автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Методы расчета гидродинамических сил для моделирования движения трала в рыбопромысловом тренажере

од

2 1 йСя

На правах рукописи УДК 639.2.081.117

КОЗЛОВ Андрей Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЁТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТРАЛА В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ

ТРЕНАЖЁРЕ

Специальность № 05.18.17 - Промышленное рыболовство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 639.2.081.117

КОЗЛОВ Андрей Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЁТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТРАЛА В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ

ТРЕНАЖЁРЕ

Специальность № 05.18.17 - Промышленное рыболовство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Конструкторском бюро морской электроники «Вектор»

(г. Таганрог)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

М.М. Розенштейн

Научный консультант: кандидат технических наук

А.Н. Долгов

Официальные оппоненты

доктор технических наук Коротков В. К.

кандидат технических наук Долин Г. М.

Ведущая организация: ТОО «Фишеринг сервис», г. Калининград

Защита состоится «28» декабря 2000 г., в .часов на заседании диссертационного Совета Д. 117.05.01 в Калининградском государственном техническом университете по адресу: 236000, г. Калининград, ул. проф. Ф.И. Баранова, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Автореферат разослан «.?.?.» ноября 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.М. Минько

/7 ?Л Л-^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Как известно, основным видом отечественного морского рыболовства является траловый лов, обеспечивающий более 70 % от общего объёма добычи рыбы и морепродуктов. Вместе с тем, по ряду причин, в том числе экономического характера, сырьевая база тралового рыболовства в последние годы существенно сократилась, в связи с чем значительно усложнились условия работы промыслового флота. Так в периоды образования плотных концентраций рыбы в ряде районов промысла (Баренцево море, море Ирмингера и др.) на ограниченных площадях осуществляют лов большое число разнотипных траулеров. Работа в таких условиях требует от экипажа судов высоких профессиональных навыков, обеспечивающих эффективную и безаварийную эксплуатацию траловых систем.

Для выработки навыков управления судами широко используются, как в нашей стране так и за рубежом, навигационные тренажёры. Однако для обучения управлению траловой системой в целом в указанных выше сложных условиях промысла необходим качественно иной тип тренажёра, позволяющий управлять движением не только судна, но и других элементов системы - канатно-сетной частью трала и распорными траловыми досками.

Такой рыбопромысловый тренажёр тралового лова впервые разработан, при участии автора, конструкторским бюро морской электроники «Вектор» (г. Таганрог) [ ]. Он предназначен для обучения курсантов судоводительских факультетов и студентов факультетов промышленного рыболовства рыбохозяйственных высших учебных заведений, а также для повышения квалификации судоводителей-практиков и тралмастеров.

Актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания промыслового тренажёра тралового лова рыбы, позволяющего адекватно воспроизводить движение траловой системы и форму устья разноглубинных тралов. Использование таких тренажёров для подготовки специалистов, как свидетельствует практика, существенно повышает эффективность тралового лова и снижает аварийность судов и орудий рыболовства на промысле.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов расчёта гидродинамических сил, действующих по периметру устья канатно-сетной части разноглубинного трала и отвечающих требованиям математической модели нестационарного движения траловой системы в рыбопромысловом тренажёре.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать зависимость коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от размеров её устья;

• исследовать зависимость геометрических характеристик устья канатно-сетной части трала от силовых характеристик его оснастки;

• разработать методику расчёта гидродинамической силы сопротивления канатно-сетной части трала, отвечающую требованиям математической модели его движения в рыбопромысловом тренажёре;

• обосновать способ распределения гидродинамических сил сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья для математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре;

• разработать методику расчёта поперечных гидродинамических сил, стягивающих устье канатно-сетной части трала, для математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре;

• обосновать способ распределения поперечных гидродинамических сил, стягивающих устье канатно-сетной части трала, по его периметру для математической модели Движения орудия в рыбопромысловом тренажёре.

Научная новизна работы состоит в установлении ранее неизвестных зависимостей коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от величины раскрытия его устья и безразмерного раскрытия устья от соотношения сил, создаваемых оснасткой трала, а также в определении характера распределения продольной силы сопротивления канатно-сетной части трала и поперечной силы, стягивающей устье канатно-сетной части трала, по его периметру.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке метода и алгоритма комплексного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и сил оснастки подбор орудия, которые обеспечат это раскрытие.

Работа является частью научно-исследовательской и конструкторской темы конструкторского бюро морской электроники «Вектор», направленной на создание рыбопромыслового тренажёра тралового лова рыбы РПТ - 2000 и выполненной по заказу Государственного комитета рыбного хозяйства Российской Федерации. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы реализованы в программном обеспечении компьютерного рыбопромыслового тренажёра РПТ - 2000, созданного в КБ «Вектор» и поставляемого им в рыбохозяйственные вузы страны.

Апробация работы осуществлялась в виде докладов и сообщений на следующих конференциях и семинарах: «Морские обучающие тренажёры», международная конференция, МГА им. адм. Макарова, С.-Петербург, 1999; Международная конференция и совещание Госкомрыболовства России с начальниками Госадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания, Калининград, 2000; «Современные средства воспроизводства и использования водных биоресурсов», научно-технический симпозиум на международной выставке «Инрыбпром - 2000», С.-Петербург, 2000; Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию Калининградского государственного технического университета,

Калининград, 2000; семинар кафедры промышленного рыболовства КГТУ, Калининград, 2000.

Публикация работы. Основное содержание работы опубликовано в 9-ти статьях в соавторстве с сотрудниками КБ морской электроники «Вектор» и научным руководителем.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Основная часть работы содержит 133 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 12 таблиц. Список использованной литературы включает 60 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, показана её научная и практическая значимость. Даны краткая характеристика и описание содержания работы.

В первой главе выполнены описание и анализ математической модели нестационарного движения разноглубинного трала, используемой в рыбопромысловом тренажёре РПТ - 2000. Показаны схематизация траловой системы и канатно-сетной части разноглубинного трала в этой модели, а гакже основные расчётные зависимости, используемые для воспроизведения движения рыболовного орудия.

Канатно-сетная часть разноглубинного трала моделируется (см. схему на рис. 1) восьмью точечными массами, которые размещены в точках соединения верхней подборы с боковыми (точки 7 и 1 на рис. 1), нижней подборы с боковыми (точки 5 и 3) и в центре верхней подборы (точка 0), нижней поборы (точка 4) и боковых подбор (точки 6 и 2). Эти массы связаны между собой отрезками нитей, каждая из которых имеет длину, равную половине длины соответствующей подборы. Подборы в модели представляют собой идеально гибкие невесомые нити.

Для расчёта движения трала используются уравнения динамики точечных масс, связанных между собой гибкими нитями. Величина масс, эазмещённых на концах подбор, берётся достаточно малой с тем, чтобы движение подбор было квазистационарным, т.е. чтобы в каждый момент зремени силами инерции можно было пренебречь. Таким образом, движение юдбор не зависит от величины размещённых на них точечных масс.

На подборы натурных тралов действуют силы, равномерно эаспределённые по их длине и обусловленные усилиями на участке канатно-сетной оболочки, который крепится к соответствующей подборе. Следовательно, к каждой точке подборы приложена некоторая сила t натяжения соответствующего участка канатно-сетной оболочки, как это юказано на рис. 2. Сила натяжения / раскладывается на две составляющие: фодольную г, представляющую собой силу гидродинамического юпротивления участка канатно-сетной оболочки, и поперечную :тягивающую устье трала.

Как видно из схемы на рис. 1, действие указанных сил воспроизводится и на модели канатно-сетной части трала. При этом силы, распределённые по подборам, заменяются сосредоточенными силами, приложенными к точечным массам.

Рис. 1. Схематизация канатно-сетной части трала

На основе анализа модели установлены и сформулированы требования, предъявляемые к методам расчёта гидродинамических сил для моделирования движения разноглубинного трала. Эти требования сводятся к следующему.

Рис. 2. Схема действия гидродинамических сил на участок подборы канатно-сетной части трала

Методика расчёта гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть трала, должна быть представлена с помощью конечных формул, в связи с чем она должна опираться на результаты физических экспериментов с натурными разноглубинными канатными тралами или их моделями; точность этих формул должна соответствовать точности экспериментов, с помощью которых они получены. Методика должна позволять рассчитывать как продольную, так и поперечную компоненты силы, действующей на подборы со стороны канатно-сетной оболочки трала, а также законы распределения этих сил по периметру устья канатно-сетной

части трапа. Гидродинамические силы, распределённые по периметру устья канатно-сетной части трала, должны быть представлены в зависимости от величины безразмерного его раскрытия. И, наконец, методика должна возможно полнее учитывать влияние параметров конструкции современных разноглубинных канатных тралов на силы, распределённые по периметру устья их канатно-сетной части.

