условия приемлемости существующих методов, направления их доработки и обоснование новых подходов.

Известно, что специфические особенности определенного класса сооружений накладывают свой отпечаток на построение расчетного аппа-рото для их проектирования. В овяаи о этим, для того, чтобы судить с приемлемости методических подходов и арсенала существующих расчэтшх методов, установить необходимость их корректировки, дополнения и выработки ио1шх подходов, тробуотоп оиать конструктивные характеристики изучаемых сооружений. В главе проведен анализ конструктивных схем, условий работы и эксплуатации гидробиотехнических сооружений в состав которых о качество нооущих или ограждающих элементов входят соти. Среди таких сооружений были выделены загоны и вольеры, сети-хиби v сетные нерестилища, садки и садковые устройства.

Проанализировав работу гидробштехнических сооружений можно сделать вывод, что близкими к ним ш характеру работы являются геометрически нелинейные системы с большими перемещениями такие как мягкие оболочки, тентовые покрытая, вантовые системы, мембраны, сетчаты* оболочки. Теории расчета таких сооружений достаточно глубоко разработаны, поэтому в главе делается обзор втих теорий.

Наиболее подробно анализируются работы со расчету мягких оболочек и различные подходы к построению теорий расчета таких оболочек ввдолоны три подхода к раочету мягких оболочек:

- расчет по недеформированной схеме, без учета влияния изменений Форш по сравнению с начальной;

- расчет, при котором деформации предполагаются малыми, лииойм упругими;

- расчет по теории больших деформаций.

Риочот по пориой мотодико продоташюн роботами Гониопа Г.А. Магулы В.Э., Друзя 5.И., Азовцева А.И. и других авторов.

Теория малых деформаций мягких оболочек сформулирована в труда Алексеева O.A., в дальнейшем развита в работах Балабуха М.И. и Усюки на В.И., предложивших приближенную техническую теорию мягки оболочек, а также в работах других авторов.

Теория больших деформаций мягких оболочек была предложена Григорьевым A.C. и получила дальнейшее развитие в работах «Седина И.И., Мамедова И.Г., Солодилова Ю.И., Трушиной В.М., Литвиной Е.Д., Сярова а.и. других авторов.

Подходы к рничоту ПШ1ТОШ1Х листом оформулиропшш в трудпх Куаио-цова Э.Н., Дмитриева Л.Г. и Касилова A.B., в главе рассматриваются также рэботы Кривоноса Л.П., Мухадзе Л.Г., Хуберяна K.M. других иитороо.

Рассматриваются подходы к расчету мембран изложенные в работах Трофимова В.И., Людковского И.Г., Москалева Н.С., Хуберяна К.М.,Тума-сииа 1С.А., Елисоооо ю.А., Литашгой Е.Д. и других авторов.

Безмоментная теория сетчатых оболочек представлена работами Пшеничного Г.И., Бидермана В.Л. и Бухина Б.Л. и других авторов.

Сравнивая подхода к расчету рассмотренных выше типов сооружений и характер их работы с работой гидробиотехнических сооружений делается вывод о том, что ГБТС, выполненные на основе сетей по характеру работы отличаются от рассмотренных сооружений тем, что нагрузка, действующая на них не имеет строго, определенного направления, ГБТС, как правило, не имеют жесткого опорного контура, часто крепятся по отдельным сторонам или даже в отдельных точках. Основное различие состоит в том, что при действии нагрузки на ГБТС, координаты точек сооружений в деформированном состоянии значительно отличаются от координат начальной формы, и, если рассматривать перемещения точек как изменение координат, то они будут соизмеримы с размерами самих сооружений. Учет особенностей ГБТО требует вывода основных зависимостей и разработки методов расчета, отличных от тех, что применяются при расчете традиционных сооружений.

Во второй главе на основе анализа особенностей работы ГБТС строится расчетная схема сетного полотна; формулируются допущения, вводимые в расчетную схему; дается математическое описание напряженно-деформируемого состояния сетного полотна в произвольных криволинейных ортогональных и неортогональных координатах.

