CC BY
12
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 № 1 (6)
05.00.00 Технические науки
УДК 62-93
Н.Н. Бурлакова, Д.Б. Бурлаков, Ю.В. Еремин
Бурлакова Наталья Николаевна - старший преподаватель кафедры морских технологий и энергетики ДВГТУ. E-mail: mtemte@yandex.ru
Бурлаков Дмитрий Борисович - главный конструктор ОАО «ПАСИФИКО-МАРИН». E-mail: burlakov@nm.ru
Еремин Юрий Викторович - главный инженер ОАО «Геоток». E-mail: yvere-min@mail.ru
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАЛУБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
Дан краткий анализ средств производства в промышленном рыболовстве. Рассмотрены методы проектирования рыбопромыслового палубного оборудования. Изучена существующая математическая модель для рыбопромыслового оборудования, выявлены ее слабые места и недостатки. На основании ее изучения и анализа развития вычислительных мощностей компьютеров предлагается новая математическая модель рыбопромыслового оборудования, построенная на предельно простом элементарном объекте. Установлено, что новая модель в состоянии заменить существующую и расширить возможности применения математических моделей при проектировании оборудования и тренировках экипажей судов.
Ключевые слова: сетное полотно, виртуальный объект, ячея.
Natalya N. Burlakova, Dmitry B. Burlakov, Yry V. Yeremin DESIGN DECK EQUIPMENT OF FISHING VESSELS USING THE VIRTUAL SIMULATION
The short analysis of means of production in industrial fishery is given. Methods of designing of the fishery deck equipment are considered.
The existing mathematical model for the fishery equipment is studied, its weak places and lacks are revealed. On the basis its studying and the analysis of development of computing capacities of computers, the new mathematical model of the fishery equipment constructed on extremely simple elementary object is offered. It is established that the new model in a condition to replace existing and to expand possibilities of application of mathematical models at designing of the equipment and trainings of ship crews.
Keywords: net webbing, virtual object, mesh.
Введение
Средствами производства в промышленном рыболовстве являются промысловые суда, промысловые машины и механизмы, орудия лова, и если для первых двух составляющих отработаны современные методы проектирования, эксплуатации и ремонта, то для орудий лова научно-инженерный подход гораздо менее разработан [2]. Это связано с тенденциями исторического развития, ведь известные орудия лова сформировались в результате отбора всего лучшего, созданного рыбаками разных стран, в течение длительного периода становления человеческой цивилизации.
Уровень сложности рыболовства за всю его историю только возрастал, это связано как с исчерпанием локальных рыбных ресурсов, так и с эволюционными свойствами рыбы, что заставляло постоянно совершенствовать средства производства в целом, а в частности - орудия лова и методы их применения [3].
В настоящее время ужесточились требования к орудиям лова, этого требует возросшая сложность в эксплуатации и настройке орудий лова, с одной стороны, и жесткий режим их работы, с другой стороны, а также усложнившиеся экономические обстоятельства. Кроме прочего, очень большое значение в последнее время приобретает и процесс обучения экипажа работе с орудием лова.
Исторически сложилось, что основным методом проектирования орудий лова является эмпирический метод, что подразумевает изготовление многочисленных моделей и последующие их испытания. Зачастую на завершающих этапах проектирования модели приходится изготавливать в натуральную величину, что само по себе связано с большими финансовыми и временными расходами, а для их испытаний необходимо привлекать промысловые суда, что связано с потерей промыслового времени.
Переход от эмпирического метода проектирования к расчетному, с помощью компьютерного моделирования, способствует снижению расходов и ускорению процесса проектирования. Очевидно, что полностью исключить эксперименты и испытания из процесса проектирования невозможно, но уменьше-
ние их количества и продолжительности позволяет экономить топливо, время, ресурс эксплуатации судов и улучшить качество орудий лова.
Моделирование влияний внешних и внутренних факторов на свойства орудий лова необходимо не только при проектировании, но и в дальнейшем -для обучения как курсантов учебных заведений, так и экипажей судов. Особенно важно в этом случае то, что компьютерное моделирование позволяет значительно уменьшить повреждения орудий лова и простои судна. Кроме этого, только компьютерное моделирование позволяет увидеть работу орудия лова полностью, т.к. в подавляющем большинстве случаев вода серьезно ограничивает и искажает видимость вследствие ее недостаточной прозрачности и эффектов преломления.
