CC BY
59
УДК 627.821
Попцов Андрей Николаевич
ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Лысьвенский филиал Россия, Лысьва
Доцент кафедры естественнонаучных дисциплин
E-Mail: khamat_e@mail.ru
Технология подъема длинномерных предметов большого водоизмещения со дна водоема с использованием тканевых цилиндрических воздухонаполняемых оболочек
Аннотация: В работе проведен краткий анализ возможных вариантов решения задачи подъема длинномерных предметов со дна водоема, предложено решение подобной задачи посредством гидротехнических конструкций из тканевых материалов. Эскизно разработаны конструктивные элементы оснастки и оборудования для подъема длинномерных предметов на поверхность водоема, а также для протягивания тросов под ними, кратко описана технология производства работ. Показаны пути решения проблем, связанных с изменением плавучести эластичных поплавков, в зависимости от глубины их погружения. В конце работы приведена методика численного расчета методом конечных элементов мягкой воздухонаполняемой цилиндрической оболочки подъемного поплавка, и приведен пример ее расчета. Интерес представляет предложенная оригинальная область применения тканевых цилиндрических оболочек для подъема длинных предметов большого водоизмещения, а также в качестве манипулятора для выполнения каналов в грунте под ними. Важным является также и то, что разработана методика расчета подобных конструкций, которая может быть использована в случае реализации предложенного проекта.
Ключевые слова: Тканевые ГТС; мягкие ГТС; облегченные ГТС; подъем
длинномерных предметов; тканевая оболочка; воздухонаполненная оболочка; тканевый поплавок; расчет оболочки методом конечных элементов; профиль оболочки; манипулятор из эластичных рукавов; подъемная сила поплавка; элементы мягких оболочек; катенарный пояс; секции поплавков; секции воздухонаполняемых оболочек.
Зинов Игорь Анатольевич
Башкирский государственный университет
Бирский филиал Россия, Бирск
Доцент кафедры технологического образования Кандидат технических наук E-Mail: aspirant_i@rambler.ru
Идентификационный номер статьи в журнале 46TVN613
Andrej Popcov
Perm National Research Polytechnic University
Lysva branch Russia, Lysva E-Mail: khamat_e@mail.ru
Igor Zinov
Bashkir State University Birsk branch Russia, Birsk E-Mail: aspirant_i@rambler.ru
Lift -loading technology of long-dimensional objects of a large displacement of water from the water bed using textile cylindrical air-filled mantles
Abstract: In this work, a brief analysis of the possible solutions to the problem of lifting long items from the water bed is provided and a solution to the problem by means of hydraulic structures of textile materials is found.
Structural components of tooling and equipment to lift long objects on the surface of the water, as well as to pull the rope under them were sketchily developed, the technology of work production was briefly described. The ways of solving the problems are shown associated with the change of buoyancy stretch the floats , depending on the depth of the dive.
There is a method of numerical calculation by finite element technique of soft air-filled cylindrical mantle of lifting float at the end of this work , and an example of its calculation is provided as well.
There is an interest concerning the proposed original scope of usage the textile cylindrical mantles to lift long loads of a large water displacement in the work, and also as a manipulator of the channels realizing in the soil under them.
Also it is important that the method of calculation of such structures was created, which can be used in case of implementation of the proposed project.
Keywords: Hydraulic structure textile; hydraulic structure soft ; hydraulic structure lightweight ; lifting the long- dimensional objects; textile mantle; air-filled mantle; textile floating ; the calculation of the mantle by the finite elements method; the profile of the mantle; manipulator of flexible arms ; lifting power of the float; the elements of soft mantles; catenary belt; floats section; section of air-filled mantle.
Identification number of article 46TVN613
Иногда возникают инженерные задачи, связанные с необходимостью подъема длинномерных предметов большого водоизмещения со дна водоема. Например, это могут быть затонувшие корабли, трубопроводы, строительные конструкции и т.п.
Обычно подобные задачи решаются посредством применения различных плавучих средств: барж, судов, замкнутых продуваемых жестких емкостей, доков. При этом
поднимаемый со дна предмет либо вытягивается гибкими связями, с помощью грузоподъемных механизмов: лебедок, кранов, либо плавучее средство затапливается на определенную глубину, крепится гибкими связями: грузовыми тросами к поднимаемому предмету, затем продувается.
