Зависимости статической устойчивости прямоугольных цилиндрических траловых досок от их удлинения

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЗАВИСИМОСТИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТРАЛОВЫХ ДОСОК ОТ ИХ УДЛИНЕНИЯ

Зеленин Федор Леонидович

Специальность 05.18.17 - Промышленное рыболовство

Калининград - 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Заслуженный работник высшей школы России Розенштейн Михаил Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Минько Виктор Михайлович кандидат технических наук, Перевозщиков Валентин Гаврилович

Ведущая организация: ФГУП «Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Защита диссертации состоится 03 июня 2011 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.007.01 при Калининградском государственном техническом университете по адресу:

236022, г. Калининград, Советский проспект, 1, ауд. 255.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Калининградского государственного технического университета.

Автореферат разослан 29 апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Великанов Н.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В течение последних десятилетий произошло вытеснение тралового флота из наиболее продуктивных и хорошо освоенных шельфовых районов промысла в открытые пространства Мирового океана. Это связано со снижением запасов промысловых объектов в шельфовых районах 200 мильных зон. Рыбопромысловые компании России, такие как ФОР, Мурманский траловый флот и другие, имеют крупнотоннажные суда, ориентированные на океанический лов и переработку рыбы вдали от береговых баз.

Для повышения уловистости пелагических рыб были увеличены размеры устья трала - горизонтальное и вертикальное раскрытие.

Увеличение глубин и скоростей траления, увеличение размеров тралов, рост тяговых усилий судов и промысловых механизмов, необходимость облова подвижных скоплений рыбы ставят перед специалистами промышленного рыболовства задачу - обеспечить необходимое горизонтальное раскрытие тралов. Горизонтальное раскрытие траловой системы обеспечивается распорными устройствами - траловыми досками. Очевидно, что эффективность работы трала во многом зависит от работы траловых досок.

Увеличение распорной силы траловой доски Ry и снижение ее гидродинамического сопротивления Rx является важной задачей современного промышленного рыболовства. Над этой проблемой работал целый ряд отечественных и зарубежных учёных: В.П. Карпенко, А.Л. Фридман, И.Р. Матросов, В.И. Габрюк, М.М. Розенштейн, Э.М. Рыкунов, Т. Каваками и др.

Известно, что для крыльев и траловых досок величина распорной силы прямо пропорциональна значению гидродинамического коэффициента Cy, квадрату скорости траления V и площади траловой доски F. Увеличение указанных параметров приводит к увеличению значения Ry. Однако при увеличении площади траловой доски, помимо роста материальных затрат на ее изготовление, растет величина гидродинамического сопротивления - Rx, которая также прямо пропорциональна квадрату скорости траления, площади доски и гидродинамическому коэффициенту Cx. Поэтому крайне важно при проектировании траловых систем иметь возможность выбирать такие размеры траловых досок, при которых максимальным значениям Ry будут соответствовать минимальные значения Rx и F.

Следует отметить, что исследование форм траловых досок, их профилей и других конструктивных характеристик привели к созданию прямоугольных цилиндрических траловых досок, которые наиболее широко применяются в современном траловом лове. Неисследованным остался вопрос выбора удлинения траловой доски.

Вопрос влияния удлинения л (отношение размаха к хорде) прямоугольной траловой доски на гидродинамические коэффициенты Cy, Cx, а также на качество K (отношение Сy к Cx) изучен особенно слабо. Так же практически не изучен вопрос влияния удлинения на статическую устойчивость траловой доски. Как правило, на практике применяются хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации доски одних и тех же удлинений.

На сегодняшний день ответ на вопрос - доски каких удлинений обеспечивают максимальную распорную силу и имеют достаточный для безаварийной эксплуатации запас статической устойчивости - можно дать лишь, исходя из практического опыта рыболовства прошлых лет.

В этой связи являются актуальными исследования, направленные на определение зависимостей гидродинамических характеристик траловых досок и их статической устойчивости от удлинения. Результаты таких исследований позволят оценить целесообразность увеличения удлинения досок для повышения их гидродинамического качества, чему и посвящена настоящая диссертация.

Предмет исследования - определение зависимости запаса статической устойчивости прямоугольной цилиндрической траловой доски от ее удлинения.

Объект исследования - разноглубинная прямоугольная цилиндрическая траловая доска, как наиболее широко применяемая на промысле и являющаяся прототипом для создания большинства современных разноглубинных траловых досок.

Цель работы - оценка и обоснование возможности увеличения удлинения разноглубинной прямоугольной траловой доски при условии обеспечения необходимого запаса ее статической устойчивости.

Научная новизна диссертационной работы:

? получены экспериментальные значения гидродинамических коэффициентов Cx, Cy, K для модели разноглубинной прямоугольной цилиндрической траловой доски с удлинением л=5,00 а также осуществлена экспериментальная проверка этих коэффициентов для моделей со значениями л=0,75 и л=1,65;

? на основе данных экспериментов, выполненных с моделями прямоугольных досок в гидроканале, получены зависимости запаса статической устойчивости досок от их удлинения;

? найдены и обоснованы предельные значения удлинения, при которых траловая доска будет иметь достаточный запас статической устойчивости.

Практическая ценность работы.