Таким образом, для обеспечения прогресса в области проектирования орудий лова необходимо создание высококачественной математической модели орудия лова. Наличие адекватной реальности компьютерной модели позволит проводить ничем не ограниченные эксперименты с орудием лова, заранее отработать приемы работы с новым орудием лова, найти новые приемы работы с существующим орудием лова, расширить область применения данного орудия лова, найти новые направления развития орудий лова, в том числе и при форс-мажоре, т.е. даст возможность поднять на новый уровень процессы проектирования и эксплуатации орудий лова.
1. Объекты моделирования
В целом орудия лова можно разделить на сетные и крючковые, большая часть орудий лова представляет собой сетные конструкции, использование которых обеспечивает значительную часть мирового вылова рыбы. В данной статье понятие «орудие лова» относится именно к сетным орудиям лова.
Несколько упрощая, можно сказать, что орудие лова состоит из тросов каркаса и сетных пластин. Сетные пластины пропускают через себя воду и задерживают рыбу, при этом они подвергаются действию сил тяжести, гидродинамических сил и т.п., что приводит к их деформации. Тросы каркаса воспри-
нимают действие этих сил от сетных пластин, перераспределяют их и окончательно передают на судно или места крепления орудия лова [3].
Как известно, основные материалы, применяемые для изготовления орудий лова, сети (дели) и канаты - это гибкие элементы, поэтому и орудия лова являются гибкими конструкциями, форма которых определяется «раскроем» сетного полотна, коэффициентом его посадки на каркас и действующими на них внешними и внутренними силами. Так, например, при отсутствии внешних нагрузок и должного закрепления сетное орудие лова формой вообще не обладает.
2. Выбор методов расчета
Расчет систем, меняющих форму под воздействием различных сил, гораздо более сложен, чем расчет обычных жестких объектов, ведь форма орудия лова зависит от внешних факторов, например, свойств потока воды, но, с другой стороны, и сама форма орудия лова влияет на свойства потока.
В общем случае форма орудий лова описывается сложными нелинейными системами уравнений [1], которые не могут быть сведены к линейным. Таким образом, обычный аналитический метод решения не подходит ввиду своей сложности и малой гибкости, поэтому от его применения следует отказаться, а вместо него необходимо использовать методику приближенных численных вычислений, для чего потребуется компьютер с достаточной вычислительной мощностью, которая в современных персональных компьютерах достигла мощности супер-ЭВМ 15-20-летней давности и продолжает расти, в ходу уже многопроцессорные архитектуры персональных компьютеров.
Таким образом, для реализации расчетного метода проектирования орудий лова следует выбрать наиболее гибкую математическую модель орудия лова, которая позволит описать все многообразие сетных орудий лова и режимов их эксплуатации.
3. Существующая математическая модель
для рыбопромыслового оборудования
Основным современным методом изучения поведения орудий лова принято считать изучение поведения сетных пластин с заданной ячеей и посадкой
дели. Причем основным элементом, обеспечивающим форму орудия лова, принимают дель, а различные тросы служат лишь для распределения и перераспределения внешних и внутренних усилий. Форма дели зависит от силового воздействия на деформирующуюся ячею, в свою очередь, ячея представляет собой четыре отрезка нитей, соединенных по концам узлами. Другие формы ячеи для упрощения пока рассматриваться не будут. Форма такой ячеи ромбическая и может изменяться в очень широких пределах за счет геометрической деформации (рис. 1) [4].
Рис. 1. Геометрическая деформация ячеи
В центральной части рис. 1 изображена ячея, нагруженная приблизительно равными горизонтальными и вертикальными силами, имеющая размер стороны «а» и углы между нитями ~ 90 левее нее все более и более преобладают горизонтально направленные силы, а правее - вертикально направленные, что определяет направление и размер деформации (растяжение нитей дели здесь не учитывалось). Ячея как элементарная часть сетного полотна позволяет лишь качественно оценить его форму. Например, зная соотношение вертикальной и горизонтальной составляющих сил, можно определить деформацию одной ячеи и, распространив ее форму на все сетное полотно, определить изменение его размеров [1]. Однако сетное полотно чаще всего не находится в одной плоскости, при этом соотношения сил в разных его частях различны. Если же в расчете орудия лова пытаться применить ячею для расчета поведения сетного полотна, оказывается, что описание работы ячеи в составе сетного полотна неоправданно сложно, т.к. каждый отрезок принадлежит одновременно двум смежным ячеям, узлы ячеи обычно не находятся в одной плоскости, также сложно описание взаимодействия (взаимовоздействия) ячей.