Приведенные способы имеют ряд очевидных недостатков. При реализации первого способа необходимо применять лебедки весьма большой грузоподъемности, и в этом случае поднимаемый предмет будет нагружаться весьма большими изгибающими моментами, возможно, способными его разрушить. Применение большого числа грузовых тросов и лебедок требует согласной работы всех грузоподъемных механизмов.
Второй способ требует применения специального плавучего средства, возможно, намеренно для этой цели сконструированного и построенного. Оно должно иметь достаточное количество поперечных переборок, и каждый отсек должен продуваться индивидуально, поскольку перемещение воздушного пузыря вдоль этого плавучего средства вызовет прогрессирующий дифферент его, что может привести к катастрофическим последствиям. Одним из оптимальных решений подобной проблемы представляется применение
протяженных воздухонаполняемых оболочек из тканевых материалов.
Преимущество применения данного решения заключается в том, что:
• применяя значительное число однотипных элементов, можно достичь весьма значительной грузоподъемности;
• путем индивидуальной продувки отдельных элементов можно достичь высокой степени управляемости процессом подъема;
• ввиду специфичности материала технологическая оснастка и оборудование будут во много раз легче и дешевле соответствующего оборудования, выполненного из традиционных материалов;
• секции воздухонаполняемых оболочек после окончания работ по подъему длинномерного предмета можно использовать в качестве гидротехнических конструкций и сооружений: плотин, перемычек, дамб, запоней.
Рис. 1. Схема компоновки оснастки для подъемных работ
Схема компоновки оснастки для подъемных работ. Из большого количества вариантов схем закрепления тканевых оболочек к охватывающим, поднимаемый предмет грузовым тросам или тросовой сетке наиболее оптимальной представляется схема, изображенная на рисунке 1. Длинномерный затопленный предмет 1, охватывается снизу грузовыми тросами, или тросовой сеткой 2, если на нем нет специальных крепежных приспособлений типа рыма. Грузовые тросы по длине закладываются с определенным шагом L. К тросам крепятся через вантовые сетки 3 за катенарные пояса воздухонаполняемые оболочки 4 с помощью специальных замков типа карабинов, установленных на тросах с шагом И
Конструктивная схема поплавка. Секция эластичного поплавка может представлять конструкцию, показанную на рисунке 2.
Рис. 2. Конструктивная схема секции воздухонаполняемого поплавка
Баллон секции поплавка (образующая поверхности цилиндра) 1 сшивается из синтетических вохдухо- водонепронецаемых тканевых материалов большой прочности. На рисунке 2 позиция 2 -технологические швы, шаг которых равен ширине полос материала.
Торцы баллона закрываются полотнищами 3 такой формы, чтобы с одной стороны баллон мог складываться по высоте, то есть высота их должна быть не менее половины периметра (длины образующей) баллона поплавка, с другой - чтобы ширина этой вставки могла увеличиваться до ширины баллона, наполненного воздухом до расчетных пределов. Для обеспечения этих двух условий во вставки необходимо вшивать клинья определенной формы, либо вырезать их с периферийной части 4. Нужно отметить, что поскольку торцевые вставки 3 не несут основной нагрузки, они могут быть из менее прочной ткани, нежели образующая поверхности цилиндра 1.
Баллон поплавка для передачи подъемного усилия на грузовые тросы 5 снабжены катенарным поясом 6, который представляет собой два слоя ткани - продолжение полос ткани баллона 1 - между которыми вклеен и прошит капроновый шнур, выложенный в виде парабол вершинами вверх 7, что способствует равномерному сбору распределенной нагрузки по длине секции поплавка. Собранная нагрузка передается в виде сосредоточенных усилий на люверсы
8.
От люверсов 8 нагрузка передается на оттяжки вантовой сетки 9, через которые она передается на собирающий нагрузку трос 10. Длина оттяжек 9 назначается таким образом, чтобы точки соединения троса 10 с ними лежали на параболе по вышеизложенным соображениям. Таким образом, вантовая сетка выполняет роль катенарного пояса, но уже на другом уровне. Трос 10 передает нагрузку грузовым тросам 5 через крепежные устройства (замки) 11.
Концы секций снабжаются фартуками двух видов: с петлями 12 и отверстиями 13. Фартуки необходимы для соединения секций в поплавковые плети. Секции соединяются посредством шнуровки, как показано на рисунке 2 вид I. Последняя петля закрепляется замком какой-либо конструкции.