Результаты выполненных исследований позволяют сформулировать практические рекомендации проектировщикам разноглубинных прямоугольных цилиндрических траловых досок по увеличению их удлинения для различных (по величине гидродинамического сопротивления) групп тралов, которые направлены на обеспечение максимального гидродинамического качества при сохранении площади траловой доски и достаточного запаса ее статической устойчивости.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Механика орудий рыболовства», «Методы проектирования орудий рыболовства», «Проектирование орудий рыболовства» в процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению 111000.62 и 111000.68 - Рыболовство и специальности 111000.65 - Промышленное рыболовство.

Публикации. По теме диссертации имеется пять публикаций, две из которых - в изданиях, рекомендованы ВАК для публикации материалов диссертации.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и восьми приложений. Общий объём диссертации

- 158 страниц текста, в том числе - 62 таблицы, 67 рисунков. Список литературы включает 42 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и формулируется цель исследования.

Первая глава посвящена анализу публикаций по теме исследования и обзору существующих подходов к проблеме обеспечения устойчивости движения траловой доски в условиях волнения моря и бортовой качки, решение которой важно с точки зрения обеспечения условий для эффективного лова рыбы.

Решение проблемы обеспечения устойчивости движения траловой доски зависит от того, насколько качественно построена и обоснована ее математическая модель. Качество этой модели в свою очередь зависит от точности определения гидромеханических сил и моментов, действующих на траловую доску.

Задачу определения гидродинамических сил и моментов можно решать тремя способами:

- первый - заключается в определении выражений для действующих сил и моментов путем решения нелинейных «краевых» гидродинамических задач движения твердого тела в жидкости численными или теоретическими методами. При этом вводятся очень серьезные упрощения и допущения как по форме тела («пластина» и т.п.), так и по характеру движения («прямолинейное», «стационарное и т.п.);

- второй - заключается в экспериментальном определении действующих сил, точек их приложения и соответствующих моментов. Полученные экспериментальные данные позволяют достаточно точно и быстро определять значения гидродинамических коэффициентов и действующих сил и моментов, но только в том случае, если параметры траловой доски и характеристики ее движения лежат в пределах проведенных экспериментальных исследований. Графики и таблицы, построенные на основе экспериментов, достаточно часто приводятся в справочниках, монографиях и статьях, посвященных анализу траловых систем;

- третий - комбинированный и наиболее широко используемый при решении нелинейных гидродинамических задач. Обобщенные выражения для действующих сил и моментов выводятся теоретическими методами на основе решения упрощенных задач, затем в этих выражениях выделяются гидродинамические коэффициенты, значения которых подлежат дальнейшему уточнению экспериментальным путем.

Анализ устойчивости траловой доски, в смысле ее способности после воздействия на нее какого-либо конечного возмущения возвращаться к исходному состоянию равномерного поступательного движения, как и любой сложной динамической системы, принято проводить либо на основе теоретического анализа устойчивости, либо на основе результатов экспериментальных исследований, либо смешанным образом. При этом сначала производится поиск условий устойчивости на основе теоретической модели, а затем производится экспериментальная проверка и уточнение значений параметров, обеспечивающих устойчивое движение (равновесие) траловой доски.

Большинство методов поиска условий устойчивости на основе теоретических моделей сводится к использованию методов Ляпунова. Чаще всего используется его 1-й метод, который состоит в анализе поведения динамической системы после воздействия на нее «малых» возмущений. Этот метод используют для поиска условий устойчивости положения равновесия или стационарного движения тела.

Использование метода анализа устойчивости в «малом» стационарных состояний траловых досок проработано более детально в работах В.П. Карпенко, А.Л. Фридмана, В.И. Габрюка, М.М. Розенштейна.

В большинстве работ условия равновесия траловой доски в водном пространстве определяют как равенство нулю сумм проекций на координатные оси всех действующих на неё сил в связанной системе координат и равенство нулю суммарных моментов всех сил относительно тех же осей координат.

В работах В.П. Карпенко, А.Л. Фридмана и М.М. Розенштейна при нахождении равновесных состояний траловой доски определяются углы атаки, крена и дифферента. Методика расчета равновесных (балансировочных) значений углов атаки, крена и дифферента была разработана В.П. Карпенко.

На сегодняшний день более пригодным к практическому применению является подход к анализу устойчивости равновесных состояний, изложенный в учебнике для вузов (Розенштейн М.М. Механика орудий рыболовства. - Калининград, 2000.-363 с.). В основе этого подхода лежит численное определение частных производных в условиях равновесия траловой доски. Приближенные значения этих частных производных представляют собой значения запаса статической устойчивости. Данный подход к определению параметров устойчивости траловых досок представляется очень перспективным с точки зрения практического применения к проектированию траловых досок. Такой подход позволяет сравнивать доски с различными характеристиками по величине запаса статической устойчивости - чем он больше, тем более устойчиво к внешним возмущениям ведет себя траловая доска, а соответственно и вся траловая система.

Во второй главе приводится обзор существующих разноглубинных траловых досок, приводятся их характеристики, обосновывается выбор объекта исследования.

Несмотря на существование большого количества видов и конструкций распорных устройств, в современном океаническом рыболовстве широкое применение находят всего несколько их вариантов, о чем свидетельствуют промысловые отчеты о работе российских судов. Среди распорных устройств для разноглубинного траления как в отечественном, так и в зарубежном современном океаническом рыболовстве, преобладающее применение находят распорные прямоугольные доски цилиндрического профиля.