Особенности эксплуатации ГБТС отражаются на работе сетных полотнищ, в работе отмечаются эти особенности, связанные с выращиваемыми организмами и морской средой а которой они выращиваются. Делается вывод, что сетные полотнища ГБТС относятся к существенно подвижным

гибким сооружениям, в которых форма сооружения тесно связана с действу щой нагрузкой. О свяои о отим, формулируются поомокпио оидачи поверочного и проектировочного расчетов.

Различаются два исходных состояния полотнищ. Первое, когда полотнище может быть перед установкой В проектное положение слегка натянуто на крркас произвольной формы и иметь уже некоторую относительно стабильную форму, задаваемую каркасом.

Для таких полотнищ начальным расчетом необходимо уотвновить форму, занимаемую полотном. Последувдий раочет рабочего состояния полотна должен определить положение его в заданном поле нагрузки.

Второе, когда полотнище выкроено и сшито, то есть определена внутренняя геометрия полотна в не деформируемом состоянии. Под действием заданного поля нагрузка полотно расправляется и формирует свою геометрию в соответствии о полем нагрузки. Раочетом необходимо установить эту геометрию и усилия в полотне, которые при этом получаются.

Эти две задачи расчета полотнища в заданном поле нагрузки называются прямыми. Но возникают еще две обратные задачи, которые также решаются расчетом. Первая - какова должна быть форма каркаса, на которую натягивается полотно, чтобы сохранить форму сооружения в заданном поле нагрузки. Например, чтобы полотно не "олишюоь" и находящиеся в садке культивируемые организмы не погибли, садок должен сохранить заданный объем.'

Вторая обратная задача - определение формы выкройки полотна так, чтобы в заданном поле нагрузки сооружение приобрело требуемую форму.

Расчетная схема сетного полотнища отроитоя на следующих гипотезах и допущениях. Во-первых, ввиду малости- размеров ячеек сети по сравнению с размерами полотнище в целом, считается что материал в нем распределен непрерывно как по поверхности полотна, так и по его толщине.

Во-вторых, толщина полотнища мала по сравнению с другими его габаритными размерами.

В-третьих, полотнище составлено из двух перекрестных семейств нитей в двух произвольных веортогональных направлениях. Семейства нитей соединяются так, что в узлах исключается проскальзывание одной нити относительно другой.

В-четвертых, материал полотнища считается упругим с линейной или

степенной зависимостью меаду напряжениями и деформациями.

В-пятых, нити, составляющие полотнище обладают нулевой жесткостью на сжатие, срез и изгиб.

Такие . допущения дают возможность рассматривать полотнище как некоторую среду, сопротивляющуюся только растяжению (перерезывающие, сдвигающие, сжимаюцие усилия, изгибающие и крутящие моменты в ней отсутствуют). Таким образом, в основу расчетной схемы , дальнейшей теории и математической постановки расчета, вводятся допущения, физический и геометрический смысл которых, является обобщением теории расчете существенно иодтшшх нитей, разработанной A.A. Стоценко.

Поскольку геометрической формой полотнища в конечном состоянии является некоторая поверхность, для вывода уравнений состояния полотнища, u глаио приьодятся необходимые сведения из теории поверхностей.

Описание напряженно-деформируемого состояния полотнища включает три группы уравнений.

Уришюшш риинииеоия:

-gä(ööooxy-VCOÜX-Ü У •^ß(ATß)^AB0inx(Qß*000%Qa)"0

ip ip

+ + Vtnx " 0 •

Геометрические уравнения (уравнения Кодацци-Гаусса):

_ OU _ 12_ ß -jr . I_2_ f I OA .

Ijß Ш ГёШ2% l^P TJ5 C08X )h + ГЖгГх IT Ш +

♦ " W "В +

+ mm2r (i WlABc0ff)i) ' С08Х-ш - = 0

ÖL OM _I_o f I <5 OS ^^ В 0 "|r ,

~Ш "Щ ГШ2х 1.ТГ -дрМЗсозх) - -щ coe% - т -fajL +

- - ~ ооех^У-О ,

(I)

(2)

Ш - - - { ЛВ + - -§£соа%] +

о2'

Физические уравнеаия:

А ' ( 1 + Т£ТГ К •

8 - (1 + А- к -

г,

(3)

где Та, Тр - компоненты вектора внутренних нормальных сил (рис. I); да, др. д^ - компоненты вектора нагрузки; Л, В, х - коэффициенты первой квадратичной формы поверхности; I, М, Я - коэффициенты второй квадратичной формы поверошости, - главные кри-

визны поверхности; Еа, - модули упругости материала полотнища соответственно в направлении осей а и р; С - толщина полотнища.