Каждая секция снабжается клапаном для подачи воздуха 14 и предохранительным клапаном 15.
Нужно отметить, что крайние торцы крайних секций поплавков следует закрывать полотнищами из более прочной ткани, так как на них будет действовать уже значительные нагрузки. Кроме того, соединительные фартуки на них уже не нужны.
Рис. 3. Схема технологии производства работ при подъеме
Основные этапы технологии производства работ предлагаются следующими:
1. Под поднимаемым предметом пропускаются грузовые тросы. При необходимости они связываются горизонтальными связями и образуют тросовую сетку. (Технология протягивания грузовых тросов под поднимаемым предметом предлагается ниже)
2. Элементы мягких оболочек соединяются в плети необходимой длины с помощью специальных соединительных шнуровочных поясов и за люверсы крепятся к вантовым сеткам.
3. Необходимое число плетей гибких оболочек закрепляется с помощью вантовых сеток за замки грузовых тросов. Эта работа производится легкими водолазами, поскольку проводится на относительно небольшой глубине.
4. Секции оболочек продуваются.
5. После отрыва поднимаемого предмета от дна и некоторого подъема, когда всплывут вторые сверху пары секций мягких поплавков, верхние секции
отцепляют, выпускают из них воздух и закрепляют за замки грузовых тросов ниже самых нижних на рассматриваемый момент секций, как это показано на рисунке 3.
6. Нижние, только что закрепленные плети продувают, и вся конструкция вместе с поднимаемым предметом поднимается на величину шага закрепления замков на грузовом поясе.
7. После нескольких циклов, когда поднимаемый предмет будет поднят на необходимую высоту (до нужной глубины), выполняются необходимые работы. Или, если необходимо, длинномерный предмет и плети оболочек крепят тросами за один из концов и буксируют в док.
Способ решения проблемы изменения объема воздуха в зависимости от давления
Для обеспечения равномерного подъема необходимо, чтобы подъемная сила, обеспечиваемая поплавками была постоянна и не зависела от глубины. Но в соответствии с газовыми законами, при уменьшении давления, одно и то же количество газа увеличивается в объеме, то есть мягкие поплавки увеличиваются, их подъемная сила возрастает, и может увеличиваться до величины, когда материал поплавка разрушится. Ориентировочная оценка увеличения объема поплавков показывает, что в идеальном случае (изотермический процесс идеального газа) при поднятии поплавков с глубины 10 м, их грузоподъемность удвоится, с 20
- утроится, и т.д. Это обстоятельство требует иметь достаточный запас возможности увеличения плавучести эластичных поплавков, что оправдано при их подъеме с относительно небольшой глубины при поднятии не очень тяжелых предметов. При поднятии предметов значительного водоизмещения с большой глубины необходимо применение каких-либо инженерных решений, регулирующих величину подъемной силы поплавков.
Чтобы найти такое решение, было проведено исследование поведения формы оболочки в зависимости от различных сочетаний давлений внутри ее и снаружи. Расчет оболочки эластичного поплавка (см. далее) показал, что площадь его поперечного сечения, а, следовательно, и подъемная сила (водоизмещение), поскольку это цилиндр, зависит не от величины абсолютного давления внутри оболочки, а разницы давлений АР внутри и снаружи оболочки. То есть при любой глубине погружения при сохранении разницы давлений АР, форма оболочки, а, следовательно, и плавучесть эластичного поплавка останутся неизменными.
Одним из таких решений может быть, например, использование воздуховыпускного клапана, изображенного на рисунке 4, выполненного по типу предохранительного.
Рис. 4. Воздоховыпускной предохранительный клапан
Клапан крепится к корпусу 1, состоит из верхней шайбы 2 с уплотнительным кольцом и стойкой с резьбовым отверстием, нижней шайбы 3 с резьбовой шпилькой 4, на конце которой профрезерован паз под отвертку и пружины 5. Корпус ввинчивается в резьбовую втулку 6, закрепленную на оболочке (по типу узла крепления клапанов на резиновых лодках).
Собранный клапан регулируют вращением шпильки 4 отверткой до создания усилия в пружине 5, обеспечивающего открывание клапана при достижении заданного перепада давлений АР. Возможно применение контргайки.