Обзор приведенных конструкций траловых досок в первом параграфе главы показал, что все модели имеют прямоугольную форму в плане. Все доски имеют цилиндрический вертикальный профиль, а некоторые - имеют дополнительный, небольшой излом в боковом профиле, так называемую v-образность.

Таким образом, прямоугольная траловая доска с цилиндрическим вертикальным профилем является, по сути, прототипом для большинства современных конструкций разноглубинных траловых досок. Следовательно, можно предположить, что результаты исследования поведения прямоугольных цилиндрических траловых досок можно обобщить для большинства используемых в рыболовстве разноглубинных траловых досок.

Во втором параграфе этой главы проводится анализ значений гидродинамических коэффициентов траловых досок и прямоугольных крыльев и их зависимость от удлинения на основе данных, опубликованных в работах В.П. Карпенко, А.Л. Фридмана, В.В. Шабарова, А.С. Кравца, В.А. Наумова, Е.Г. Мейлус.

Необходимость в исследовании этих зависимостей для прямоугольных крыльев связана с наличием данных о значениях Cx и Cy для больших удлинений. Это позволило в дальнейшем использовать полученные значения для ориентировочных расчетов траловых досок, по которым таких значений нет. Так, например, для траловой доски удлинением 5,00 для предварительной оценки качества и статической устойчивости использовались значения прямоугольного крыла соответствующего удлинения.

В табл. 1 приведены значения Cx, Сy и К для траловых досок и прямоугольных крыльев, взятые из литературы. Результаты аппроксимации зависимостей приведены в табл. 2 и для наглядности представлены на рис. 1-3.

Таблица 1 - Значения гидродинамических коэффициентов

л	0,75	1,00	1,65	3,00	5,00	6,00	7,00
Cx для крыльев	-	0,48	-	0,33	0,31	0,30	0,30
Cx для досок	0,45	-	0,40	-	-	-	-
Сy для крыльев	-	0,90	-	1,05	1,20	1,30	1,35
Сy для досок	1,25	-	1,40	-	-	-	-
К для досок	2,77	-	3,50	-	-	-	-
К для крыльев	-	1,85	-	3,15	3,96	4,25	4,50

Из анализа данных табл. 1, а также аппроксимирующих зависимостей (табл. 2, рис. 1-3) необходимо отметить, что значение гидродинамического коэффициента Cx прямоугольных крыльев и прямоугольных цилиндрических траловых досок падает с увеличением удлинения с 1,00 до 5,00 на 35% для крыльев и на 28% для досок.

увеличением удлинения в диапазоне от 1,00 до 5,00 на 28%, а для траловых досок этот коэффициент изменяется незначительно. Значение качества К при изменении удлинения от 1,00 до 5,00 возрастает для крыла на 53%, а для доски - на 21%.

Отметим, что ошибка аппроксимации в табл. 2 не превышает 10%.

Таблица 2 - Погрешности аппроксимации зависимостей гидродинамических коэффициентов

Зависимость	Уравнение зависимости	Абсолютная ошибка (относительная ошибка)
Cx = ѓ(л) Для крыла	0,47 ? л -0,24	0,012 (3,6%)
Cx = ѓ(л) Для досок	0, 3 л - 0,19	0,006 (1,7%)
Cy = ѓ(л) Для крыла	0,85 e (0,07 л)	0,012 (1,0%)
Cy = ѓ(л) Для досок	1,32 e (-0,01 л)	0,076 (5,9%)
К = ѓ(л) Для крыла	0, 3 ?+1,61	0,145 (4,9%)
К = ѓ(л) Для досок	0,21 ?+2,84	0,321 (9,1%)

В третьей главе описаны цели исследования и поставлены задачи, которые необходимо решить для достижения этих целей.

Как уже было сформулировано во введении диссертационной работы, целью исследований является обоснование целесообразности и возможности увеличения удлинения разноглубинных траловых досок. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор типа траловой доски для выполнения исследования.

2. Осуществить экспериментальную оценку изменений гидродинамических коэффициентов Cx и Cy в зависимости от удлинения разноглубинных траловых досок.

В работах В.П. Карпенко приведен анализ изменения гидродинамических коэффициентов различных траловых досок от углов атаки и крена при удлинениях от 0,75 до 1,67. Анализ гидродинамических характеристик при больших удлинениях не проводился. В то же время на практике широко используются траловые доски с удлинением 2,00 и более. Во многих работах опубликованы данные по значениям гидродинамических коэффициентов для прямоугольных крыльев удлинением 5,00, что обуславливает выбор этого удлинения для дальнейших исследований. Такое положение вещей ставит следующую задачу: получить экспериментальные значения гидродинамических характеристик траловой доски удлинением 5,00, а также произвести экспериментальную проверку значений для досок удлинением 1,65 и 0,75.