Во второй главе рассмотрено современное состояние проблемы расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала. В первом параграфе этой главы даны анализ существующих методов расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала, и оценка их соответствия требованиям математической модели движения разноглубинного трала. В этой связи рассмотрены эмпирические формулы, методы и подходы, разработанные для расчёта коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала отечественными учёными М.М. Розенштейном, В.П. Жуковым и В.И. Луниным, A.B. Дверником, В.А. Беловым, В.П. Карпенко, М.М. Розенштейном и A.A. Недоступом. Показано, что ни один из существующих методов расчёта коэффициента сопротивления не отвечает в полной мере требованиям математической модели нестационарного движения трала, используемой в рыбопромысловом тренажёре, в связи с чем возникает необходимость в их дальнейшем совершенствовании.

Установлено, что к числу параметров, определяющих конструктивные особенности канатно-сетной части разноглубинных тралов, относятся средние взвешенные значения относительной площади (сплошности) траловой оболочки F0, цикла её кроя С и коэффициентов посадки их,иу.

Анализ показал, что по числу учитываемых параметров, по диапазону их численных значений, соответствующих современным конструкциям разноглубинных тралов, по точности расчёта коэффициента сопротивления канатно-сетной части наиболее совершенным является алгоритм расчёта коэффициента, разработанный М.М. Розенштейном и A.A. Недоступом. В этой связи этот алгоритм был принят для дальнейшего совершенствования с позиций требований математической модели нестационарного движения трала. Основные положения указанного алгоритма заключаются в следующем.

Гидродинамическая сила сопротивления канатно-сетной части трала Rsl определяется по общепринятой для её расчёта формуле:

(1)

где:

сх - коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала;

р — плотность воды;

v — скорость траления;

Fu - площадь ниток и канатов канатно-сетной части трала.

В свою очередь коэффициент схопределяется из выражения: сх = 0,04 • «у - 0,09, (2)

где: ау— среднее взвешенное по площади ниток значение угла атаки меридиана сетной конструкции, определяемое как:

а, = А{т,4,Х) + ПО-е"6-74'^ ■(/>-0,02), (3)

В формуле (3) Л(т,£,х) - параметр, учитывающий влияние на значение угла атаки меридиана канатно-сетной оболочки трала безразмерных сил его оснастки;

Р - параметр, зависящий от конструктивных особенностей канатно-сетной оболочки, численное значение которого по определению Б. Оис1ко находится как

¡■и]

р =-, "' (4)

2-я- С.„+-

где:

Сс е - среднее взвешенное значение циклов кройки пластин;

/ — число пластей, составляющих канатно-сетную часть трала.

В свою очередь безразмерные силы находятся следующим образом:

где:

Яус[ -распорная сила траловой доски;

(1 - подъёмная сила, создаваемая оснасткой верхней подборы трала;

Р? — вес в воде груза-углубителя;

Р2 - заглубляющая сила создаваемая оснасткой нижней подборы трала.

По результатам указанного анализа во втором параграфе главы осуществлена постановка задач собственных исследований автора диссертации.

Третья глава посвящена разработке методики расчёта гидродинамической силы сопротивления канатно-сетной части трала, отвечающей требованиям математической модели его движения в рыбопромысловом тренажёре. Для выполнения одного из основных требований, в соответствии с которым коэффициент сопротивления канатно-

сетной части трала сх должен зависеть от раскрытия его устья, достаточно в формуле (3) осуществить адекватную замену параметра А( учитывающего влияние на значение угла атаки меридиана канатно-сетной оболочки трала безразмерных сил его оснастки, параметром Л^), учитывающим раскрытие устья (Ри- площадь устья трала).

Для решения этой задачи в гидроканапе ОАО «МариНПО» проведены экспериментальные исследования зависимости коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от размеров его устья, результаты которых изложены в первом параграфе главы.

В качестве объектов для проведения экспериментов использовались четыре сетные конструкции, являющиеся аналогами современных разноглубинных и донных тралов. Чертежи экспериментальных конструкций приведены в Приложении № 1, а их геометрические характеристики показаны в таблице 1.

Табл. 1.

№ п/п сетной Относительная Конструктивный Длина по

конструкции площадь параметр Г топенанту без

мешка 1т, м

1 0,197 13,84-10"4 2,64

2 0,085 214-Ю"4 3,19

3 0,072 390 -10"4 2,44

4 0,066 52-Ю"4 3,40

В процессе экспериментов со всеми указанными в таблице 1 сетными конструкциями осуществлялись измерения следующих их характеристик:

• усилий в верхнем и нижнем кабелях;

• углов ориентации верхнего и нижнего кабелей в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По результатам указанных измерений рассчитывались значения сил сопротивления опытных конструкций при различных, принудительно задаваемых путём подбора соответствующей оснастки, значениях вертикального Л и горизонтального / раскрытия устья.

На основании полученных данных определялись:

• значения коэффициента сх из формулы (1);

• значения угла а^ из формулы (2);

• значения параметра А(Ги) из формулы (3), исходя из предположения, что А(ГЦ) =

• зависимость параметра А от безразмерного раскрытия устья канатно-сетной части трала.

Полученные опытные данные приведены в табл. 2.

Табл. 2.

№ с. к. м2 V, м/с м м к, м т £ х10": X

ш >АУ г-Б* , •Т •А,8 Л'Я^

1,23 2,2 0,57 0,47 0,29 5,8 0,35 0,19

1 0,476 1,24 1,7 0,52 0,44 0,20 7,2 0,25 0,15

1,25 1,0 0,34 0,41 0,10 2,6 0,24 0,10

1,22 2,2 0,97 0,52 0,23 4,7 0,28 0,38

2 0,305 1,21 1,7 0,80 0,49 0,15 5,5 0,19 0,32

1,22 1,0 0,63 0,43 0,07 1,9 0,18 0,22

1,21 2,2 0,93 0,59 0,24 5,4 0,32 0,37

3 0,270 1.22 1,7 0,80 0,55 0,15 5,8 0,20 0,34

1,24 1,0 0,64 0,59 0,07 1,7 0,16 0,27

1,21 2,2 0,85 0,66 0,26 6,8 0,41 0,31

1,24 1,95 0,73 0,62 0,23 6,8 0,41 0,29

4 0,262 1,20 1,7 0,70 0,62 0,18 7,8 0,27 0,27

1,24 1,35 0,60 0,59 0,13 9,1 0,32 0,22

1,20 1,0 0,50 0,59 0,08 2,9 0,27 0,18

Здесь через Ь обозначено расстояние между ножами, к которым крепились кабели.

Приведённые в табл. 2. данные позволили установить, что влияние размеров устья на среднее взвешенное значение угла атаки меридиана траловой оболочки и, следовательно, на однозначно связанное с этим углом значение коэффициента сопротивления трала, может быть учтено с помощью указанного выше параметра. На основе обработки экспериментальных данных получена следующая эмпирическая формула для расчёта параметра Л(Ри) в зависимости от безразмерного раскрытия устья трала:

Л(Г„) = 4,26 + 4,5-/- 0,78 ■(8)

где / — показатель безразмерного горизонтального раскрытия устья трала, вычисляемый по формулам: ^ /

/ = тК' (9)

Ри=1-И. (10)

Как следует из формул (9) и (10), значение показателя /пропорционально квадрату горизонтального раскрытия устья.

Оценка соответствия результатов расчёта параметра Л(Ри) по формуле (8) экспериментальным данным, показанным точками на рис. 3, дала

следующие результаты: максимальное относительное отклонение опытных данных от формулы (8) составляет 5тзх= 6,1%, среднее относительное отклонение составляет 5теап =3,8%. На графике рис. 3 расчётные значения параметра раскрытия А(ри) обозначены А1-, где / - порядковый номер расчётной точки.

ООО А1,

Рис. 3. Зависимость параметра параметра А от показателя раскрытия устья трала /.

Учитывая результаты выполненных экспериментов, формулу (3) для разрабатываемого алгоритма расчёта коэффициента сопротивления канатно-сетной части разноглубинного трала следует переписать в виде:

- е~6,74/г° • (р - 0,02), . (11)

Экспериментальные значения коэффициента сх, приведённые в десятом столбце табл. 2, в зависимости от значений угла апоказаны на рис. 4 в виде квадратов.

На рис. 4 расчётные значения коэффициента сопротивления, подсчитанные по формуле (2), обозначены как сЦ. Оценка соответствия

экспериментальных данных расчётным дала следующие результаты: максимальное относительное отклонение опытных данных от формулы (2) составляет 8т1& =12,7%, среднее относительное отклонение составляет <^,,=4,9%.