При необходимости клапан может быть снабжен блокирующим устройством, которое перекрывает выход воздуха через клапан при глубине его погружения меньше заданной. Он может представлять собой, например конструкцию, состоящую из коромысла 7, шарнирно закрепленного на плите основания 8, правая сторона (по рисунку) которого подпирается пружиной 9, а левая - небольшой воздухонаполненной оболочкой 10. При подъеме поплавка воздух в оболочке 10 будет увеличиваться в объеме, которая также увеличиваясь, будет подпирать левое плечо коромысла. Правое плечо будет опускаться, и при достижении определенной глубины, заблокирует клапан. Глубина блокирования этим устройством регулируется степенью наполнения оболочки 10 воздухом.
Конструктивные размеры клапана определяются из условия его необходимой пропускной способности.
Технология протягивания грузовых тросов
под поднимаемым длинномерным предметом
В случае отсутствия на поднимаемом предмете специальных крепежных устройств возникает довольно непростая задача пропускания грузовых тросов под этим предметом.
В случае, если грунты размываемы - гравий, песок, ил, глинистые грунты, то наиболее очевидное решение - размывание каналов под поднимаемым предметом для грузовых тросов с помощью гидромониторов. Работа водолазов при выполнении этой задачи может быть нецелесообразна по нескольким причинам: 1) глубина в месте проведения работ может быть больше максимально возможной глубины погружения водолазов; 2) для прохождения
водолазов необходимы каналы весьма большого сечения, следовательно, объемы работ будут значительными; 3) и наиболее важный момент - работа людей в этом канале связана с большой степенью опасности для здоровья и жизни.
В этом случае может быть оправдано применение манипулятора какой-либо конструкции, удерживающего гидромонитор. Из всего многообразия возможных конструкций и принципов действия манипуляторов наиболее перспективным представляется в данном случае применение манипулятора из эластичных тканевых материалов, который может иметь конструкцию, приведенную на рисунке 5.
11 13 2 10 9
Рис. 5. Схема и принцип работы манипулятора
Тело манипулятора состоит из трех эластичных, протяженных цилиндрических оболочек 1,2,3, типа рукавов, соединенных между собой в треугольник, как это показано на рисунке 5. При создании некоторого избыточного давления в рукавах тела манипулятора, оно приобретает необходимую жесткость. Причем, если давление в рукавах будет разным, тело манипулятора будет иметь криволинейную продольную ось, даже при раскрое оболочек как прямолинейных цилиндрических. Например, если давление в нижней оболочке 3 будет больше, чем в верхних 1 и 2, то ось манипулятора изогнется кверху. Таким образом, можно управлять направлением движения манипулятора. Он может повторять форму нижней поверхности поднимаемого предмета. В общем случае, если оболочки манипулятора 1,2,3 разделить на отсеки конечной длины, и управлять давлением в каждом отсеке каждой оболочки индивидуально, то можно добиться, что на отдельных участках ось манипулятора будет иметь кривизну разной величины и направления. Но в этом случае управление манипулятором довольно сильно усложнится.
Вдоль оси манипулятора тянутся шланг подачи воды на гидромонитор 4, шланги управления оболочками манипулятора и узлом управления гидромонитора 5, а также протягиваемый грузовой трос 6. Гидромонитор, расположенный в головной части манипулятора 7, снабжается узлом управления 8, обеспечивающим возможность поворота сопла в вертикальной и горизонтальных плоскостях.
Тело манипулятора может быть снабжено роликами для облегчения скольжения его по нижней поверхности поднимаемого предмета, либо в головной части 9, либо даже по всей длине с определенным шагом 10. Вместо роликов можно использовать флейты (шланг с отверстиями), закрепленные с верхней стороны внешней поверхности рукавов 1 и 2 (на рисунке 5 не показаны). При подаче воды под давлением во флейты, просачивающаяся между поверхностью рукава и поднимаемым предметом вода обеспечит необходимое скольжение.
С другой стороны, в некоторых случаях, когда инертности и жесткости тела
манипулятора недостаточно для противодействия реактивной силе гидромонитора, может возникнуть задача фиксирования манипулятора за нижнюю поверхность поднимаемого предмета. Эту задачу можно решить, например, увеличивая плавучесть тела манипулятора, оборудовав рукава 1 и 2 специальными продуваемыми полостями 11. Эти полости могут быть образованы путем приклеивания с внутренней стороны в верхней части рукава мембраны 12. Для обеспеченья полного заполнения полости воздухом, и особенно стравливания его вдоль полости, должен быть проложен дренажный шланг - флейта 13.