3. Определить величину запаса статической устойчивости для траловых досок различных удлинений. Известно, что увеличение удлинения траловой доски, равно как и крыла малого удлинения, приводит к снижению запаса статической устойчивости. Но задача качественного определения оценки влияния удлинения на запас статической устойчивости траловых досок в предыдущих исследованиях не ставилась. При решении данной задачи будет использоваться методика В.П. Карпенко для расчета значений балансировочных углов и метод определения запаса статической устойчивости, приведенный в работах М.М. Розенштейна. Расчет запасов статической устойчивости будет произведен для натурных траловых досок на основе гидродинамических коэффициентов, приведенных в литературе, и для моделей досок на основе экспериментально полученных коэффициентов.

Статическая устойчивость траловой доски зависит от таких параметров, как усилия в лапках (сопротивление канатно-сетной части трала), угла атаки траловой доски, угла атаки кабеля, координат крепления лапок траловой доски. Поэтому для анализа влияния удлинения на запас статической устойчивости необходимо произвести расчеты для различных по величине сопротивления тралов. В этой связи необходимо определить диапазоны значений сопротивлений канатно-сетных частей тралов, наиболее часто применяемых на промысле. Сопротивления канатно-сетных частей тралов были рассчитаны в среде MATHCad по методике М.М Розенштейна и А.А. Недоступа.

Главным направлением исследования является поиск возможности повышения гидродинамического качества досок за счет увеличения удлинения. Вследствие того, что прямоугольные цилиндрические траловые доски являются наиболее часто применяемыми в мировом траловом промысле, все расчеты проведены для досок этих конструкций.

В четвертой главе приводятся результаты расчетов силовых характеристик разноглубинных тралов.

Для анализа влияния удлинения на статическую устойчивость траловых досок необходимо иметь диапазон значений сил сопротивления канатно-сетной части тралов с оснасткой, применяемых в настоящее время.

Так как значения сил гидродинамического сопротивления канатно-сетных частей тралов не приводятся в технической документации на эти орудия, возникла необходимость в их расчете.

В этой главе представлен алгоритм расчетов в виде блок-схемы, а также приведена табл. 3 с результатами расчетов.

Таблица 3 - Значения сопротивлений канатно-сетных частей разноглубинных тралов

Конструкция трала	Сопротивление канатно-сетной части (кН)	Скорость траления (м/с)
Трал 70/370 восьмипластный пр.032.00.000 (НПО Промрыболовства)	137	2,2
Трал 70/370 пр.2315.00.000 (НПО Промрыболовства)	119	2,2
Трал 70/ 60 пр.227.000 (Латрыбпром «Запрыба»)	127	2,2
Трал 76/336 восьмипластный пр.132.000 (Пионерской БОРФ «Запрыба»)	139	2,1
Трал 76/336 пр.30 .233.2651.062 (ЦПКТБ «Азчеррыба»)	110	1,9
Трал 76/336 пр.52.00.000 (Калининградской БТФ)	128	2,3
Трал 77.5/350 пр.2 52 (ЦПКТБ «Севрыба»)	143	2,3
Трал 78.7/ 16 пр.2 92 (ЦПКТБ «Севрыба»)	96	2,1
Трал 78/320 пр.160.00.000 (НПО Промрыболовства)	62	2,0
Трал 78/ 20 пр.1 5.00.000 (НПО Промрыболовства)	111	2,2
Трал 82/38 пр.1 1.00.000 (НПО Промрыболовства)	130	2,7
Трал 90/560 пр.85.01.000 (Латрыбпром «Запрыба»)	233	2,8
Трал 98/6 0 пр.30 .233.2651.081 (ЦПКТБ «Азчеррыба»)	166	2,1
Трал 110/560 пр.30 .233.2651.0 0 (ЦПКТБ «Азчеррыба»)	237	2,8
Трал 110/560 пр.26.00.000 (Калининградской БТФ «Запрыба»)	271	3,1
Трал 110/600 пр.30 .233.2651.039 (ЦПКТБ «Азчеррыба»)	236	2,6
Трал 110/620 пр.001.5.000 (НПО Промрыболовства)	207	2,8
Трал 118/620 пр.009.02.010 (ОД БАМР «Дальрыба»)	246	2,6
Трал 123/6 0 пр.Н10-ИФТ-33.01.000 (ЦПКТБ «Азчеррыба»)	181	2,5
Трал 13 /576 пр.2602.02.000 (НПО Промрыболовства)	305	3,0
Трал 78/320 (Akvasersis)	154	2,3
Трал 82/38 (Akvasersis)	145	2,6
Трал 116/728 (Akvasersis)	223	2,8
Трал 106/8 0 (Akvasersis)	206	2,5
Трал 85/ 32 (Akvasersis)	145	2,5

разноглубинный траловый доска

Приведенные результаты расчетов позволили выделить три диапазона сопротивления канатно-сетной части:

- до 60 кН - минимальные значения сил сопротивления трала;

- от 60 кН до 150 кН - средние значения сил сопротивления трала;

- от 150 до 300 кН и более - максимальные значения сил сопротивлений трала.

В пятой главе приводится обоснование и описание алгоритмов расчета запасов статической устойчивости траловых досок, а также определяются зависимости запасов статической устойчивости от удлинения по трем углам - атаки, крена и дифферента. Определяются зависимости запасов статической устойчивости от удлинения.

В первом параграфе этой главы приводится обоснование алгоритмов расчета запаса статической устойчивости. Для анализа поведения траловой доски используются две системы координат: связанная с доской и скоростная (поточная).