Восемь независимых уравнений (I), (2) и (3) содержат восемь неизвестных функций (!Ра, 5Гр, А, В, %» Ь» Ю» то есть образуют полную систему уравнений. Подобным образом поставлена задача расчета мягких оболочек Магулой В.Э. (отличие состоит в том, что мягкие оболочки сопротивляются сдвигу и для них полная система состоит из II уравнений), который отмечал, что схема расчета в такой постановке "недостаточно освоена, отсутствуют готовые алгоритмы и программы". По нашему мнению трудности алгоритмизации связаны с невозможностью применения традиционных численных методов к теории поверхностей.

Чтобы использовать идеи предлагаемого приближенного метода, все полученные уравнения состояния полотна представляются через прямоугольные координаты, и, учитывая, что Ова-АОа и Оа^шр, уравнения (I) и (2) принимают вид:

Щ- Щ

[ Я)+ (А)+ (А) ~~

где

«-г ?ЧЛ> Ог= ?Чг>

ОТ, ,2

ч*

Ох^

дх1

Эх- (?х1 .2

0Г, <Эх„ .2 ,1/2

"1

ОЗр сГз^

V]

В третьей главе шводятся соотношения приближенного метода, основанного на расчленении уравнений состояния полотнища, представляемого как перекрестная система непрерывных семейств нитей; исследуется алгоритм расчета сетных полотнищ с точки зрения его вычислительной эффективности, точности и сходимости; решаются модельные задачи.

Для внвода рззревалхих уравнений приближенного метода расчета сетных полотнищ применим к уравнениям равновесия (4) метод расчленения дифференциальных операторов, предложенный Л.А. Разиным.

Расчленение операторов позволяет придать исходной задаче различные формулировки, допускающие удобные решения. Применяя процедуру расчленения к уравнениям (4), получим две системы уравнений (вдоль семейств линий а и Р):

1

'а ( ?а -а Озй

А I *а \ в <?сц}

-Зз^

(6)

(7)

где 3=1,2,3: д^ и - функции взаимосвязи. Причем уравнения (6) и (7) описывают равновесие полотнища если выполняются условия "сращивания":

^ + " % •

= £

где <3^ - нагрузка, действующая на полотнище, ¿=1,2,3.

+

Таким образом полотнище может быть представлено как непрерывные в двух направлениях семейства нитей, связанные между собой силами взаимодействия и и условиями взаимосвязи (8). Дойствитольио, уравнения (6) и (7) описывают равновесие двух непрерывных сплошных и прекрестных семейств нитей.

Силы взаимосвязи и можно ыиовать иигрузкими или роакции-ми взаимодействия между семействами нитей. С введнием сил взаимодействия увеличилось количество неизвестных (их стало четырнадцать - Га, 7р. лЗ, з^, 110 Увеличилось и количостои уроююний ((6) -

три, (7) - три, (8) - шесть), которые дополняются уравнениями неразрывности в направлении каждого семейства нитей:

& й

р

3 ¿«1

ИГ

(9)

Таким образом имеем полную систему уравнений (6) - (9).

К каждому семейству нитей может быть применена процедура получения приближенных уравнений цредлагаемого метода.

На поверхности полотнища вдоль координатных линий нанесем расчетную сеть (рис. 2). Пересечение расчетных линий назовем узлом ik (индекс i - вдоль за, к - вдоль sa, i=o,i,2,...,n, к=о,1,2,...,т). В соответствии с процедурой получения приближенных уравнений проинтегрируем (6) и (7) один раз соответственно по за и э^. Предварительно представим реакции взаимосвязи в виде суммы произведений известных функций ср¿(Зд) и cp^iSp) на значения реакций в узлах qa.jilc,

II qaijk <Pk • a f l fyiik Ь 9k '

(Ю)

где - означают реакции взаимосвязи, приложенные к семейству

нитей р (р=а,р) по направлению ¿-той оси в узле Не.

