CC BY
67
УДК 338.32.053.4; 639.6
Е.Г. Лаврушина1
Оценка долговечности ресурсов гидробиотехнических сооружений марикультуры
Результаты исследования использованы при моделировании показателей надежности и долговечности несущих конструкций сооружений марикультуры.
В современных экономических и геополитических условиях одной из стратегических целей России является развитие рыбного хозяйства в Российской Федерации и достижение устойчивого функционирования рыбохозяйственного комплекса на основе сохранения, воспроизводства и рационального использования водных биологических ресурсов, развития аква- и марикультуры, обеспечивающего удовлетворение внутреннего спроса на рыбную продукцию, продовольственную независимость страны, социальноэкономическое развитие регионов, экономика которых зависит от прибрежного рыбного промысла. При этом должны быть созданы условия для повышения эффективности экспорта рыбной продукции и ее конкурентоспособности и оптимизации структуры управления рыбохозяйственным комплексом.
Достижение этой цели требует формирования комплексного подхода к государственному управлению развитием рыбного хозяйства в Российской Федерации, создания эффективной системы управления и предусматривает решение различных задач, и в частности задач, связанных с разработкой комплексных мер по развитию аква- и мари-культуры.2
При анализе существующего положения дел по разведению марикультуры, наряду с многочисленными проблемами, мешающими ее становлению и развитию в нашей стране, и конкретно в Дальневосточном бассейне, отмечается слабо разработанная система оценки экономической и технологической эффективности предлагаемых способов и технологий, методов ведения марикультуры, отсутствие целевого финансирования научных разработок в данной области.3
Оценка долговечности сооружений и элементов конструкций представляет практический интерес для любого хозяйствующего субъекта, так как напрямую связана со сроками их эксплуатации, полной или частичной заменой, возможностью оптимального режима эксплуатации.
Будущий успех культивирования морских организмов тесно связан с построением основ проектирования прочных, устойчивых и достаточно долговечных сооружений ма-рикультуры.
В процессе эксплуатации морских плантаций ее гибкие элементы - канаты испытывают воздействие силовых нагрузок, морской воды и светопогоды. Совместное влияние перечисленных факторов приводит к снижению прочности канатов во времени.
Проблема оценки прочности и долговечности является одной из основных проблем развития технологий конструирования и эксплуатации сооружений марикультуры.
Настоящая работа посвящена решению проблемы долговечности несущих конструкций сооружений марикультуры.
Для проверки достоверности предлагаемой методики прогнозирования ресурса основных элементов гидробиотехнических сооружений использовались данные натурных
1 Лаврушина Елена Г еннадьевна, старший преподаватель кафедры информатики, инженерной и компьютерной графики ВГУЭС.
Специальность 05.13.01 -системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям) Е-таИ: 1_e_g@maU.ru
2 «Концепция развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 года». Одобрена распоряжением Правительства Российской Федерации от 02.09.03 г. № 1265-р. (СЗ Российской Федерации 2003 № 36, ст. 3557).
3 По результатам информационного анализа материалов сайтов www.fishnews.ru, www.fishnet.ru
испытаний образцов канатов, проработавших на производственных плантациях1, а также результаты наблюдений за изменением механических свойств лент и канатов в натурных условиях, которые проводились в климатических условиях Приморского края в течение 15 лет2.
Рассматривая вариант описания накопления усталостных повреждений с позиций термодинамики необратимых процессов3, энергетическое уравнение повреждений можно представить в виде4
т- +£ (х>-г>>■ т
а р к-1
где I(Ы) — поврежденность 0 £ I £ 1;
*Р -
у — истинныи предел прочности материала на разрыв;
^тах — максимальное напряжение за период цикла при данном коэффициенте гк
асимметрии цикла к ;
N
— число циклов;
Хк =7ТГ (Ыг+1 - Пг ) = ^Г ка 2с2 2с2
г \
\а* У
(ыт+1 - ыт)
; (2)
Ф(Хк> ^ = 0) = аЫс(аг / <т*)й'
к ' г' ^ г' * ' — функциональный параметр. (3)
^ С
При проведении исследований в данном случае величина 2 назначалась из расчета
с2 = 0,8* * й й б
2 г , где г — условный предел усталости материала на заданной базе испы-
N *I ** Ср
тания ; — текущее напряжение; * — нормированное напряжение; —
. *=** к,а,Ь,с,^,ш,а,В
нормированный параметр при * ; — постоянные, кото-
и
рые определяются по кривым усталости и энергетическому параметру для различных уровней напряжения.
На основании зависимостей (2) и (3) энергетическое уравнение повреждений принимает вид:
- а Г а ^
Щг)- + а^с ’
а р
При расчете модели было выявлено, что наибольшее отклонение от единицы наблюдается в зоне малых долговечностей (N = 2000 циклов) при высоких уровнях напря-
(4)
Р
1 Лаврушина Е.Г. О кинетике развития усталостных повреждений.// Проблемы естествознания и производства. Выпуск 119. Серия 5. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1997. - с. 85-87.
2 Стоценко А.А. Гидробиотехнические сооружения. - Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1984. - 136 с.