Другой метод фиксирования тела манипулятора - создание разряжения в пазухе между рукавами 1, 2 и поднимаемым телом. В этом случае пазуха делится через определенные промежутки перегородками-мембранами 13. Вода откачивается из каждого отсека индивидуально (управляющие шланги на рисунке 5 не показаны). В случае реализации этого способа, работа будет проходить циклически в две фазы: перемещение тела манипулятора -размывание грунта.
Манипулятор из эластичных рукавов имеет еще то достоинство, что при сворачивании на катушку весьма компактен. Позволяет проводить работы с погружаемого аппарата.
Нужно сказать, что при подаче давления в рукава манипулятора он будет раскручиваться с катушки, причем сила, с которой тело манипулятора будет стремиться перемещаться вдоль своей оси, может достигать значительной величины, поэтому катушка должна быть снабжена приводом для управления поступательным перемещением манипулятора.
Следует отметить, что все шланги управления лучше присоединять к оболочкам в головной части манипулятора.
Дренаж поверхности касания поднимаемого предмета и грунта
Тела, лежащие на дне из мягких грунтов с весьма малым коэффициентом фильтрации, бывает довольно сложно оторвать ото дна, поскольку тела «засасываются» - вода из под них выжимается, при отрыве необходимо, чтобы вода попала между грунтом и предметом, а это весьма проблематично из-за малой водопроницаемости грунта. Поэтому для облегчения отрыва необходимо организовать дренаж под предметом. Частично поверхность между предметом и грунтом дренируется каналами, которые образованы в результате протягивания под предметом грузовых тросов. При необходимости дренаж можно улучшить дополнительными каналами, размытыми с помощью предлагаемого манипулятора.
Расчет оболочки поплавка
Для конструирования и проектирования оснастки, необходимой при производстве работ по подъему крупных длинномерных предметов со дна водоема, прежде всего необходимо знать геометрические и силовые параметры тканевых поплавков. Чтобы определить эти параметры для каждого конкретного случая, нужно разработать методику их расчета.
Для разработки математической модели оболочки поплавка построена расчетная схема (рис. 6 а), где 1 - ветвь ЫЬ оболочки; 2 - ветвь ЫМЬ; 3 - катенарный пояс и вантовая сетка ЫЛ; МЬ - участок ветви 2, прилегающий к плоскости; О - начало координат; 2л - заглубление узла крепления вантовой сетки к грузовому тросу.
Рис. 6. Расчетная схема оболочки поплавка
Допущения, приятые при разработке математической модели оболочки:
1. Оболочка цилиндрическая, так как длина ее (размерность по у) с учетом того, что секции поплавка сшиваются шнуровочными поясами, во много раз превышает высоту и ширину (размерность по 2 и х).
2. Соединения секций не оказывает влияния на цилиндричность оболочки.
3. Материал оболочки невесом. Вес взвешенной в воде оболочки очень мал и на геометрические и силовые характеристики оболочки практически не влияет.
4. Материал оболочки растяжим. В зависимости от марки ткани предусмотрена
возможность заложения функции ее растяжимости е=/(Т), Т- усилие.
5. На элементарном участке As оболочки, давление на нее постоянно: Р=еот1.
6. Воздух внутри оболочки невесом.
7. Поверхность прилегания оболочки к супротивной парной оболочке и грузовым
тросам плоская.
Для составления дифференциальных уравнений оболочки рассмотрен ее элементарный участок & (Рис. 6 б).
Уравнения равновесия для & запишутся:
У Fx = -T sin a + Pds cos
У F = T cos а + Pds sin где Т - усилие в оболочке;
а
а-
da
2 da 2
+ T sin(a - da) = 0
(1)
- T cos(a - da) = 0
(2)
а, da - текущий угол и его приращение;
Р - давление на оболочку; ds - длина конечного элемента оболочки.
После элементарных преобразований оба этих уравнения дают уравнение оболочки:
Р йа
Т йз
Из уравнения 2, а также из уравнений треугольника получается система дифференциальных уравнений оболочки:
йх = йз Бт а;
= йз соБа; ^
йа = йзР Т
Решение данной системы с условием того, что оболочка растяжима, то есть ds=f(T) может вызвать значительные затруднения, особенно, если эта функция задана линейнокусочно. Специальной обработки требует участок прилегания оболочки к плоскости. Кроме того, в этом случае получим лишь усилие Т а также начальный и конечный углы оболочки ан и ак. Получение каждой дополнительной координаты оболочки связано с очередным решением этой системы. Поэтому данная задача решается инженерными методами, основанными на разбиении оболочки на конечное число взаимосвязанных элементов, основными посылками которых являются уравнения системы 3.