Если функции и ф^ принять линейными и существующими в пределах можду соседними узлами (рис. 3):

№

г

ос

Рис. I. Элемент полотнища

"/в

Рис. 2. Рисчотиим соть полотнища

Рис. 3. Вид функций $Р£ и 5Рк

а - в

1-1 (к-1)

31(кГ 81-1 (к-1)

, при в < в 1.1(к.1}

' ЧИ а1-1(к-1)< а < э1(к)

в - з

2Ш.

а1+1(1+1)~ 31(к>

при в1(к)

< 3 < 8

1+1 (к+1)

О

Щ"2 * > 81+1 (к+1)

то (6) и (7) после интегрирования вдоль намеченных линий между соседними ««родинами рпочотшх учиоткоп примут пид:

я5ис[

Т.

а!к

4а1+1к

Л

'а!+1к

31+1 к 1а1+1к

(12)

(13)

оик {а1+1к

13 I

+ "В" 1сшАх;Ц-1к + Б" (га1к+1а1+1к)3а31к+ "Н" га1+1к^а31+1кш

где 3=1,2,3; 1=о,1,2,...,п; к=о,1|2,.....и; эа1к- ва1_1к;

лия на участке между узлами 1-1к и 1к , 1к-1 и 1к соответственно.

Условия сращивания двух семейств нитей выполняются в расчетных узлах:

'¡Як + ЧсЦШ " ' а условия неразрывности на расчетных участках:

(14)

ч

щ- - *31-1к ,1 в ! (Шс J

А *

Ч'

= I

(15)

Уравнения (12) и (13) о учетом (14) преобразуются к виду: 3

3§1 V

Яс Дс

г3 '

(16)

где Тк, 2к - усилия и длине к-той нити, соединяющейся в рассматриваемом у зло;

.г'

- координата соответственно начала и конца к-той нити; Р^ - проекция узловой нагрузки на координатную ось (¿=1,2,э). Уравнения (15) преобразуются в уравнение неразрывности к-той нити:

3

(17)

Уравнения (16) и (17) вместе с граничными условиями образугт пммкиутум (!И<!ТПМУ пплинпИпнх урпгшшгий, ПЛГОрИТМ рошонил которой но-киаин ни охлшо приводшшой на рис. 4. Поскольку уравнения (16) и (17) нелинейны, их решают методом последовательных приближений. Необходимо япдптьоя усилиями по поох нитях полотнища (нлчпльпоя итерпцил) и учи-•шмш тот фикт» чти при зидцшшх усилиях, уришмнши (16) яшшютол ли-иеИными относительно неизвестных координат и ¿с^, можно решить эти уравнения каким-либо традиционным методом, например, прогонкой.

С

НАЧАЛО

<И

' КОНЕЦ ]

Составление

__а

ж

авнений

Решение уравнений (З.^и) прогонкой, нахождение координат узловых точек

Пересчет усилий через координаты узловых точек

Рис. 4. Блок-схема алгоритма

Для определения значений усилий на последующих шагах итерации воспользуемся условиями неразрывности (17) и получим усилие в к-той нити на 1-том шаге итерации, выраженное через усилие в нити на предыдущем шаге:

i/M

Еслг Т^ будет близко к 2^1_1|то (18) станет эквивалентным (17).

Следует'отметить, что, вследствие неоднозначности решения уравнения (18), замена (17) на (18) будет корректной лишь при условии положительного знака усилия в к-той нити ( нить на сжатие не рвбстает).