В связанной системе координат положение траловой доски в водном пространстве полностью описывается тремя углами - атаки б, крена г и дифферента ц. Движение траловой доски можно разделить на две составляющие - прямолинейное поступательное движение точки крепления ваера к доске и вращательные (колебательные) движения доски относительно этой точки. С точки зрения анализа устойчивости траловой доски по углам атаки, крена и дифферента, наибольший интерес представляют колебательные движения доски относительно точки крепления ваера.

Если предположить, что при изучении угловых перемещений относительно

Имеем решение в виде периодических затухающих колебаний, что соответствует устойчивости решений (2). В противном случае решения уравнений возрастают по экспоненте. Очевидно, что падение значений Mz, Mx, My при прохождении балансировочных значений углов обеспечивает отрицательность производных (5) и соответственно устойчивость состояния равновесия. Но этого факта мало, чтобы сравнивать две траловые доски с разными характеристиками - «какая из двух более устойчива?» Чтобы решить эту проблему, введено понятие «запас статической устойчивости», который определяется численным значением производных (5) в районе значений балансировочных углов, вычисленных по углам с шагом один градус.

В параграфах 5.2, 5.4, 5.6 этой главы диссертации приведено описание алгоритмов расчета запаса статической устойчивости по углам атаки, крена и дифферента соответственно. В основу данных алгоритмов положена методика В.П. Карпенко. Определения значений балансировочных углов (2), а также метод численного определения значений производных (5) изложены в работах М.М. Розенштейна.

В параграфах 5.3, 5.5, 5.7 этой главы приведены примеры расчетов запаса статической устойчивости по углам атаки, крена и дифферента соответственно для прямоугольной цилиндрической траловой доски с тремя значениями удлинения (л = 0,75; л = 1,65; л = 5,00) при скорости траления 2,06 м/с и для трех значений силы Тмин=30900 Н, Тср=83000 Н, Тмакс=152500 Н. Значения гидродинамических коэффициентов Cx и Cy использовались для соответствующих удлинений по данным табл. 1, представленной выше. Напомним, что для л=5,00 в этих таблицах приведены данные не для траловых досок, а для прямоугольного крыла. Результаты расчетов представлены в табл. -6.

Из табл. -6 видно, что по углу атаки запас статической устойчивости с увеличением удлинения с 0,75 до 5,00 снижается на 52-54%, по углу крена - от 3 до 11%, по углу дифферента от 11 до 50%.

Таблица 4 - Значения запасов статической устойчивости по углу атаки



Таблица 5 - Значения запасов статической устойчивости по углу крена

Таблица 6 - Значения запасов статической устойчивости по углу дифферента

Из приведенных в табл. 4-6 данных следует, что при увеличении удлинения с 1,65 до 5,00 падение запаса статической устойчивости составляет по углу атаки 34-35%, по углу крена 1,7-3,6% и по углу дифферента от 3,5 до 32%.

В шестой главе в параграфе 6.1 приводится описание целей и задач экспериментальных исследований с моделями траловых досок в гидроканале МариНПО.

Экспериментальные исследования преследуют достижение трех основных целей.

Во-первых, необходимо получить значения гидродинамических коэффициентов для траловой доски удлинением 5,00, так как на сегодняшний день гидродинамических коэффициентов траловых досок такого удлинения нет.

Во-вторых, необходимо получить значения гидродинамических коэффициентов при различных углах дифферента, так как на сегодняшний день такие данные в открытой печати обнаружить не удалось.

В-третьих, необходимо убедиться в достаточной точности значений гидродинамических коэффициентов для прямоугольных цилиндрических траловых досок, представленных в работах В.П. Карпенко.

Для достижения поставленных целей решены следующие задачи:

а) Изготовлены модели траловых досок удлинением 0,75, 1,65, 5,00. Выбор таких значений удлинений траловых досок обосновывается необходимостью перекрыть максимально большой, практически возможный диапазон удлинений. Используя математическую интерполяцию, можно получить достаточную картину для качественной оценки влияний удлинения на запас статической устойчивости;

б) Обоснован скоростной режим испытаний. Он должен обеспечивать натурный характер обтекания водой траловой доски при испытании в гидроканале;

в) Экспериментальным путем определены гидродинамические характеристики моделей траловых досок в гидроканале ЗАО «МариНПО»;

г) На основе полученных экспериментальных данных определены силы и моменты для натурных траловых досок указанных удлинений.

В параграфе 6.2 описаны объекты экспериментальных исследований.

В качестве объектов экспериментальных исследований были рассмотрены натурные траловые доски, эскиз которых представлен на рис. 4, а их характеристики в табл. 7.

Таблица 7 - Исходные характеристики натурных досок

№ п/п	S (м2)	л	L (м)	H (м)	B	R
1	6	1,65	1,95	3,16	0,22	2,28
2	6	5,00	1,10	5,48	0,07	2,28
3	6	0,75	2,83	2,12	0,49	2,28

Здесь S - площадь траловой доски; л - удлинение траловой доски; L - хорда траловой доски; H - размах траловой доски; B - толщина траловой доски; R - радиус цилиндрической поверхности траловой доски.

В соответствии с размерами рабочего сечения гидролотка при изготовлении моделей траловых досок был использован масштаб 1:5.