4. Новая математическая модель рыбопромыслового оборудования
В связи с вышесказанным предлагается для создания математической модели сетного полотна применять «более» элементарный объект - нить, или отрезок сети, далее по тексту - отрезок [5] (отрезок и силы, действующие на него, приведены на рис. 4). Отрезки могут соединяться между собой в крайних точках. Так, «элементарная» ромбическая ячея создается из четырех отрезков, соединенных по концам (рис. 2, слева), трос - из последовательно соединенных отрезков (рис. 2, справа), сетное полотно - из некоторого числа отрезков с необходимыми характеристиками (рис. 3). Добавим, что количество соединяемых отрезков произвольно.
Преимуществом математической модели, построенной на основе использования элементарного объекта (отрезка), является, во-первых, простота самого объекта, во-вторых, то, что на основе отрезка можно описать все элементы орудия лова, несущие силовую нагрузку, а именно дель, тросы, ваера и т.д., и, дополнительно задавая соответствующие характеристики отрезка, на его же основе можно моделировать значения плавучести и свойства грузов. И наконец, в отличие от старой модели, базирующейся на ромбической ячее, новая математическая модель позволяет работать с произвольной формой ячеи, хоть пента-гональной!
Рис. 2. Варианты соединения отрезков
Рис. 3. Сетное полотно из отрезков
Перечислим свойства отрезка:
- его положение в пространстве описывается положением двух его крайних точек;
- изгиб отрезка не учитывается, он считается прямым цилиндром большого удлинения (рис. 4);
- толщина одинакова вдоль всей длины отрезка;
- величина силы, с которой он воздействует на свое окружение, зависит от величины его растяжения и направлена вдоль оси (сила Т на рис. 4);
- гидромеханические силы, действующие на отрезок, зависят от его длины, толщины и от скорости его движения в потоке и направлены в сторону, противоположную вектору скорости отрезка (моделируется только сопротивление движению) (сила Я на рис. 4);
- сила тяжести, действующая на отрезок, определяется его массой и плавучестью и направлена вертикально вниз (сила М на рис. 4);
- при попытке сжатия объекта никаких сил противодействия с его стороны не возникает (нить работает только на растяжение).
Рис. 4. Отрезок и силы, действующие на него
Для упрощения описания данной математической модели применяются некоторые допущения, которые необходимо перечислить:
- длина отрезка всегда равна расстоянию между двумя его крайними точками, т.е. изгиб при расстоянии между крайними точками меньше длины отрезка не учитывается;
- сопротивление при нахождении отрезка в потоке жидкости не зависит от ориентации отрезка относительно потока.
Выводы
С помощью объекта «отрезок» возможно описание подавляющего большинства элементов сетных орудий лова. Математическая модель сетного орудия лова, построенная на основе объекта «отрезок», на современном этапе позволяет моделировать поведение сетных орудий лова, работающих на относительно небольших скоростях. В дальнейшем, модернизируя единственный объект, а именно отрезок, мы можем в необходимой мере корректировать адекватность математической модели. В перспективе подразумевается усложнение некоторых свойств модели при наличии необходимого ресурса ЭВМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Габрюк В.И. Механика орудий рыболовства и АРМ промысловика. М. : Колос, 2000. 416 с.
2. Зайчик К.С. Промысловые устройства морских рыболовных судов. Л. : Судостроение, 1992. 231 с.
3. Мельников В.Н. Техника промышленного рыболовства. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1998. 311 с.
4. Фридман А.Л. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства. М. : Легкая и пищевая промышленность, 2001. 328 с.
5. Burlakova N.N., Burlakov D.B., Yeremin Y.V. Application of the fishing net virtual model for the fishing gears design // TEAM 2010. The 24th Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures. Владивосток : Изд-во МГУ им. адмирала Г.И. Невельского, 2010. С. 244-246.