Разработанный алгоритм решения данной задачи следующий:
1. Задаются некоторые начальные значения параметров а, Т и в в точке N оболочки. в - угол между вертикалью и плоскостью вантовой сетки.
2. Рассчитывается ветвь оболочки ЫЬ. Начальный угол из геометрии оболочки в окрестности узла N определится: ацо)=а~в.
3. Начальные координаты точки N оболочки определятся:
Х1(0)=Ьшыпв; гцо)=Ьылсо&в.
Здесь Ьыл - высота вантовой сетки вместе с катенарным поясом.
4. Определяется длина элементарного участка оболочки:
As=Ьоб(T)/n,
где Ьоб(Т) - длина оболочки в зависимости от усилия Т. п - число разбиений оболочки.
5. Определяется приращение угла а:
Aa=P[zl(i)+(As•cosal(i))/2]As/T.
б. Откуда следующее значение угла оболочки:
ац1+1)=а.1(1)-Аа.
7. Вычисляется последующее значение координат первой ветви оболочки:
xi(i+i)—xi(i)-Assnai(i+i);
zi(i+i)=zi(i)-As^comi(i+i);
8. Первая ветвь оболочки рассчитывается до тех пор, пока оболочка не «приляжет» к вертикальной плоскости. То есть процедура расчета оболочки (пункты 5-7) реализуется до тех пор, пока значение угла а не станет равно нулю.
9. Запоминается число элементов оболочки, составляющих первую ее ветвь ii.
10. Определяется начальный угол второй ветви оболочки:
a2(0)=a+fi.
11. Начальные координаты ветви, то есть координаты точки N определяются так же, как в п. 3.
12. Приращение угла а определяется аналогично:
Aa—P[z2(i)+(As^cosa2(i))/2]As/T.
13. Следующее значение угла оболочки
a2(i+i)=a2(i)-Aa.
В случае, если a2(i+i) станет меньше, чем -п, то есть вторая ветвь пройдет свою самую верхнюю точку и «приляжет» к вертикальной плоскости в точке М, то a2(i+i) приравнивается к
14. Последующее значение координат первой ветви оболочки вычисляется:
X2(i+i)—X2(i)+As^sina2(i+i);
Z2(i+i)=Z2(i)-As^cosa2(i+i);
15. Процедура расчета второй ветви оболочки выполняется n-ii раз.
16. После реализации процедуры расчета обеих ветвей оболочки анализируются полученные результаты. В соответствии с расчетной схемой начальные параметры a, T и в в точке N оболочки, а также координаты Xi и Zi ее узлов считаются найденными в случае, если выполняются одновременно три условия:
X1(iL ) = Х2(n-iL );
s z = z '
1(iL ) z2(n-iL );
LNA sin P = X1(iL )•
Вероятность того, что эти условия будут выполнены после первой же реализации процедуры практически нулевая. Поэтому подбор начальных параметров оболочки проводится, как нахождение решения системы нелинейных уравнений, методом Ньютона-Канторовича. Причем, в качестве уравнений системы принимается процедура расчета
оболочки со входными параметрами a, T и в, а выходными - либо x1(^) — x2(n-iL), либо
z1( ) — z2(n-t ) , либо Lna sin p- X ) . Вычисление производных при расчете определителя Якоби и приращений искомых параметров производится по четырем точкам.
Пример расчета оболочки
В качестве примера рассчитана оболочка из ткани Тк-8-426. Функция растяжимости є=-0,004Т2+0, 479-Т, (е[%], Т[кН/м]) (Функция подобрана по результатам лабораторных исследований, полученных Щепанским А.О., Новочеркасск -1990-1992 г. Регрессионная зависимость подбиралась для Т<=[2,0..34,0] кН/м). Длина периметра нерастянутой оболочки 8м. Высота вантовой сетки с катенарным поясом Рыь =2м. Рыь принята нерастяжимой. Величина заглубления узла А составляет гл =10 м. Значение Ризб - избыточного давления внутри оболочки варьировалась (см. таб. 1).