В параграфе 6.3 проведено обоснование скоростного режима при проведении экспериментов на основе соответствия скорости потока и геометрических характеристик моделей траловых досок условиям попадания числа Рейнольдса для каждой модели в автомодельную область. Расчет чисел Рейнольдса показал, что скорость потока, равная 1 м/с, удовлетворяет как условию попадания в автомодельную область для каждой модели, так и техническим возможностям гидролотка.

В параграфе диссертации 6. приводится план проведения и основные результаты экспериментов.

В гидроканале МариНПО было проведено три серии испытаний моделей траловых досок.

В ходе испытаний определялись гидродинамические характеристики моделей траловых досок на семи углах крена: г = -15°, -10°, -5°, 0°, +5°, +10°, +15°; семи углах дифферента: ц = -15°, -10°, -5°, 0°, +5°, +10°, +15° и восьми углах атаки: б = 10°, 14°, 18°, 22°, 26°, 30°, 34°, 38°.

При проведении экспериментов измерялись: скорость потока - х м/с; угол атаки - б; Rx - сила лобового сопротивления; Ry, - распорная сила; Mz - суммарный продольный момент, действующий на траловую доску.

Результаты измерений сведены в шесть таблиц, приведенных в приложении 2 диссертационной работы.

В параграфе 6.5 для сравнения результатов испытаний моделей траловых досок с данными, которые имеются для натурных досок, а также для выполнения расчетов запаса статической устойчивости, кроме измеренных в испытаниях значений Rx, Ry и Mz, в процессе первичной обработки были получены значения Cx и Cy.

Таблицы со значениями Cx, Cy приведены в приложении 3 к диссертационной работе.

В этом же параграфе проведена оценка погрешностей определения гидродинамических коэффициентов по результатам испытаний. Анализ полученных данных показал, что относительная погрешность определения Cy лежит в пределах (~ 5) %, а для Cx - в пределах (5 ~ 10)%.

В параграфе 6.6 проведен анализ зависимостей значений гидродинамических коэффициентов, полученных по результатам модельных экспериментов, а также выполнено сравнение с данными из литературных источников в тех случаях, когда их удалось обнаружить. При выполнении сравнения, наиболее полные данные удалось найти в литературе для прямоугольных траловых досок цилиндрического профиля с удлинением 1,65 и 0,75. Натурные траловые доски с удлинением 5,00 отсутствуют, поэтому для сравнения использовались значения гидродинамических коэффициентов для прямоугольных крыльев соответствующего удлинения. Сравнительный анализ зависимостей гидродинамических коэффициентов от угла атаки представлен на рис. 5-7.

В табл. 8, 9 представлены зависимости значений гидродинамических коэффициентов по углу крена и углу дифферента.

На рис. 5 и 6 отмечается хорошее качественное совпадение полученных зависимостей (относительная ошибка 10%). Следует отметить, что относительные отклонения сравниваемых значений достигают больших значений 20-30%, особенно в районе малых (<15О) и больших (> 30О) углов атаки. В районе рабочего угла атаки относительное отклонение экспериментальных значений от данных, приведенных в работах В.П. Карпенко, находится в пределах от 0,5 до 10%. Данные отклонения можно объяснить наличием расхождения в значениях ряда геометрических характеристик сравниваемых траловых досок и конструктивными особенностями каждой модели трала.

Сравнение на рис. 7 значений, полученных экспериментальным путем гидродинамических коэффициентов для прямоугольной цилиндрической траловой доски с удлинением л=5,00, с данными для прямоугольного крыла, показывают, что отклонение гидродинамических коэффициентов в диапазоне углов атаки до 22О находится в пределах 15-20%. Из табл. 8 и 9 видно, что значения коэффициента силы лобового сопротивления Cx, так же как и значения коэффициента распорной силы Cy практически не изменяются при увеличении углов крена и дифферента с 0 до 15О. Отношение значений Cy к Cx в первом столбце табл. 8 и 9 (нулевые значения углов крена и дифферента), определяющие качество траловой доски, с увеличением удлинения с 0,75 до 5,00 возрастает на %, а при увеличении удлинения с 1,65 до 5,00 рост качества составит около 20%, что подтверждает возможность повышения гидродинамического качества прямо-угольных цилиндрических траловых досок за счет увеличения удлинения доски.

Таблица 8 - Значения Cx, Cy от угла крена по результатам эксперимента

г, град	0	5	10	15
л=0,75	Cx	0,55	0,59	0,57	0,58
	Cy	1,39	1,43	1,34	1,36
л=1,65	Cx	0,39	0,32	0,31	0,31
	Cy	1,41	1,46	1,35	1,32
л=5,00	Cx	0,25	0,25	0,21	0,29
	Cy	1,13	1,05	1,11	1,18

Таблица 9 - Значения Cx, Cy от угла дифферента по результатам эксперимента

ц, град	0	5	10	15
л=0,75	Cx	0,55	0,54	0,54	0,56
	Cy	1,39	1,35	1,34	1,41
л=1,65	Cx	0,39	0,38	0,35	0,31
	Cy	1,41	1,38	1,33	1,37
л=5,00	Cx	0,25	0,25	0,27	0,31
	Cy	1,13	1,12	1,20	1,26

Последнее обстоятельство позволяет предложить в качестве практической рекомендации - для улучшения эксплуатационных характеристик разноглубинных траловых систем - увеличивать удлинение прямоугольных цилиндрических траловых досок до 5,00 при эксплуатации их с тралами, имеющими среднее и максимальное значение сопротивления канатно-сетной части (60-300 кН).