Таким образом, на основе выполненных экспериментов установлено, что с достаточной для инженерных приложений точностью значения

коэффициентов сопротивления разноглубинных канатных тралов может определяться в зависимости от величины горизонтального раскрытия (или площади) их устья в соответствии с формулами (2), (3), (4), (8), (9), (10), (11).

Рис. 4. Зависимость значений коэффициента сопротивления трала с^от среднего взвешенного угла атаки меридиана канатно-сетной оболочки а,.

Рис. 5. Зависимость между коэффициентом к и соотношением безразмерных сил т]

Во втором парафафе этой главы выполнено исследование зависимости геометрических характеристик устья канатно—сетной части трала от силовых характеристик его оснастки.

Для установления такой зависимости введены следующие обозначения:

7" = Я, 7^ = 7. * = -• (12)

Значения Я и т], подсчитывались для опытных конструкций по данным табл. 2.

Зависимость коэффициента к от значений 77 показана на рис. 5. Коэффициент корреляции этих величин оказался равным 0,79, что говорит о их тесной связи. Значения коэффициента к, аппроксимирующие его зависимость от величины 77, обозначены на рис. 5 как ку.

В результате получена следующая эмпирическая формула, связывающая отношение горизонтального раскрытия к вертикальному с отношением распорной силы траловой доски к суммарной подъёмной и заглубляющей силе, создаваемой оснасткой подбор трала и грузами-углубителями:

\2

7" = 3,86—-— ^ £ + 7

-2,573

(13)

Среднее относительное отклонение экспериментальных точек от кривой (13) составило 4,6 %, а максимальное относительное отклонение составило 6,8 %.

На основе выполненных исследований впервые разработан алгоритм комплексного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и сил оснастки подбор орудия, которые обеспечат это раскрытие. Алгоритм изложен в третьем параграфе этой главы, его блок-схема показана на рис. 6.

(^^Начало^^)

I

Ввод:

с1к]^с1, ац,аы, Ыкр I, Гф„ с!с а ,

ас.с.> иУс,, Сел, V, 1,И,Р,,Р,

т

Рис. 6. Блок-схема алгоритма расчёта сил сопротивления канатно-сетной части трала и его оснастки

Приведённый алгоритм справедлив в следующих границах входных и расчётных данных:

аг = 5° +12°, г = 0,08 + 0,4,4 = 0,04 + 0,33,

Х = 0,14-5-0,31,40=7,4 + 9,3,

А(4) = 7,4 + 9,3, А{х)= 2 + 16.

/ = 0,25 + 3,25, Л(/, А) = 5,3 +10,8.

Для иллюстрации применения разработанного алгоритма в проектной практике в этом же разделе приведён пример расчёта сил, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала.

В четвёртой главе -выполнено обоснование способа распределения продольных (сопротивление) и поперечных (стягивающих) сил по периметру

устья трала в математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре.

Рис. 7. Схема расположения точек измерения усилий в нитях и углов их атаки

В первом параграфе изложены результаты экспериментальных исследований распределения гидродинамических сил сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья. С этой целью исследовалось распределение усилий в нитях ячей, находящихся в сечении четвёртой экспериментальной сетной конструкции (см. табл. 1 и 2) по гужам подбор и в районе топенантных швов. Усилия в нитках измерялись в восьми точках сетной конструкции: в центре гужей (четыре точки) и в районе топенантных швов (четыре точки). Кроме того, с помощью штатных угломеров и координатной сетки гидроканала проводились измерения углов наклона нитей в плоскости ячей (а) к продольной их диагонали и углов атаки меридианов верхней и нижней пластей в вертикальной плоскости (/Зу),

боковых пластей - в горизонтальной плоскости (ДД топенантных швов - в вертикальной и горизонтальной плоскостях иРх).

В соответствии со схематизацией канатно-сстной части в математической модели (см. рис. 1) все указанные измерения осуществлялись в восьми точках по периметру сечения в области гужа опытной конструкции. Это позволило определить горизонтальные составляющие усилий в нитях и топенантных швах в указанных точках, их значения приведены в табл. 3. Схема выполненных измерений усилий и углов показана на рис. 7.

По всем пяти опытам, указанным в табл. 3, выполнено осреднение относительных усилий. Значения средних относительных усилий С1(.в точках с 0-й по 7-ю показаны на диаграмме рис. 8.

Табл. 3

' № опыта Горизонтальные составляющие.. . . усилий

, 1,7 . 2,6 3,5 4

1 Абсолют- ^ ное, Н 2,09 2,08 0,85 5,0 2,86

Относительное 0,1 0,1 0,041 0,24 0,137

2 Абсолютное, Н 1,520 2,09 0,67 5,81 2,81

Относительное 0,071 0,097 0,031 0,27 0,131

3 Абсолютное, Н 1,12 2,21 0,94 6,21 3,58

Относительное 0,048 0,094 0,04 0,265 0,153

4 Абсолютное, Н 1,05 6,21 1,78 6, 34 2,22

Относительное 0,034 0,199 0,057 0,203 0,071

5 Абсолютное, Н 0,98 8,0 1,47 7,92 и

Относительное 0,026 0,213 0,039 0,211 0,045

На основании данных, приведённых на рис. 8 и в табл. 3, продольную гидродинамическую силу гп, которая должна быть приложена к каждой из указанных на рис. 1 точек по периметру устья, следует рассчитывать по формуле:

Гп=к„-*»., (14)

где кп - коэффициент, определяющий долю расчётного значения сопротивления канатно-сетной части трала прикладываемую к «-ой

точке по периметру устья в виде продольной силы; п = 0,1,...,7.

0.25 --1-

0 2.) ..............

0,21

0.19 ...........

0.17 ;

0.083 ■

[

0.063 _|

0 042 .. .........- " ----- " -

0.021 ............|............

°0 1 2 3 4 5 б 7

I

Рис. 8. Осреднённые значения относительных усилий в точках по периметру устья

Значения коэффициента кп в зависимости от порядкового номера (значения п) точки по периметру устья в схеме 1 приведены в табл. 4

Табл. 4.

п 0 1 2 3 4 5 6 7

К 0,055 0,140 0,040 0, 240 0,105 0,240 0,040 0,140

Как следует из данных, приведённых на диаграмме рис. 8 и в табл. 4, нагрузка по периметру устья разноглубинного трала не равномерная. Наибольшие усилия действуют в нижних топенантных швах (точки 3 и 5), что связано с воздействием на них сил веса грузов-углубителей. Несколько меньше нагружены верхние топенантные швы (точки 1 и 7). Ещё меньшие усилия действуют в центральных точках подбор. Из их числа максимальные усилия приложены к центру нижней подборы (точка 4), а минимальные к центрам боковых подбор (точки 2 и 6). Эти данные хорошо согласуются с накопленным опытом эксплуатации разноглубинных тралов.

Второй параграф этой главы посвящён экспериментальному исследованию распределения поперечных сил, стягивающих устья разноглубинного трала.

Осреднение значений углов Р по пяти опытам позволило получить диаграмму распределения средних значений углов Дт в точках по периметру устья. Относительные значения поперечных сил и1 (относительно силы

сопротивления канатно-сетной части), стягивающие устье трала, определялись во всех восьми точках по периметру устья трала на основании формулы:

(15)

Полученные данные в виде столбиковой диаграммы приведены на рис. 9.

»1 д.

Рис. 9. Диаграмма распределения относительных значений стягивающих устье трала усилий по его периметру в точках на схеме рис. 1

В результате также получены эмпирическая формула для расчёта величины поперечной силы в каждой точке, заданной математической моделью, и значения эмпирических коэффициентов, определяющих долю от величины сопротивления канатно-сетной части трала, прикладываемую в каждой точке:

(16)

где гп - коэффициент, определяющий долю расчётного значения сопротивления канатно-сетной части трала , прикладываемую к «-ой точке по периметру устья в виде поперечной силы.

Значения коэффициента гп в зависимости от порядкового номера (значения п ) точки по периметру устья в схеме 1 приведены в табл. 5.

В третьем параграфе показан пример расчёта на основе полученных эмпирических формул распределения продольных гидродинамических сил сопротивления разноглубинного трала и поперечных сил, стягивающих его устье.

Табл. 5.