Таблица 1
Результаты реализации расчета математической модели воздухонаполняемого поплавка
% п/п Р изб, мП9,8 кН/м3 а, град Т, кН/п.м в, град Рпод, кН/п.м Роб, м
1 2 3 4 5 6 7
1 7,1 10,95 21,530 10,50 41,568 8,68
2 8,0 35,50 33,163 13,50 52,503 8,92
3 9,0 49,59 46,464 15,79 57,964 9,09
Профили оболочки, полученные в результате проведения численного эксперимента, представлены на рисунке 7. Избыточное давление в таблице представлено в метрах водного столба. В первом опыте оно минимально. При его уменьшении нижние части ветвей оболочки смыкаются, а становится равным нулю, что нежелательно, поскольку в этом случае материал оболочки используется непроизводительно. Коэффициент запаса прочности для данного типа ткани составляет в этом случае порядка 1,6. Во втором опыте Ризб подобрано так, что усилие Т в ней достигает предела прочности ткани. В третьем примере усилие в оболочке за пределами прочности принятой ткани Тк-8-426, и этот пример рассчитан для анализа геометрических и силовых характеристик конструкции на случай, если бы она была изготовлена из более прочной ткани.
О
х, ж
8
10
[/' К N ч"-1
Г' 7 \ 4
и. 1 1 ^
ж г г / ■-1.
/ / / / л
\\ / ✓ / * / *
/ / Г У Г / ,/
а
Г
IV
N
Рис. 7
Рис. 7. Профили воздухонаполненного поплавка, полученные в результате реализации
численных экспериментов
Анализируя результаты численных экспериментов, нужно отметить, что подъемная сила погонного метра поплавка, определяемая как Г„од = 2Тсош$>тв, см рис. 6, увеличилась во втором случае относительно первого в 1,26 раз, а в третьем относительно первого - в 1,39 раз, в то время как усилие в оболочке увеличилось в 1,54 и в 2,16 раз. Следовательно, необходимо при проектировании подобного устройства добиваться таких его конструктивных соотношений, чтобы при обеспечении необходимого запаса прочности ткани оболочки угол а составлял порядка 5...15 градусов. Наиболее экономичный вариант еще предстоит выяснить.
В графе 5 таблицы 1 для справок дан угол между плоскостью вантовой сетки и вертикалью в, в графе 7 - длина растянутой оболочки Ьоб .
Если применять предложенную технологию в реализации такого серьезного проекта, как например подъем АПЛ «Курск» с водоизмещением 24 тыс. тонн, то необходимо применение более прочных типов тканей, нежели Тк-8-426, поскольку, если делать поплавки из этой ткани, то для обеспечения указанного водоизмещения необходимы поплавковые плети совокупной длиной около 6 км, или 60 плетей по 100 м (в длину АПЛ). Если применить ткань в четыре раза прочнее, то нужно будет только порядка 16 плетей. После реализации проекта, оболочки можно будет использовать в качестве водонаполненных плотин и перемычек, удерживающих напор до 3,5...4,0 м при двойном запасе прочности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волосухин В.А. Теоретические исследования мягких гидротехнических конструкций: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук - Новочеркасск, ЮжНИИГиМ, 1975.
2. Волосухин В.А., Бондаренко В.Л., Зинов И.А. Руководство по расчету и
применению наплавных конструкций. /РосНИИВХ, НИМИ. - Свердловск, 1993.
3. Зинов И.А. Бикбулатов В.Р.Расчет тканевой мембранной оболочки для сбора
поверхностных загрязнений.//Вестник Бирской государственной социальнопедагогической академии: Научно-методический журнал, выпуск 6 /под общ.ред. С.М.Усманова/ - Бирск: Бирск.гос.соц.-пед.акад.,2005. - С.33-35.
4. Зинов И.А. Математическая модель двухъярусной тканевой водонаполненной
плотины. // Сборник научных трудов по материалам международной научно-
практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований ‘2011». Том 30. Искусствоведение, архитектура и строительство. - Одесса: Черноморье,2011. С. 18-23.
5. Зинов И.А. Математическая модель тканевой плотины незамкнутого типа. .
//ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. науч. трудов: / Отв. Ред. С.М.Усманов// VI Всероссийская научно-методическая конференция. 20-21 апреля 2007 г. -Бирск: Бирск. гос. соц.-пед.акад., 2007. С. 59-64.
6. Зинов И.А. Мембранные наплавные гидротехнические конструкции из тканевых
материалов: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук - Новочеркасск, НГМА, 1996.