Седьмая глава посвящена анализу результатов расчета запаса статической устойчивости траловых досок на основе экспериментальных значений гидродинамических коэффициентов Cx и Cy, а также исследованию влияния гидродинамических коэффициентов на расчетные значения запаса статической устойчивости.

В параграфах 7.1-7.3 представлены результаты расчетов запаса статической устойчивости с использованием экспериментальных значений гидродинамических коэффициентов по углам атаки, крена и дифферента соответственно. Ниже, на рис. 8-10, приведены полученные зависимости.

Из данных, представленных на рис. 8-10, видно, что падение запаса статической устойчивости по углу атаки при увеличении удлинения траловой доски от 0,75 до 5,00 составляет 53-54%, по углу крена от 13 до 16%, по углу дифферента от 18 до 50%.

При увеличении удлинения с 1,65 до 5,00 падение запаса статической устойчивости составляет по углу атаки 35-36%, по углу крена 3,8-5,3% и по углу дифферента от ,1 до 33%. Рисунки хорошо показывают, что наибольшее влияние на запас статической устойчивости при увеличении удлинения траловой доски оказывают углы атаки и дифферента.

Если учесть тот факт, что прямоугольные цилиндрические траловые доски с удлинением 1,65 хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, то можно предложить в качестве критических (минимально-допустимых) запасов статической устойчивости использовать значения запаса статической устойчивости по углам атаки, крена и дифферента, рассчитанные для минимального усилия в лапках. На рис. 8-10 это: 1130 Н м/град - по углу атаки; 300 Н м/град - по углу крена; 130 Н м/град - по углу дифферента.

устойчивости, вычисленные с использованием значений гидродина- мических коэффициентов, взятых из литературы, от запасов статической

устойчивости, вычисленных с использованием экспериментальных гидродинамических коэффициентов.

В параграфе 7. для оценки влияния значений гидродинамических коэффициентов на запасы статической устойчивости сравниваются результаты расчетов запасов статической устойчивости для траловых досок с использованием гидродинамических коэффициентов Cx и Cy, взятых из литературы и из эксперимента.

Результаты сравнения запасов статической устойчивости по углу атаки, крена и дифферента приведены ниже, в табл. 10-12 соответственно.

Сравнительный анализ расчетов запасов статической устойчивости отчетливо показал, что влияние гидродинамических коэффициентов Cx и Cy на расчетное значение запаса статической устойчивости невелико.

Таблица 10 - Сравнение запасов статической устойчивости (угол атаки)



Таблица 11 - Сравнение запасов статической устойчивости (угол крена)

Таблица 12 - Сравнение запасов статической устойчивости (угол дифферента)

В большинстве случаев относительная ошибка не превышает 1-2% и лишь при минимальном усилии в лапках и л= 0,75 достигает 7,67% для запаса статической устойчивости по углу крена и 6,04% по углу дифферента.

ВЫВОДЫ

В представленной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа конструкций современных распорных устройств, используемых для оснастки разноглубинных тралов, установлено, что они имеют прямоугольную форму в плане и цилиндрический профиль. Конструктивные отличия распорных досок второстепенны и заключаются в изломе (или его отсутствии) бокового профиля, в форме торцевых поверхностей, наличии или отсутствии предкрылков. То есть прямоугольная траловая доска с цилиндрическим профилем является основой почти всех современных конструкций, что предопределило ее выбор как объекта выполненных исследований.

2. На основе анализа существующих экспериментальных данных о значениях гидродинамических коэффициентов прямоугольных цилиндрических досок и крыльев получены их аппроксимирующие зависимости от удлинения, представленные в табл. 2. Ошибка аппроксимации не превышает 10%. Значение гидродинамического коэффициента Cx прямоугольных крыльев и прямоугольных цилиндрических траловых досок падает с увеличением удлинения с 1 до 5 на 35% для крыльев и на 28% для досок. Значения гидродинамического коэффициента Cу для крыльев растет с увеличением удлинения в диапазоне от 1 до 5 на 28%, а для траловых досок этот коэффициент практически не изменяется. Значение качества К при изменении удлинения от 1 до 5 возрастает для крыла на 53% , а для доски - на 21%.

3. Путем аналитических расчетов получены данные о силах сопротивления канатно-сетной части разноглубинных тралов. Данные расчетов (табл. 3) позволили установить, что по величине силы сопротивления тралы можно разделить на три группы: малые (сопротивление 60кН и менее), средние (сопротивление 150 кН и менее), большие (сопротивление 300кН и менее).

Расчетным путем, с использованием значений гидродинамических коэффициентов, взятых из литературных источников, получены зависимости запасов статической устойчивости прямоугольных цилиндрических досок по углам атаки, крена и дифферента от их удлинения. Установлено, что по углу атаки запас статической устойчивости с увеличением удлинения с 0,75 до 5,00 снижается на 52- 54%, по углу крена - от 3 до 11%, по углу дифферента - от 11 до 50%. При увеличении удлинения с 1,65 до 5,00 падение запаса статической устойчивости составляет по углу атаки 3 -35%, по углу крена - 1,7-3,6% и по углу дифферента - от 3,5 до 32%.