п 0 1 2 3 4 5 6 7

2п 0,01 0,02 0,01 0,03 0,015 0,03 0,01 0,02

В пятой главе показаны некоторые результаты применения методов расчёта сил, приложенных к подборам трала, для моделирования его нестационарного движения в рыбопромысловом тренажёре РПТ - 2000. С использованием математической модели тренажёра был произведён численный расчёт параметров манёвра по увеличению скорости буксировки разноглубинного трала на прямом курсе и при постоянной длине вытравленных ваеров. На рис. 10 и 11 приведены расчётные зависимости скорости движения мурманского разноглубинного канатного трала (проект № 2444-00-000), горизонта его хода, натяжение в ваере, вертикального и горизонтального раскрытия устья, коэффициента сопротивления канатно-сетной части от времени выполнения манёвра.

-1- скорость, м/с -3- глубина трала, м

-2- натяжение прав, ваера. кн

Рис. 10. Зависимости скорости буксировки, натяжения ваеров и глубины погружения трала от времени в процессе маневра скоростью буксировки.

Проведено качественное сравнение расчётных значений некоторых параметров из числа перечисленных с имеющимися экспериментальными данными.

На основании материалов, приведённых в этой главе, сделано заключение, что разработанные методы расчёта гидродинамического коэффициента и силы сопротивления канатно-сетной части трала, поперечной силы, стягивающей его устье, а также методы распределения этих сил по периметру устья при их использовании в математической модели движения траловой системы рыбопромыслового тренажёра позволяют адекватно воспроизводить процесс нестационарного движения трала и определять численные значения параметров этого процесса.

i ; ■ 1 ; ..... ! 1 ■:■ ■ 1 ! : ■ цена деления: 5.00000Е+0 -1 5.00000Е+0 -2 1.00000Е-2 -3

! : 1 1

—г—3 ! ; " • : ; нзчзпо: О.ОООООЕ+О -1-0.00000Е+0 -2-L1.50000Е-1 -3

1 . ¡з , з

О.ООЕ+0 5.00Е+2 t, с 1 .ООЕ+З

-1- вертикальное раскрытие, м -3- коэФФ. сопр. трала

•2- горизонтальное раскрытие, м

Рис. 11. Изменение раскрытия трала и коэффициента сопротивления в процессе маневра скоростью буксировки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа математической модели нестационарного движения траловой системы, используемой в рыбопромысловом тренажёре, сформулированы предъявляемые ею требования к методам расчёта гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала. Одно из основных требований заключается в том, что коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала при расчёте её сопротивления должен определяться в зависимости от величины раскрытия устья. Помимо совершенствования методики расчёта продольной силы сопротивления канатно-сетной части трала, модель требует создания методики расчёта поперечных сил, стягивающих его устье. И, наконец, необходимо обосновать способ адекватной замены равномерного распределения указанных сил по периметру устья трала силами, сосредоточенными в точках, определяемых математической моделью.

2. На основе анализа существующих методов расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала, установлено, что ни один из них в полной мере не отвечает требованиям, предъявляемым математической моделью тренажёра. Вместе с тем, в работе показано, что наиболее полно учитываются конструктивные характеристики разноглубинных канатных тралов в расчёте коэффициента сопротивления его канатно-сетной части при использовании метода, изложенного в работах М.М. Розенштейна и A.A. Недоступа. Кроме того, этот метод обеспечивает наибольшую точность расчёта коэффициента сопротивления. В этой связи он был принят за основу для дальнейшего совершенствования методики расчёта гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть трала, с позиций требований, предъявляемых математической моделью рыбопромыслового тренажёра.

3. На основе выполненных экспериментов получена эмпирическая формула (11), связывающая среднее взвешенное значение угла атаки меридиана траловой оболочки с параметром A(FU), характеризующим

величину раскрытия устья разноглубинного трала. Найден показатель раскрытия устья трала /, определяющий величину раскрытия в форме (9). Установлено, что параметр связан с показателем раскрытия устья f

параболической зависимостью (8), которая с высокой точностью соответствует полученным экспериментальным данным. На основе выполненной статистической обработки результатов опытов получено, что максимальное относительное отклонение опытных данных от формулы (8) составляет 6,1 %, а среднее относительное отклонение равно 3,8 %.

4. Ещё раз экспериментально доказано, что коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала с достаточной для инженерных приложений точностью может рассчитываться как линейная функция в форме (2) среднего взвешенного значения угла атаки меридиана траловой оболочки. Максимальное относительное отклонение опытных данных от результатов расчёта по формуле (2) составило 12,7 %, среднее относительное отклонение составило 4,9 %. Таким образом, успешно решена одна из основных в числе поставленных в диссертации задач, заключавшаяся в установлении связи между значением коэффициента сопротивления канатно-сетной части разноглубинного трала и величиной раскрытия его устья.

5. На основе выполненных экспериментов и с привлечением ранее полученных экспериментальных данных установлена связь в виде формулы (13) между безразмерным горизонтальным раскрытием устья трала (отношением горизонтального раскрытия к вертикальному) и безразмерными силами его оснастки (отношением распорной силы траловой доски к суммарной силе, создаваемой оснасткой подбор трала). Среднее относительное отклонение экспериментальных точек от кривой, определяемой формулой (13), составило 4,6 %, максимальное относительное отклонение равно 6,8 %.

6. На основе проведённых исследований впервые разработан алгоритм совместного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и величин силы оснастки орудия (распорной силы траловой доски и подъёмной силы оснастки верхней подборы), которые обеспечат это раскрытие. Этот алгоритм найдёт широкое применение в практике проектирования траловых орудий рыболовства. Он программно реализован и успешно апробирован в расчётах современных разноглубинных тралов. Входными данными для решения указанной задачи являются геометрические и конструктивные характеристики канатно-сетной части трала, определяемые из её чертежей, масса загрузки нижней подборы и грузов-углубителей.

7. По результатам выполненных экспериментов обоснована методика адекватной замены равномерно распределённых по периметру устья канатно-сетной части разноглубинного трала гидродинамических сил сопротивления силами, сосредоточенными в точках, определённых математической моделью тренажёра. Установлена относительная величина

указанных сил в процентах от общего сопротивления канатно-сетной части трала (см. табл. 4 и диаграмму на рис. 8). Получена формула (14) для расчёта абсолютного значения этих сил в каждой из восьми точек математической модели и значения соответствующих эмпирических коэффициентов.

8. Получена эмпирическая формула (16) для расчёта абсолютных значений поперечных (стягивающих устье трала) гидродинамических сил, которые должны быть приложены в точках по периметру канатно-сетной части, определённых математической моделью тренажёра. Установлены значения эмпирических коэффициентов (см. табл. 5), определяющих долю расчётного значения сопротивления канатно-сетной части трала, прикладываемую в каждой точке по периметру устья в виде поперечной силы.

9. Разработанные методы расчёта гидродинамического коэффициента и силы сопротивления канатно-сетной части трала, поперечной силы, стягивающей его устье, а также методы распределения этих сил по периметру устья программно реализованы и использованы при разработке рыбопромыслового тренажёра тралового лова рыбы РПТ - 2000. Совместное использование разработанных методов определения гидродинамических сил, приложенных к подборам разноглубинного трала, и математической модели нестационарного движения траловой системы в тренажёре позволяет адекватно воспроизводить движение трала на стационарных и переходных режимах: при изменении скорости траления, при травлении и выборке ваеров, изменении курса судна и выполнении других манёвров. Программное обеспечение тренажёра, использующее разработанные в диссертации методы расчёта гидродинамических сил, обеспечивает возможность получения численных значений геометрических, кинематических и силовых параметров указанных манёвров в функции от времени их выполнения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Долгов А.Н., Зинченко В.П., Сыротюк А.П., Козлов A.A. Рыбопромысловый тренажёр нового поколения // Морские обучающие тренажёры / Тезисы докладов международной конференции МГА им. адм. Макарова. - С.-Петербург, 1999. - С. ?№ - 75.

2. Долгов А.Н., Козлов A.A., Бондарев В.А., Соловьёв A.A. Тренажёрная подготовка судоводителей // Рыбн. хоз-во. - 1999. - Вып. 2. - С. 52 -53.

3. Долгов А.Н., Козлов A.A., Кудрявцев H.H., Сыротюк А.П., Зинченко В.П. О виртуальной модификации рыбопромыслового тренажёра РПТ - 2000, ориентированной на учебный процесс в ВУЗах и СУзах рыбной отрасли // Информационный пакет: Некоторые вопросы теории промышленного рыболовства / Серия Промышленное рыболовство. -М.: Рыбн. хоз-во, 2000.-Вып. 1,-С. 14-21.

4. Долгов А.Н., Козлов A.A., Кудрявцев H.H., Сыротюк А.П. О виртуальной модификации рыбопромыслового тренажёра РПТ - 2000, ориентированной на учебный процесс в ВУЗах и СУзах рыбной отрасли // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов / Материалы 2-й международной конференции и совещания Госкомрыболовства России с начальниками Госаадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания. - Калининград. - 2000. - С. 388- 390.