7к 5 0 (19)

Покажем, что учет растяжимости для упругих нитей с линейной зависимостью между напряжениями и деформациями не приводит к существенным затруднениям в рамках предлагаемого алгоритма, если ввести обозначение:

А - _^___

I + Тк/(ЕР)к

и назвать его привидениям усилием. Тогда (17) и (18) преобразуются в соотношения:

4 ÍJ^ -

*\ * * pi

"к

котороые практически не отличаются от подобных соотношений для полотнищ, состоящих из нирастяжимых нитей. Ввиду этого мало отличается и процедура пересчета приведенного усилия последующего шага итерации через предыдущий:

f } . .(i-1) Л f 4с - 4с Т

тт^тщ;VH ik J *

Для оценки достоверности и точности получаемых результатов, при использовании предлагаемого приближенного метода расчета сетных полотнищ, необходимо исследовать этот метод в отношении сходимости итерационного процесса к точному решению.

Исследование метода проводилось на модельных задачах, которые

относятся к типу прямых задач, когда задана выкройка или сетное полотно слегка натянуто на какой-то жесткий каркас. В качестве модельных. Оцли ариияти слодуюцио задачи опродолония напряженно-деформируемого состояния:

плоской свободно провисшей сети, загруженной по нижнему краю' дну ми ииртикилышми силами (иидичи ЛИ, рио. 5);

- цилиндрической свободно провисшей сети, загруженной по нижнему краю вертикальными силами (задача .К2, рис. 6);

плоской сити, шшронлшшой на прямоугольном коптуро, пп-груженной силами, перпендикулярными к плоскости контура (задача #3, рис. 7).

При рошонии модилышх аодоч шисшшоь отвоти нп попроси о скорости сходимости и зависимости ее от начального приближения, о близости приближенного и точного решений, о тем, как зависит приближение к точному решению от погрешности вычисления усилий и координат, о скорости сходимости в зависимости от величины жооткооти нитей.

На рис. 8 и 9 приведены некоторые результаты исследований: зависимость количества итераций (К1) от принятой точности расчета (е) и начального приближения (Г0), изменение максимальных усилий в нитях в зависимости от их жесткости (ЕР).

Обобщение результатов расчета модельных задач позволяет сделать вывода о том, что предлагаемый приближенный метод хорошо сходится при любом начальном приближении, причем скорость сходимости для растяжимых нитей гораздо выше, чем для нерастяжимых; особенно хорошо сходятся осесимметричные задачи; точность вычисления координат выше, чем усилий, поэтому критерием сходимости итерационного процесса служит сравнение двух последовательных итераций по усилиям. Проведенные расчеты модельных задач (кроме осесимметричных) показывают значительную зависимость скорости сходимости от принятой точности вычисления усилий и увеличения жесткости нитей, наибольшие усилия наблюдаются в нерастяжимых нитях, уменьшение жесткости нитей приводит к уменьшению усилий в них. Для достижения приемлемой погрешности расчета можно рекомендовать устанавливать точность вычисления усилий на порядок выше требуемой погрешности расчета.

В конце главы выведены соотношения приближенного метода для осе-симметричной задачи в полярных координатах. Здесь количество разреша-

а) исходное состояние

б) деформированное состояшв

----нерастяжиныв шли;

-растяжшше нитн при BF- IU >х;(н)

а) исходное состояние

б) деформируемое состоявв размер ячеи сет» ЮхЮ;

Р= .10

йе. б. Задача *2

а) исходное состояние

б) деформмровакшв состоя»»

размер ячеи сета 2V2 х ZÍ& жесткость нитей £Т« 10; р=о

Рас. 7. Задача »3

KT 40

зо

го

e-o,oi

<f*0,0001

¿-O.ocm

¿* 0,000t <S'Q001

0,001

И&Г

¿•O.Ot

¿•0.1

W*

5 '

Рис. 8. Зависимость количества итераций (лт) от принятой

точности расчета (<£ ) и начального приближения (£)

■ задача #1----задача #2-----задача #3

ар

■Ю 2.S so 1Г5 1С»

1060

■woco со

Рис. 9. Изменение максимальных усилий в нитях в :;ависиыости от их жесткости (£*)

¿l^Sx-Hir усилия в нитях I, 2 и 3 яруса (задача #1) Усилия в нитях I,i,i]> и /р яруса (аадача :Z)

ющих уравнений уменьшается примерно на треть (с учетом осевой гамме рии), алгоритм расчета остается таким же как и для задач в общей н станоЕке.