5. Получены экспериментальные данные, позволяющие провести проверку значений гидродинамических коэффициентов для прямоугольных цилиндрических траловых досок при удлинениях 0,75 и 1,65. Проведено сравнение полученных экспериментальных значений гидродинамических коэффициентов для прямоугольных траловых досок удлинением 0,75 и 1,65 с данными, представленными в литературе. При хорошем качественном совпадении полученных зависимостей (относительная ошибка 10%) следует отметить, что относительные отклонения сравниваемых значений достигают больших значений 20-30%, особенно в районе малых (<15О) и больших (> 30О) углов атаки. В районе рабочего угла атаки относительное отклонение экспериментальных значений от данных, приведенных в работах В.П. Карпенко, находится в пределах от 0,5 до 10%. Данные отклонения можно объяснить наличием расхождения в значениях ряда геометрических характеристик сравниваемых траловых досок и конструктивными особенностями каждой модели трала.

6. Получены экспериментальным путем значения гидродинамических коэффициентов для прямоугольной цилиндрической траловой доски с удлинением л=5,00 в широком диапазоне углов атаки, крена и дифферента. Сравнение полученных значений с данными для прямоугольного крыла показывает, что отклонение гидродинамических коэффициентов в диапазоне углов атаки до 22О находится в пределах 15-20%.

7. Получены значения гидродинамических коэффициентов для прямоугольных цилиндрических траловых досок удлинением л=0,75; л=1,65 для различных углов дифферента (табл. 9).

8. Подтверждена целесообразность и возможность повышения гидродина- мического качества прямоугольных цилиндрических траловых досок и их аналогов без увеличения их площади и принципиальных изменений конструкции. С увеличением удлинения с 0,75 до 5,00 качество траловой доски возрастает на %, а при увеличении с 1,65 до 5,00 рост качества составит около 20%.

9. Определены зависимости запасов статической устойчивости по углам атаки, крена и дифферента от удлинения прямоугольной цилиндрической траловой доски в диапазоне удлинений от 0,75 до 5,00 с использованием в расчетах значений гидродинамических коэффициентов, полученных по результатам экспериментов. Падение запаса статической устойчивости по углу атаки при увеличении удлинения траловой доски от 0,75 до 5,00 составляет 53-54%, по углу крена от 13 до 16%, по углу дифферента от 18 до 50%. При увеличении удлинения с 1,65 до 5,00 падение запаса статической устойчивости составляет по углу атаки 35-36%, по углу крена 3,8- 5,3% и по углу дифферента от ,1 до 33%. Приведенные выше данные показывают, что наибольшее влияние на запас статической устойчивости при увеличении удлинения траловой доски оказывают углы атаки и дифферента.

10. Произведена оценка влияния на величину запаса статической устойчивости гидродинамических коэффициентов Cx и Cy путем сравнения результатов расчета запаса статической устойчивости на основе значений Cx и Cy, взятых из литературы и полученных экспериментальным путем. Наиболее существенное влияние Cx и Cy оказывают на запас статической устойчивости по углу крена (7,67%) и по углу дифферента (6,04%) при минимальном усилии в лапках и удлинении 0,75. В остальных случаях влияние Cx и Cy не превышает погрешность вычислений.

11. На основе полученных результатов предлагается в качестве критического (минимально-допустимого) запаса статической устойчивости использовать минимальные значения запаса статической устойчивости по углам атаки, крена и дифферента, рассчитанные для прямоугольной цилиндрической траловой доски, хорошо зарекомендованной в практической эксплуатации, с удлинением 1,65 (1131 Н м/град - по углу атаки, 297 Н м/град - по углу крена, 127 Н м/град - по углу дифферента).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК [1, 2] , И ДРУГИХ РАБОТАХ

1. Зеленин Ф.Л. Экспериментальное определение зависимости гидродина- мических коэффициентов траловых досок от их удлинения / Ф.Л. Зеленин // Рыбное хозяйство. - 2008. - № 6. - С. 100-101.

2. Зеленин Ф.Л. Зависимость запаса статической устойчивости траловых досок от их удлинения / Ф.Л. Зеленин, М.М. Розенштейн // Рыбпром.- 2010.- № 4. - С. 93-94.

Другие издания:

3. Зеленин Ф.Л. Исследование зависимости запаса статической устойчивости разноглубинных траловых досок от их удлинения / Ф.Л. Зеленин, А.В. Жарков // Студенческая научная конференция: сборник материалов. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2006. - С. 19-20.

4. Розенштейн М.М. Исследование зависимости запаса статической устойчивости разноглубинных траловых досок от их удлинения / М.М. Розенштейн, Ф.Л. Зеленин, А.В. Жарков // Инновации в науке и образовании - 2006: IV Международная научная конференция. Ч. 1: материалы. - Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2006. - С. 198-220.

5. Зеленин Ф.Л. Экспериментальное определение зависимости гидродинами- ческих коэффициентов траловых досок от их удлинения / Ф.Л. Зеленин // Известия КГТУ. - № 15. - Калининград, 2009. - С. 55-59.

Размещено на Allbest.ru

...