5. Зинченко В.П., Долгов А.Н., Козлов A.A. Математическое моделирование нестационарного движения разноглубинного трала // Информационный пакет: Некоторые вопросы теории промышленного рыболовства / Серия Промышленное рыболовство. - М.: Рыбн. хоз-во, 2000.-Вып. 1.-С. 10- 13.

6. Козлов A.A., Долгов А.Н., Зинченко В.П. Математическая модель устьевой части разноглубинного трала для промыслового тренажёра // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов / Материалы 2-й международной конференции и совещания Госкомрыболовства России с начальниками Госаадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания. - Калининград. - 2000. - С. 387 - 388.

7. Розенштейн М.М., Зинченко В.П., Долгов А.Н., Козлов A.A. Моделирование нестационарного движения разноглубинного трала в компьютерном рыбопромысловом тренажёра // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов / Материалы 2-й международной конференции и совещания Госкомрыболовства России с начальниками Госаадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания. -Калининград. - 2000. - С. 393 - 395.

8. Козлов A.A., Недоступ A.A., Розенштейн М.М. О результатах исследования гидродинамических характеристик тралов(в печати).

9. Козлов A.A., Недоступ A.A., Розенштейн М.М. Современные методы расчёта гидродинамических характеристик рыболовных тралов // Современные средства воспроизводства и использования водных биоресурсов / Науч.-технич. симпозиум 7-й международной выставки «Инрыбпром - 2000». - С.-Петербург. - 2000. - С. 46 - 48.

Подписано в печать 21. 11. 2000 г. Формат бумаги 60x84 (1/16) Объём 1,1 п. л. Тираж 90 экз. Заказ № О045{2.

УОП КГТУ. Калининград обл., Советский пр-кт, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗНОГЛУБИННОГО ТРАЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ ТРЕНАЖЁРЕ.

1.1. Описание математической модели движения разноглубинного трала.

1.2. Требования, предъявляемые к методам расчёта гидродинамических сил для моделирования движения разноглубинного трала.

2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЁТА СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КАНАТНО-СЕТНУЮ ОБОЛОЧКУ ТРАЛА.

2.1. Анализ существующих методов расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала, и оценка их соответствия требованиям математической модели движения разноглубинного трала.

2.2. Постановка задач исследований.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ КАНАТНО-СЕТНОЙ ЧАСТИ ТРАЛА, ОТВЕЧАЮЩЕЙ ТРЕБОВАНИЯМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ ТРЕНАЖЁРЕ.

3.1. Исследование зависимости коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от размеров его устья.

3.1.1. Методика проведения экспериментальных работ.

3.1.2. Обработка и анализ результатов экспериментальных работ с целью получение эмпирической зависимости коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от величины раскрытия его устья.

3.2. Исследование зависимости геометрических характеристик устья канатно-сетной части трала от силовых характеристик его оснастки.

3.3. Алгоритм и пример расчёта силы сопротивления канатно-сетной части разноглубинного трала и сил его оснастки.

3.3.1. Пример расчёта гидродинамических сил сопротивления, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала.

3.3.1.1. Подготовка исходных данных.

3.3.1.2. Определение площадей канатной и сетной частей (с учётом мешка):.

3.3.1.3. Определение средних взвешенных значений диаметра ниток и канатов, шага ячеи, циклов кройки:.

3.3.1.4. Определение поперечного посадочного коэффициента по пластинам и среднего взвешенного значения:.

4. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ ПО ПЕРИМЕТРУ УСТЬЯ ТРАЛА В МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ОРУДИЯ В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ ТРЕНАЖЁРЕ.

4.1. Исследование распределения гидродинамических сил сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья.

4.1.1. Методика проведения экспериментальных работ.

4.1.2. Обработка и анализ результатов экспериментов.

4.2. Исследование распределения поперечных сил, стягивающих устье разноглубинного трала.

4.3. Пример расчёта распределения продольных гидродинамических сил сопротивления разноглубинного трала и поперечных сил, стягивающих его устье.

4.4. Пример расчета нестационарного движения разноглубинного трала в рыбопромысловом тренажере.

5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА СИЛ, ПРИЛОЖЕННЫХ К ПОДБОРАМ ТРАЛА, ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЕГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ДВИЖЕНИЯ В РЫБОПРОМЫСЛОВОМ ТРЕНАЖЁРЕ.

Как известно, основным видом отечественного морского рыболовства является траловый лов, обеспечивающий более 70 % от общего объёма добычи рыбы и морепродуктов. Вместе с тем, по ряду причин, в том числе экономического характера, сырьевая база тралового рыболовства в последние годы существенно сократилась, в связи с чем значительно усложнились условия работы промыслового флота. Так в периоды образования плотных концентраций рыбы в ряде районов промысла (Баренцево море, море Ирмингера и др.) на ограниченных площадях осуществляют лов большое число разнотипных траулеров. Работа в таких условиях требует от экипажа судов высоких профессиональных навыков, обеспечивающих эффективную и безаварийную эксплуатацию траловых систем.

Для выработки навыков управления судами широко используются, как в нашей стране так и за рубежом, навигационные тренажёры. Однако для обучения управлению траловой системой в целом в указанных выше сложных условиях промысла необходим качественно иной тип тренажёра, позволяющий управлять движением не только судна, но и других элементов системы - канатно-сетной частью трала и распорными траловыми досками.

Такой рыбопромысловый тренажёр тралового лова впервые разработан, при участии автора, конструкторским бюро морской электроники «Вектор» (г. Таганрог) [10-13]. Он предназначен для обучения курсантов судоводительских факультетов и студентов факультетов промышленного рыболовства рыбохозяйственных высших учебных заведений, а также для повышения квалификации судоводителей-практиков и тралмастеров.

Промысловый тренажёр моделирует движение промыслового судна, разноглубинного трала, поведение рыбных скоплений и работу судовых радиоэлектронных приборов. С помощью широкоформатного монитора или проекционного аппарата обучаемому в процессе тренировки представляется трёхмерная визуальная информация о надводной (вид из рубки) и подводной вид трала) обстановке. При этом наблюдение за процессом лова рыбы может осуществляться из произвольных точек пространства как над водой, так и под водой. Тренажёр реализован на базе сети персональных компьютеров, работающих под управлением операционной системы Windows NT 4.0.

Наряду с обычными функциями навигационных тренажёров, рыбопромысловый тренажёр позволяет вести обучение:

• маневрированию судном с тралом, включающем вывод трала в заданную точку водного пространства, обход тралом препятствий, проводку трала вблизи поверхности дна, прицельный облов косяков и др.;

• выбору и выполнению манёвров, обеспечивающих безопасность расхождения и поворотов судов с тралами;

• комплектованию траловой системы, технические характеристики которой соответствуют располагаемой тяге траулера на заданной скорости траления, включающему выбор и конструирование канатно-сетной части трала, её оснастки, распорных траловых досок и ваеров;

• настройке и регулировке элементов траловой системы;

• анализу неисправностей элементов траловой системы и их устранению;

• анализу динамики движения траловой системы и выбору наиболее эффективных управляющих воздействий.

Кроме того, рыбопромысловый тренажёр за счёт реализации в нём современных математических моделей движения траловой системы и моделей, описывающих характеристики внешней среды и работу судовых радиоэлектронных приборов, может использоваться как научно-исследовательский комплекс для совершенствования техники и тактики тралового лова рыбы.

Место рыбопромыслового тренажера как средства для приобретения и совершенствования навыков эффективного управления судном и орудиями лова в рамках всей системы технических средств промышленного рыболовства определяется технической альтернативой тренажерам -разработкой устройств автоматического управления процессом лова рыбы. Характеризуя эту альтернативу, отметим, что она представляет собой сложную техническую проблему, решение которой в настоящее время далеко от завершения. В области автоматизации промыслового судовождения и управления орудиями лова насущной задачей является теоретическое обоснование способов наведения трала на движущийся косяк с учетом динамики траловой системы аналогично тому как это делается в теории пропорциональной навигации. Решение этой задачи, по-видимому, можно получить лишь путем использования упрощенной схематизации траловой системы в виде одностержневой модели и простейших соотношений, описывающих изменение скорости судна при травлении или выборке ваеров. Не менее сложной является задача построения автоматических регуляторов, способных реализовать тот или иной способ управления курсом судна и длиной ваеров, что связано с нелинейностью уравнений динамики системы судно-трал и изменением параметров этих уравнений под влиянием различных причин. Сложность задачи автоматизации промыслового судовождения и управления орудиями лова приводит к выводу, что в обозримой перспективе ожидать исчерпывающего решения этой задачи не следует, и что поэтому сформулированная выше альтернатива -формирование навыков/автоматизация - может существовать неопределенно долго. Таким образом, создание рыбопромысловых тренажеров является в настоящее время необходимым условием обеспечения эффективности промышленного лова рыбы.