3 Лаврушин Г.А., Лаврушина Е.Г. Закономерности накопления повреждений в твердых телах при циклическом нагружении.// Вестник ДВО РАН №6. - Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 2005. - с. 41-45.
4 Лаврушина Е.Г. Энергетический критерий длительной прочности.// Проблемы рынка товаров народного потребления. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 2. - Владивосток: Дальневосточный коммерческий институт, 1996. - с. 120-123.
жений и зоне предела усталости при малых уровнях напряжений, что связано с некоторым разбросом механических свойств материала.
На основании экспериментальных исследований предлагается вариант термофлук-туационной кинетической теории прочности твердых тел1:
Т = ехр{[и -Н*тах +А + В*а 1п + а1п )}
(5)
т
где * — долговечность, с; Ы
— плотность внутренней энергии;
7 а А)
А
— постоянные материалы;
— максимальное напряжение за период цикла;
— величина поврежденности;
*
а — амплитудное напряжение;
(*а ) — функция влияния уровня амплитудного напряжения на скорость развития повреждений;
0 — период цикла нагружения.
Определение срока службы гибких элементов сооружений аквакультуры из капроновых канатов с позиции термодинамики необратимых процессов рассмотрим на примере представленного на рисунке1 П-образного элемента, широко используемого в настоящее время на производственных плантациях по выращиванию ламинарии Японской в двухгодичном цикле.
Для определения нагрузки, действующей на хребтину, необходимо знать величину усилия нити, которая зависит от веса водорослей для любого заданного месяца и вычисляется по формуле:
^ = т°оа,
о й а
где ^ — проекция урожайности вырастного элемента, кг; 1 — отношение массы организмов для рассматриваемого отрезка времени t к проектной урожайности;
т
тах,° =0,42 Н/кг - удельно-весовое сопротивление водорослей при скорости и =0,64 м/с на глубине 5 метров.
Здесь принимается условие, что изменение биомассы за месяц составляет 40 г или около 5% от товарной массы (700 “ 900 г за один цикл, который длится 20 “ 22 месяца).
(6)
1 Лаврушин Г.А., Лаврушина Е.Г. Закономерности накопления повреждений в твердых телах при циклическом нагружении.// Вестник ДВО РАН №6. - Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 2005. - с. 41-45.
Из условия получения 35 кг морской капусты с одного вырастного элемента (повод-ца) и принятом расстоянии между поводцами 0,5 м полная нагрузка на несущий трос длиной 50 м составляет 18,7 кН.
При расчете полной нагрузки учитывалось влияние динамического действия волнения моря. Натяжение несущего троса (хребтины) по данным работы1 составило 7,9 кН.
При оценке ресурса несущего троса использовались зависимости2 (4) и (5) с учетом влияния эксплуатационных факторов3 на снижение прочности канатов4
На основе расчетных и экспериментальных данных выявлено, что наибольшее влияние на снижение ресурса канатов (^ = 20...22 мм) оказывает влияние волнения моря с к =
высотой волны
=1,5 “2 м.
Для эквивалентного уровня напряжения *=150 МПа ресурс каната менялся от 10 до 12 лет, когда высота волны меняется в пределах 0,5 “ 1,25 м.
В случае, когда высота волны меняется от 1м до 2м и более, необходимо использовать зависимость (4), которая позволяет суммировать уровни поврежденности в канате для каждого состояния моря.
Граничные условия поврежденности каната от уровня напряжения и длительности циклического нагружения несущего троса, зависящего от повторяемости волны высотой
к = 1,5 “ 2 м за восьмилетний период наблюдения приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость поврежденности каната от уровня напряжения и длительности циклического нагружения сооружения с учетом влияния волн
С0
При расчете поврежденности каната по зависимости (4) величина 2 назначалась из Со
расчета
"2
0,6* * й й б
г , где г — условный предел усталости материала на заданной базе
испытания. В данном случае эта величина принималась равной 90 МПа, что лучше отражает механическое состояние материала в морской среде.
С учетом возрастающего интереса к развитию марикультуры в мире, необходимо выработать более полную систему оценки надежности и долговечности ресурсов гидро-
1 Стоценко А.А. Гидробиотехнические сооружения. - Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1984. - 136 с.
2 Лаврушина Е.Г. О кинетике развития усталостных повреждений.// Проблемы естествознания и производства. Выпуск 119. Серия 5. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1997. - с. 85-87.
3 Лаврушина Е.Г. Кинетика развития усталостных повреждений полимерных нитей при циклическом нагружении.// Наука и образование - 2005: материалы Международной научнотехнической конференциив 7 ч. Часть VII. - Мурманск: МГТУ, 2005. - с.102-106.
4 Лаврушин Г.А., Лаврушина Е.Г. Закономерности накопления повреждений в твердых телах при циклическом нагружении.// Вестник ДВО РАН №6. - Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 2005. - с. 41-45.
биотехнических сооружений и орудий рыболовства на основе термодинамического подхода, что позволит оптимизировать затраты на их проектирование, содержание и эксплуатацию, и тем самым позволит увеличить конкурентоспособность российских предприятий занимающихся разведением марикультуры и прибрежным рыболовством.