Вчетвертой главе приводится анализ напряжен» деформируемого состояния реальных гидрооиотехнических ссрружени установленных в бухтах и заливах Южного Приморья - вольеров для выр щивания гребешка и нерестилищ для сельди. Выбор в качестве пример именно этих сооружений был обусловлен схожестью их геометричеш формы (длинное узкое сетное полотно) и различиями в закреплена (вольер кропится по трем оторонам, а нороотилищо - в двух точках).

При решении задач расчета реальных сетных полотнищ возника< вопрос о правомерности переноса усилий, полученных в нитях расчета иоти, на нити риооматршшомого сетного цожшш. Для рошоши trroi вопроса определялись усилия в нитях сетного полотна, закрепленного i квадратном контуре при различной густоте расчетной сети.

В KU4ÖOTBO примера силе ьанта доль капроновая шточаил по и 15-80-74 (структура нитки 93,5текс*Э) с размером ячеи 44мм, слеп натянутая на каркас 1м*1м. О учетом размера ячеи и коэффициента пс садки 0,707 количество диагональных нитей такой сети оказалось равш 31. Нагрузка на сетное полотно приншшаоь равномерно расиредолошк по площади, равной реальной нагрузке на нерестилища при волнении приложенной перпендикулярно плоскости опорного контура.

Варианты нанесения расчетных сеток включали I, 3, 7, 15 и < диагональную нить. Результаты расчетов показывают, что даже заме! тридцати одной диагональной нити одной расчетной (или четыреста boci мидесяти одного узла одним расчетным) дает для максимального усилия нити погрешность в пределах 6$, а для таг прогибо - 7,3», что лежит пределах задаваемой точности нагрузки и параметров жесткости ните! Следовательно, замена множества нитей сетного полотна одной расчетнс вполне допустима.

В главе приводится методика определения нагрузок, действующих i сетные полотнища ГБТС. Основным видом нагрузки является волнопяя определяемая величиной гидродинамического сопротивления сетей зависящей от скорости движения вода. Для определения скорой движения частиц воды была использована теория волн малой амплитуда.

В 1989 г. по заказу Дальрыбы нами проводились работы по расчет

вольеров для выращивания гребешка и выдаче рекомендаций по проектированию таких гидробиотохшчеоких сооружений. П соответствии о тешш-ческим заданием Дапьрыбы 1066.000.00 ТЗ на разработку вольера для выращивания гребешка глубина воды в местах установки вольеров должна опт». 7,5-10м.

Вольер в плане представляет собой квадратное или прямоугольное сооружение, заключеннее между вертикальными деловыми стенками высотой 3,3м. Роомор ячои долових столок должон составлять 16-20ММ. нижний край стенки закрепляется в грунте дна, раскрепление стенок производится якорями гравитационного типа или сваями-стойками, погруженными в грунт по углам вольеров. Длина стенка составляет БОн. По верхней подборе стенки устанавливаются плавучести (в случае раскрепления стенок вольера гравитационными якорями плавучести устанавливаются я в углах вольеров). Якоря устанавливаются на расстоянии 9м от углов вольера.

Поскольку вольер являотоя симметричным в плане сооружением, образованным четырьмя деловыми стенками, то достаточно выделить одну из стенок и рассчитать ее на воздействие максимального волнения. Направление волнения принималось составляющим угол 90°, 46° и 0° с плоскостью стопки. При о том макоимальныо усилия в оломоиш отопки (дели, верхней подборе, боковинах) возникали при направлении 90°, а максимальные усилия в оттяжках - ори направлении 45°. Усилия в оттяжках при направлении 90° получаются суммированием результатов раочета двух стенок: фронтальной на направление 90° и боковой - на направление 0°.