Перечисленные новые функциональные свойства рыбопромысло-вого тренажёра обеспечиваются использованием в нём новой эффективной математической модели нестационарного движения трала, разработанной сотрудником КБ «Вектор» В.П. Зинченко [16]. В отличие от существующих, эта модель позволяет воспроизводить изменение ориентации распорных досок и раскрытия устья трала при его движении по заданной траектории, что и даёт возможность моделировать основные манёвры траловой системой, выполняемые на промысле.

Для реализации новой математической модели в тренажёре необходимо располагать методами расчёта гидродинамических продольных (силы сопротивления) и поперечных (стягивающих) сил, действующих по периметру устья канатно-сетной части трала. Без знания величины этих сил и законов их распределения по периметру устья не возможно функционирование модели нестационарного движения трала, а, следовательно, и создание промыслового тренажёра с указанными выше свойствами. Разработке таких методов, в полной мере отвечающих требованиям математической модели, и посвящена настоящая диссертация.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания промыслового тренажёра тралового лова рыбы, позволяющего адекватно воспроизводить движение траловой системы и форму устья разноглубинных тралов. Использование таких тренажёров для подготовки специалистов, как свидетельствует практика, существенно повышает эффективность тралового лова и снижает аварийность судов и орудий рыболовства на промысле.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов расчёта гидродинамических сил, действующих по периметру устья канатно-сетной части разноглубинного трала и отвечающих требованиям математической модели нестационарного движения траловой системы в рыбопромысловом тренажёре.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать зависимость коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от размеров её устья;

• исследовать зависимость геометрических характеристик устья канатно-сетной части трала от силовых характеристик его оснастки;

• разработать методику расчёта гидродинамической силы сопротивления канатно-сетной части трала, отвечающую требованиям математической модели его движения в рыбопромысловом тренажёре;

• обосновать способ распределения гидродинамических сил сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья для математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре;

• разработать методику расчёта поперечных гидродинамических сил, стягивающих устье канатно-сетной части трала, для математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре;

• обосновать способ распределения поперечных гидродинамических сил, стягивающих устье канатно-сетной части трала, по его периметру для математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре.

Результаты выполненных исследований для решения поставленных задач изложены в пяти главах настоящей диссертации.

В первой главе даны описание и анализ математической модели нестационарного движения разноглубинного трала, используемой в рыбопромысловом тренажёре РПТ - 2000. Показаны схематизация канатно-сетной части разноглубинного трала в этой модели и основные расчётные зависимости, используемые для воспроизведения движения рыболовного орудия. На основе анализа модели установлены и сформулированы требования, предъявляемые к методам расчёта гидродинамических сил для моделирования движения разноглубинного трала.

Во второй главе рассмотрено современное состояние проблемы расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала. В первом параграфе этой главы даны анализ существующих методов расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала, и оценка их соответствия требованиям математической модели движения разноглубинного трала. В этой связи рассмотрены эмпирические формулы, методы и подходы, разработанные отечественными учёными (М.М. Розенштейном [41], В.П. Жуковым и В.И. Луниным [15], A.B. Дверником [8,9], В.А. Беловым [5], В.П. Карпенко [23,24,28], М.М. Розенштейном и A.A. Недоступом [42-45]) для расчёта коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала. Показано, что ни один из существующих методов расчёта коэффициента сопротивления не отвечает в полной мере требованиям математической модели нестационарного движения трала, используемой в рыбопромысловом тренажёре, в связи с чем возникает необходимость в их дальнейшем совершенствовании.

Установлено, что к числу параметров, определяющих конструктивные особенности канатно-сетной части разноглубинных тралов, относятся средние взвешенные значения относительной площади (сплошности) траловой оболочки, цикла её кроя и коэффициентов посадки. Анализ показал, что по числу учитываемых параметров, по диапазону их численных значений, соответствующих современным конструкциям разноглубинных тралов, по точности расчёта коэффициента сопротивления канатно-сетной части наиболее совершенным является алгоритм расчёта коэффициента, разработанный М.М. Розенштейном и A.A. Недоступом. В этой связи этот алгоритм был принят для дальнейшего совершенствования с позиций требований математической модели нестационарного движения трала. По результатам указанного анализа во втором параграфе главы осуществлена постановка задач собственных исследований автора диссертации.

Третья глава посвящена разработке методики расчёта гидродинамической силы сопротивления канатно-сетной части трала, отвечающей требованиям математической модели его движения в рыбопромысловом тренажёре. Доля решения этой задачи в гидроканале ОАО «МариНПО» проведены экспериментальные исследования зависимости коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от размеров его устья, результаты которых изложены в первом параграфе главы. Полученные опытные данные позволили установить, что влияние размеров устья на среднее взвешенное значение угла атаки меридиана траловой оболочки и, следовательно, на однозначно связанное с этим углом значение коэффициента сопротивления трала, может быть учтено с помощью некоторого параметра, зависящего от раскрытия его устья. На основе обработки экспериментальных данных получена эмпирическая формула для расчёта указанного параметра в зависимости от безразмерного раскрытия устья трала и выполнена оценка её точности. В этом же разделе диссертации показано, что расчёт коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала на основе параметра раскрытия его устья обеспечивает достаточную для инженерных приложений точность получаемых результатов.

Во втором параграфе этой главы выполнено исследование зависимости геометрических характеристик устья канатно-сетной части трала от силовых характеристик его оснастки. В результате получена эмпирическая формула, связывающая отношение горизонтального раскрытия к вертикальному с отношением распорной силы траловой доски к суммарной подъёмной и заглубляющей силе, создаваемой оснасткой подбор трала и грузами-углубителями.

На основе выполненных исследований впервые разработан алгоритм комплексного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и сил оснастки подбор орудия, которые обеспечат это раскрытие, который изложен в третьем параграфе этой главы. Для иллюстрации применения разработанного алгоритма в проектной практике в этом же разделе приведён пример расчёта сил, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала.

В четвёртой главе выполнено обоснование способа распределения продольных (сопротивление) и поперечных (стягивающих) сил по периметру устья трала в математической модели движения орудия в рыбопромысловом тренажёре.

В первом параграфе изложены результаты экспериментальных исследований распределения гидродинамических сил сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья. Получена эмпирическая формула для расчёта величины гидродинамических сил, которые следует приложить по периметру устья разноглубинного трала в точках, заданных математической моделью движения орудия в тренажёре. Приведены численные значения эмпирических коэффициентов, определяющих долю от расчётной величины сопротивления канатно-сетной части трала, прикладываемую в виде продольной силы к каждой точке по периметру устья.

Второй параграф этой главы посвящён экспериментальному исследованию распределения поперечных сил, стягивающих устья разноглубинного трала. В результате также получены эмпирическая формула для расчёта величины поперечной силы в каждой точке, заданной математической моделью, и значения эмпирических коэффициентов, определяющих долю от величины сопротивления канатно-сетной части трала, прикладываемую в каждой точке.

В третьем параграфе показан пример расчёта на основе полученных эмпирических формул распределения продольных гидродинамических сил сопротивления разноглубинного трала и поперечных сил, стягивающих его устье.

В пятой главе показаны некоторые результаты применения методов расчёта сил, приложенных к подборам трала, для моделирования его нестационарного движения в рыбопромысловом тренажёре РПТ - 2000. С использованием математической модели тренажёра был произведён численный расчёт параметров манёвра по увеличению скорости буксировки разноглубинного трала на прямом курсе и при постоянной длине вытравленных ваеров. Приведены расчётные зависимости скорости движения трала, горизонта его хода, натяжение в ваере, вертикального и горизонтального раскрытия устья, коэффициента сопротивления канатно-сетной части от времени выполнения манёвра. Проведено качественное сравнение расчётных значений некоторых параметров из числа перечисленных с имеющимися экспериментальными данными. На основании материалов, приведённых в этой главе, сделано заключение, что разработанные методы расчёта гидродинамического коэффициента и силы сопротивления канатно-сетной части трала, поперечной силы, стягивающей его устье, а также методы распределения этих сил по периметру устья при их использовании в математической модели движения траловой системы рыбопромыслового тренажёра позволяют адекватно воспроизводить процесс нестационарного движения трала и определять численные значения параметров этого процесса.

Научная новизна работы состоит в установлении ранее неизвестных:

• зависимости коэффициента сопротивления канатно-сетной части трала от величины раскрытия его устья;

• зависимости безразмерного раскрытия устья от соотношения сил, создаваемых оснасткой трала;

• характера распределения продольной силы сопротивления канатно-сетной части трала по периметру его устья;

• характера распределения поперечной силы, стягивающей устье канатно-сетной части трала по его периметру.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке метода и алгоритма комплексного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и сил оснастки подбор орудия, которые обеспечат это раскрытие.

Работа является частью научно-исследовательской и конструкторской темы конструкторского бюро морской электроники «Вектор», направленной на создание рыбопромыслового тренажёра тралового лова рыбы РПТ - 2000 и выполненной по заказу Государственного комитета рыбного хозяйства Российской Федерации. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы реализованы в программном обеспечении компьютерного рыбопромыслового тренажёра РПТ - 2000, созданного в КБ «Вектор» и поставляемого им в рыбохозяйственные вузы страны.

Апробация работы осуществлялась в виде докладов и сообщений на следующих конференциях и семинарах: «Морские обучающие тренажёры», международная конференция, МГА им. адм. Макарова, С.-Петербург, 1999; Международная конференция и совещание Госкомрыболовства России с начальниками Госадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания, Калининград, 2000; «Современные средства воспроизводства и использования водных биоресурсов», научно-технический симпозиум на международной выставке «Инрыбпром - 2000», С.-Петербург, 2000; Международная научно-техническая конференция, посвящённая 70-летию Калининградского государственного технического университета, Калининград, 2000; семинар кафедры промышленного рыболовства КГТУ, Калининград, 2000.

Основное содержание работы опубликовано в 9-ти статьях в соавторстве с сотрудниками КБ морской электроники «Вектор» и научным руководителем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные экспериментальные и аналитические исследования гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала, с целью создания адекватных методов их расчёта при моделировании динамических режимов движения траловой системы в рыбопромысловом тренажёре РПТ - 2000 позволили получить следующие основные результаты и научные выводы:

1. На основе анализа математической модели нестационарного движения траловой системы, используемой в рыбопромысловом тренажёре, сформулированы предъявляемые ею требования к методам расчёта гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть разноглубинного трала. Одно из основных требований заключается в том, что коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала при расчёте её сопротивления должен определяться в зависимости от величины раскрытия устья. Помимо совершенствования методики расчёта продольной силы сопротивления канатно-сетной части трала, модель требует создания методики расчёта поперечных сил, стягивающих его устье. И, наконец, необходимо обосновать способ адекватной замены равномерного распределения указанных сил по периметру устья трала силами, сосредоточенными в точках, определяемых математической моделью.

2. На основе анализа существующих методов расчёта сил, действующих на канатно-сетную оболочку трала, установлено, что ни один из них в полной мере не отвечает требованиям, предъявляемым математической моделью тренажёра. Вместе с тем, в работе показано, что наиболее полно учитываются конструктивные характеристики разноглубинных канатных тралов в расчёте коэффициента сопротивления его канатно-сетной части при использовании метода, изложенного в работах М.М. Розенштейна и A.A. Недоступа. Кроме того, этот метод обеспечивает наибольшую точность расчёта коэффициента сопротивления. В этой связи он был принят за основу для дальнейшего совершенствования методики расчёта гидродинамических сил, действующих на канатно-сетную часть трала, с позиции требовании, предъявляемых математической моделью рыбопромыслового тренажёра.

3. На основе выполненных экспериментов получена эмпирическая формула (40), связывающая среднее взвешенное значение угла атаки меридиана траловой оболочки с параметром Л(Ри), характеризующим величину раскрытия устья разноглубинного трала. Найден показатель раскрытия устья трала /, определяющий величину раскрытия в форме (37). Установлено, что параметр Л(Ри) связан с показателем раскрытия устья / параболической зависимостью (39), которая с высокой точностью соответствует полученным экспериментальным данным. На основе выполненной статистической обработки результатов опытов получено, что максимальное относительное отклонение опытных данных от формулы (39) составляет 6,1 %, а среднее относительное отклонение равно 3,8 %.

4. Ещё раз экспериментально доказано, что коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала с достаточной для инженерных приложений точностью может рассчитываться как линейная функция в форме (16) среднего взвешенного значения угла атаки меридиана траловой оболочки. Максимальное относительное отклонение опытных данных от результатов расчёта по формуле (16) составило 12,7 %, среднее относительное отклонение составило 4,9 %. Таким образом, успешно решена одна из основных в числе поставленных в диссертации задач, заключавшаяся в установлении связи между значением коэффициента сопротивления канатно-сетной части разноглубинного трала и величиной раскрытия его устья.

5. На основе выполненных экспериментов и с привлечением ранее полученных экспериментальных данных установлена связь в виде формулы (48) между безразмерным горизонтальным раскрытием устья трала (отношением горизонтального раскрытия к вертикальному) и безразмерными силами его оснастки (отношением распорной силы траловой доски к суммарной силе, создаваемой оснасткой подбор трала). Среднее относительное отклонение экспериментальных точек от кривой, определяемой формулой (48), составило 4,6 %, максимальное относительное отклонение равно 6,8 %.

6. На основе проведённых исследований впервые разработан алгоритм совместного расчёта силы сопротивления канатно-сетной части трала по заданной величине раскрытия его устья и величин силы оснастки орудия (распорной силы траловой доски и подъёмной силы оснастки верхней подборы), которые обеспечат это раскрытие. Этот алгоритм найдёт широкое применение в практике проектирования траловых орудий рыболовства. Он программно реализован и успешно апробирован в расчётах современных разноглубинных тралов. Входными данными для решения указанной задачи являются геометрические и конструктивные характеристики канатно-сетной части трала, определяемые из её чертежей, масса загрузки нижней подборы и грузов-углубителей.

7. По результатам выполненных экспериментов обоснована методика адекватной замены равномерно распределённых по периметру устья канатно-сетной части разноглубинного трала гидродинамических сил сопротивления силами, сосредоточенными в точках, определённых математической моделью тренажёра. Установлена относительная величина указанных сил в процентах от общего сопротивления канатно-сетной части трала (см. табл. 8 и диаграмму на рис. 27). Получена формула (50) для расчёта абсолютного значения этих сил в каждой из восьми точек математической модели и значения соответствующих эмпирических коэффициентов (см. табл. 9).

8. Получена эмпирическая формула (52) для расчёта абсолютных значений поперечных (стягивающих устье трала) гидродинамических сил, которые должны быть приложены в точках по периметру канатно-сетной части, определённых математической моделью тренажёра. Установлены значения эмпирических коэффициентов (см. табл. 12), определяющих долю расчётного значения сопротивления канатно-сетной части трала, прикладываемую в каждой точке по периметру устья в виде поперечной силы.

9. Разработанные методы расчёта гидродинамического коэффициента и силы сопротивления канатно-сетной части трала, поперечной силы, стягивающей его устье, а также методы распределения этих сил по периметру устья программно реализованы и использованы при разработке рыбопромыслового тренажёра тралового лова рыбы РПТ - 2000. Совместное использование разработанных методов определения гидродинамических сил, приложенных к подборам разноглубинного трала, и математической модели нестационарного движения траловой системы в тренажёре позволяет адекватно воспроизводить движение трала на стационарных и переходных режимах: при изменении скорости траления, при травлении и выборке ваеров, изменении курса судна и выполнении других манёвров. Программное обеспечение тренажёра, использующее разработанные в диссертации методы расчёта гидродинамических сил, обеспечивает возможность получения численных значений геометрических, кинематических и силовых параметров указанных манёвров в функции от времени их выполнения.

1. Альтшуль Б.А., Фридман А.Л. Динамика траловой системы. М.: Агропромиздат, 1990. - 238 с.

2. Баславский И.А. Исследование динамики системы судно-трал // Науч. -техн. конференция, посвящённая 50-летию Советской власти. -Мурманск, 1968. С. 80 -84.

3. Батухтин В.А. Исследование возможностей реализации управляемого спуска трала // Тр. КТИРПХ. 1981. - Вып. 95. - С. 46 -49.

4. Батухтин В.А. Проектирование управляемого движения трала в вертикальной плоскости // Тр. КТИРПХ. 1983. - Вып. 103. - С. 73 - 78.

5. Белов В.А., Короткое В.К., Соврасов В.,К., Шимянский C.JI. Буксируемые орудия лова. М.: Агропромиздат, 1987. - 200 с.

6. Вентцель Е.С. теория вероятностей. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1962. 564 с.