Напряженно-деформированное состояние стенки вольера, раскрепленной якорными оттяжками и устонопленной параллельно фронту полни в бухте Клыкова (залив Посьет), представлено на рис. 10. Стенка вольера изготовлена из следующих материалов: дель по ОСТ 16-80-74 о размьром ячои 16мм (нитки 29токс«б*з, сЫ.О&и); верхняя подбора и боковина из каната 0*0ии, якорные оттяжки из каната сМ1мм (канаты по ГОСТ 1029377). Длина стенки составляет БОм, по верхней подборе устанавливаются через равные расстояния пять плавучестей грузоподъемностью Р.,-135Н и можду ними двадцать четыро плавучести Р2-37,БН. Наибольший усилия возникают в якорных оттяжках, (причем оттяжка, расположенная в плоскости стенки, оказалась белее нагруженной), в верхней подборе (в узле

Рг =37,5Е; 105Н;

узловая нагрузка в направлении

оси;Гг Р» 38.6Н

1-эпюра усилий в верхней подборе

2-усилия в якорных оттяжках

-10—- линии равных усилий в

нитях по направленно стрелки 3

Рис. 10 Напряженно-деформированное состояние стенжи вольера а) расчетная схема; б) деформированное состояние; в) эшоры усилий в элементах стенки

крепления якорных оттяжек) и в нитях расчетной сетки, направленных к узлам, гдо приложен!) нагрузка Р1 (мпкеималышо усилия возникают п нитях прикрепленных ко дну). Перемещения узлов верхней подборы в направлении дна составляют 0,в-1,2м, а из плоскости стенкк - 0,3-2,8м.

в главо анализируется напряженно-деформированное состояние вольеров, установленных в бухтах Новгородская, Клыкова и Темп (залив Посьет) и даются рекомендации по проектированию этих сооружений.

В зплипо Потрп Воликого (пиши 'моть Приморского края) о 1979 г. выполняются работы по повышению воспроизводства сильди при помощи искусственных сельдевых нерестилищ. Для обеспечения надежности нерестилищ иппОходимп оцппкп их щючиооти. Плми по ппкппу Дшп.риОи и ТИШ'О в 1987-1988 гг. были выполнены расчеты сельдевых нерестилищ и определены усилия в элементах этих сооружений.

По результатам расчета на нагрузки, соотвоотвувдио различным местам установки искусственных нерестилищ, было произведено районирование мест установки нерестилищ по их конструктивным особенностям и даны рекомендации по проектированию таких нерестилищ для районов Южного Приморья (увеличению сечений элементов, добавлению плавучестей, усилению якорей).

В главе приводится описание конструкций и условий эксплуатации нерестилищ, представляющих собой сеть типа ставного невода длиной 25м и высотой 2м. В качестве материала для изготовления нерестилищ используют капроновую дель с размером ячеи 10-12ыы. Сетное полотно посажено на капроновый канат ¿=8мы (посадочный коэффициент и., =1^=0,7) и оснащоно планучестями Р2-2бн и грузами Ру*ЗН через 1м каната, а также плавучестями Р^ИШ в крайних узлах верхней подбор!. Нерестилище по краям раскрепляется с помощью оттяжек, крепящих нижнюю подбору к якорям.

На рис. II представлена расчетная схема- и напряженно-деформированное состояние нерестилища, установленного в южной части полуостро-ии Иосчаиий и Амурском золиио. Рисчот волся по прогроммо Ш{£Ь'Г для самого неблагоприятного положения нерестилища - параллельно фронту волны, когда волновая нагрузка максимальная.

Поскольку нерестилище закреплено только а двух точках, то под действием волнения оно принимает форму большой дуги, обращенной выпуклостью в сторону действия нагрузки, плоскость сетного полотна так-

го л.

---------"ло 'рис. II Напряженно-деформированное состояние нерестилища

а) расчетная схема;. 6) ¿деформированное состояние; в) эпюры усилий (Н) в элементах нерестилища

I-эпюра усилий в верхней подборе; 2-эпюра усилий в нижней подборе; 3-эшора усилий в боковине;

4-усилие в якорной оттяжке

£=П0Н; Рг =25Н; =ЗЦ; нагрузка в направлении оси Х^ Р=Г7Н;— 30--линии равных усихий

в наиболее нагруженных нитях

жо попорлчиплотся по нппраплонию действия погрузки. Наибольшие усилия иошшкают в якорных оттяжках и нижней иодборо и у зло криилоииа икорной оттяжки, причем по мере удаления от этого узла усилия в 1 шалой подборе уменьшаются. Усилия в верхней подборе наоборот увеличиваются ОТ 1фШ1 м долтру , доитигил микиимума и ООриДИПО нороитшшщ/!. Уиилил в дели наибольшие близ узла крепления якорной оттяжки и уменьшаются в направлении центра нерестилища. Причем наиболее нагружены нити, рап-

ншюжишшо и ИШфииЛииИИ икорной ОТТЯЖКИ, НИТИ жи Другого ШифИНЛОПИИ

расположенные по краям нерестилища вообще не работают (усилия в них равны нулю) и лишь в средней части нерестилища усилия в этих нитях сравниваются по величине с усилиями нитей нагруженного направления. Перемещения узлов нижней подборы в направлении дна (нерестилище "прижимает" ко дну при волнении) достигает о,8-2,5м (первая цифра соответствует середине нерестилища, последняя узлу крепления оттяжки). Соответствующие перемещения узлов верхней подборы составляют 1,6-Зы. Перемещения узлов нерестилища в направлении волнения составляют 5,6-12,9м.

В главе приводится анализ напряженно-деформированного состояния нерестилищ, установленных в различных районах Пкного Приморья и рекомендации по проектированию нерестилищ.

В заключении перечислены задачи, поставленные в процессе выпольения работы, пути решения этих задач и результаты полученные в работе. Основными результатами работы являются следующие.

1. Сформулированы задачи поверочного и проектировочного расчетов сетных полотнищ гидробкотехнических сооружений.

2. Построена расчетная схема сетного полотнища в виде тонкостенной среды малой толщины, составленной из перекрестных в двух направлениях семейств нитей, соединенных в узлах без проскальзывания и работающих только на растяжение.

3. Получены уравнения состояния сетных полотнищ в произвольных неортогональных криволинейных координатах представляющие полную систему из восьми уравнений, содержащих восемь неизвестных функций, две из которых являются усилиями в нитях, а шесть других описывают геометрию полотнища.

4. Построен приближенный метод расчета сочных полотнищ, ориентированный на использование современных вычислительных средств.

5. Выведены разрешающие уравнения приближенного метода при ли нейиой аппроксимации премещений между узлами расчетной сетки в декар товой систем координат.

6. На модельных задачах проведено исследование приближении мето'да, показавшее достоверность и эффективность предлагаемог метода.

7. Выведены соотношения приближенного метода для осе симметричны задач позволяющие уменьшить количество разрешающих уравнений и трудо емкость расчета на треть по сравнению с решением такой же задачи общей постановке.

8. Создан комплекс программ и с его помощью ревены практически задачи расчета и проектирования реальных гидробиотехнических сооруже ний, эксплуатируемых в бухтах и заливах Южного Приморья.

Основное содержание диссертации отражено в следу щи публикациях.

1. Мальков Н.М., Стоценко A.A. Приближенный метод расчета гидро биотехнических сооружений выполненных в виде мембран. //Прочность : долговечность гидробиотехнических сооружений: - ЩШИГЭИРХ, М., Е ВИНИТИ Деп. науч. работы (Ест. и точн. науки, техника), *3 (197) 1988. -С. 140, *913-рх.

2. Мальков H.H. Исследование приближенного метода расчета сете! //Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Иежвуз. сб. /Ал-тайск. политехи, ин-т. г Барнаул, 1989. - С. 66-73.

3. Мальков H.H., Стоценко A.A. Построение приближенного метод: расчета гибких полотнищ. //Вопросы прочности и конструирования гидробиотехнических сооружений: ВНИЭРХ, М., РЖ ВИНИТИ. Деп. науч. работ! (Ест. и точн. науки, техника) - Ы., 1990, ЛИ (229). - О. 107, • *П27-рх.

4. Стоценко A.A., Ыалысов Н.М. Расчет осесимметричных сетей щя осесимметричной нагрузке. //Проблемы архитектуры, строительства \ инженерной екологии Дальнего Востока. Владивосток, 1993. - 0. 107110. Cty. ДВГТУ; Вып. III, сер. I).