7. Габрюк В.И. Компьютерные технологии в промышленном рыболовстве. -М.: Колос, 1995.-541 с.

8. Дверник A.B. К вопросу об особенностях гидродинамического сопротивления рыболовной сети // Тр. КТИРПХ. 1971. - Вып. 32. - С. 66 - 72.

9. Дверник A.B. Совершенствование методики расчёта сопротивления рыболовного трала: Дис. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук. -Калининград: КТИРПХ, 1971. 255 с.

10. Долгов А.Н., Зинченко В.П., Сыротюк А.П., Козлов A.A. Рыбопромысловый тренажёр нового поколения // Морские обучающие тренажёры / Тезисы докладов международной конференции МГА им. адм. Макарова. С.-Петербург, 1999. - С. ?№ - 75.

11. Долгов А.Н., Козлов A.A., Бондарев В.А., Соловьёв A.A. Тренажёрная подготовка судоводителей // Рыбн. хоз-во. 1999. - Вып. 2. - С. 52 -53.

12. Дуд ко С. Оценка влияния характеристик сетного полотна на сопротивление тралов на основе результатов исследований сетныхконструкций // Докл. на 7-й научн.-техн. конф. по развитию флота рыбн. пром-сти и промышл. рыболовства соц. стран. Щецин, 1989. -Юс.

13. Жуков В.П., Лунин В.И. О коэффициенте сопротивления пелагических тралов // Рыбн. хоз-во. 1976. - № 6. - С. 56 -57.

14. Зинченко В.П. Численный метод расчета движеня траловой системы // рук. Доц.

15. Иванов A.M., Козлов В.В. О траектории трала и коррекции курса судна при прицельном тралении // Рыбн. хоз-во. 1975. - № 10. - С. 61 - 66.

16. Ивашов-Мусатов О.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979. 256 с.

17. Карапузов А.И. Маневрирование судов при совместном траловом промысле. Калининград, 1972. - 88 с.

18. Карпенко В.П. О задачах программного управления скоростными и тяговыми параметрами системы судно-трал в режиме глубоководного спуска трала // Тр. КТИРПХ. 1975. - Вып. 57. - С. 19 - 30.

19. Карпенко В.П. Алгоритм расчёта оптимальной траектории спуска трала и программы кинематического и тягового взаимодействия судна и ваерной лебёдки для её реализации // Тр. КТИРПХ. 1979. - Вып. 84. -С. 39-51.

20. Карпенко В.П. Основы теории и расчёта устройств раскрытия траловых систем: Дис. на соиск. учён. степ. док. техн. наук. Керчь: Керченский морской технологический институт, 1995. - 363 с.

21. Карпенко В.П. Формулы для оценочного расчёта и анализа гидродинамического сопротивления трала // Тр. КТИРПХ. 1978. -Вып. 71.-С. 9-17.

22. Карпенко В.П. О задаче выбора оптимального варианта управления переводом трала с одной глубины на другую // Тр. КТИРПХ. 1980. -Вып. 89.-С. 13-24.

23. Карпенко В.П., Левашов С.И. Расчёт и обеспечение вертикального манёвра пелагического трала // Рыбн. хоз-во. 1975. - № 12. - С. 42 -46.

24. Карпенко В.П., Суконнов A.B., Левашов С.И. О задаче проектирования спуска трала // Тр. КТИРПХ. 1977. - Вып. 71. - С. 65 - 75.

25. Карпенко В.П., Фридман А.Л. Устройства раскрытия рыболовных тралов. М.: Пищ. пром-сть, 1980. - 248 с.

26. Коваленко И.Н., Филлипова A.A. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1982. 256 с.

27. Котик В.П., Моисеев В.Я., Федотов В.А. Экспериментальные исследования пространственного движения системы судно-трал при изменении курса судна // Тр. КТИРПХ. 1980. - Вып. 89. -С. 16- 80.

28. Купцов О.В. Исследование статических и динамических характеристик комплекса «судно-ваер-трал» // Сб. статей, электрооборудование и автоматизация судов. Владивосток. - 1975. - С. 55 - 64.

29. Купцов О.В. Передаточные функции комплекса «судно-ваер-трал» при управлении с помощью ВРШ и траловой лебёдки // Сб. статей / ДПИ. -1977.-С. 25-39.

30. Морские орудия лова северного бассейна (рекомендации промысловикам) // ЦПКТБ ВО «Севрыба». Мурманск. -1986. - 210 с.

31. Недоступ A.A. Экспериментальное исследование зависимости коэффициента сопротивления разноглубинных тралов от сил их оснастки // Гидромеханика орудий лова: Сб. науч. трудов / КГТУ. -Калининград. 1999.

32. Недоступ A.A. Исследование гидродинамического коэффициента сопротивления тралов: Дис. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук. -Калининград: КТИРПХ. 2000. - 165 с.

33. Обвинцев А.Л. Комплексный метод расчёта технических характеристик разноглубинных тралов с помощью ЭВМ // Тр. КТИРПХ. 1988. - С. 112-116.

34. Ольховский В.Е., Шадрин Ю.А., Яковлев В.И. Управление глубиной хода трала на придонном лове рыбы // Рыбн. хоз-во. 1979. - № 4. - С. 47-50.

35. Ольховский В.Е., Шадрин Ю.А., Яковлев В.И. Расчёт расстояния забега судна и перевода трала на глубину погружения косяка // Рыбн. хоз-во. -1985.-№8.-С. 45-47.

36. Ольховский В.Е., Яковлев В.И., Меньшиков В.И. Математическое обеспечение автоматизации тралового и кошелькового лова. М.: Пищепромиздат, 1980. 168 с.

37. Розенштейн М.М. О сопротивлении сетной части трала // Тр. Пром. рыболовство. Калининград: КТИРПХ. - 1969. - Вып. 21. - С. 133 -140.

38. Розенштейн М.М., Недоступ A.A. Метод расчёта коэффициента сопротивления сетной части трала // Рыб. хоз-во. 1997. - № 4. - С. 47 -49.

39. Розенштейн М.М., Недоступ А.А. Методы расчёта сил сопротивления канатно-сетной части трала // Рыбн. хоз-во. Серия «Промышленное рыболовство»: Обзорная информация ВНИЭРХ. - М. - 1998. - Вып. 2. -С. 1-23.

40. Розенштейн М.М. Механика орудий промышленного рыболовства. Ч. 5: Учеб. пособие. Калининград, 1998. - 90 с.

41. Ряузов Н.Н. Общая теория статистики. М.: Госкомиздат, 1963. -295 с.

42. Соловьёв А.А. К вопросу об управлении разноглубинным тралом в горизонтальной плоскости / Всесоюзный науч.-техн. семинар по гидродинамике и проектированию орудий лова. Калининград. - 1987. -С. 105- 107.

43. Фридман A.JI. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства. -М.: Пищ. пром-сть, 1969. 568 с.

44. Фридман A.JI. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства. М.: Лёг. и пищ. пром-сть, 1981. - 328 с.

45. Фридман А.Л., Розенштейн М.М. Сборник задач и упражнений по теории и проектированию орудий промышленного рыболовства. М.: Агропромиздат, 1987. - 256 с.

46. Rozenstein M.M., Nedostup A.A. Investigation of hydro-mechanical characteristic of rope-and-net part of trawl // Report on international symposium on responsible fisheries and fishing techniques. Insko, Poland. -1999.

47. Stengel H., Fridman A.L. Fischfang Gerete. Theorie und Entwerfen von Fanggeraten der Hochseefischerei. - Berlin: VEB Verlag Technik. - 332 s.

48. Stengel H., Paschen M. Ein mathematisches Modell zur Untersuchung des Bewegungsverhaltens des Systems Schiff-Schleppnetz // Schiffbauforschung. 1980. -№ 2. - S. 89-96.

49. Wagner St. und an. Versuche zur Dynamik pelagischer Schleppnetze und Vergleich der Messungen mit theoketischen Berehungsverfahren // Seewirtschaft. 1985. - № 2. - S. 95 - 97.

50. Ziembo Z. Metoda projektowania ksztaltu wloka jako powloki elastycznej. -Gdynia: Wydawnictwo Morskiego Instytutu Rybackiego, 1990. 180 s.

51. Ziembo Z. Turbulent mixing of water flow within trawl walls and method of calculating component force of reaction, parallel to direction of motion // Bull, sea Fish. Institute. 1993. - № 3 (130). - P. 61 - 73.

52. Ziembo Z. Pole predkosci przeplywu wody w strefie wloka i powstajace w nim sily reakcji. // Report on international symposium on responsible fisheries and fishing techniques. Insko, Poland. - 1999. - S. 119 - 126.