7. Зинов И.А. Разработка и исследование математической модели наплавной
конструкции для разделения стратифицированных жидкостей.// Современные проблемы науки и образования в техническом вузе: материалы Всероссийской научно-практической конференции (24-26 июня 2013 года, г. Стерлитамак). -Уфа: УГАТУ, 2013. С.167-172.
8. Зинов И.А. Расчет тканевой мембранной наплавной конструкции методом
конечных элементов. //ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. науч. трудов: в 2х ч./ Отв. Ред. С.М.Усманов// III Всероссийская научно-теоретическая конференция. 21-22 мая 2004 г. - Бирск: Бирск. гос. пед. ин-т, 2004. - Ч.1. С.138-142.
9. Зинов И.А. Расчет юбки бонового заграждения для сбора плавающих загрязнений Матеріали VIII Міжнародної науково-практичної конферснції "Наука і освіта '2005". Том 15. Екологія. -Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005.
- С. 52-55.
10. Зинов И.А. Численный расчет эластичного воздухонаполненного поплавка// ЭВТ в обучении и моделировании: Сб. научн. тр.: в 2-х ч.// Всеросс. научн. конф. 9-10 июня 2001 г.- Бирск: Бирск. гос. пед. ин-т, 2001.- ч. 2. - С. 49-54.
11. Зинов И.А., Середа Т.Г., Костарев С.Н. Методика реабилитации территорий загрязненных нефтепродуктами // Экологические проблемы промышленных регионов: материалы Седьмой всерос. науч.-практ. конф. — Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2006. — С. 224-226
12. Сергеев Б.И., Степанов П.М., Шумаков Б.Б. Мягкие конструкции в гидротехническом строительстве. - М.: Колос,1984.
Рецензент: Балабанов Денис Сергеевич, заведующий кафедрой технических
дисциплин Лысьвенского филиала Пермского национального исследовательского
политехнического университета, кандидат технических наук.
REFERENCES
1. Volosuhin V.A. Teoreticheskie issledovanija mjagkih gidrotehnicheskih konst-rukcij: dis. na soisk. uchen. step. kand. tehn. nauk - Novocherkassk, JuzhNIIGiM, 1975.
2. Volosuhin V.A., Bondarenko V.L., Zinov I.A. Rukovodstvo po raschetu i pri-meneniju naplavnyh konstrukcij. /RosNIIVH, NIMI. - Sverdlovsk, 1993.
3. Zinov I.A. Bikbulatov V.R.Raschet tkanevoj membrannoj obolochki dlja sbora poverhnostnyh zagrjaznenij.//Vestnik Birskoj gosudarstvennoj social'no-pedagogicheskoj akademii: Nauchno-metodicheskij zhurnal, vypusk 6 /pod obshh.red. S.M.Usmanova/ - Birsk: Birsk.gos.soc.-ped.akad.,2005. - S.33-35.
4. Zinov I.A. Matematicheskaja model' dvuh#jarusnoj tkanevoj vodonapolnennoj
plotiny. // Sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Sovremennye napravlenija teoreticheskih i prikladnyh issledovanij ‘2011». Tom 30. Iskusstvovedenie, arhitektura i stroitel'stvo. - Odessa: Chernomor'e,2011. S. 18-23.
5. Zinov I.A. Matematicheskaja model' tkanevoj plotiny nezamknutogo tipa. . //JeVT v obuchenii i modelirovanii: Sb. nauch. trudov: / Otv. Red. S.M.Usmanov// VI Vseros-sijskaja nauchno-metodicheskaja konferencija. 20-21 aprelja 2007 g. - Birsk: Birsk. gos. soc.-ped.akad., 2007. S. 59-64.
6. Zinov I.A. Membrannye naplavnye gidrotehnicheskie konstrukcii iz tkane-vyh
materialov: dis. na soisk. uchen. step. kand. tehn. nauk - Novocherkassk, NGMA, 1996.
7. Zinov I.A. Razrabotka i issledovanie matematicheskoj modeli naplavnoj kon-strukcii
dlja razdelenija stratificirovannyh zhidkostej.// Sovremennye problemy nauki i obrazovanija v tehnicheskom vuze: materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferen-cii (24-26 ijunja 2013 goda, g. Sterlitamak). - Ufa: UGATU, 2013. S.167-172.
8. Zinov I.A. Raschet tkanevoj membrannoj naplavnoj konstrukcii metodom ko-nechnyh
jelementov. //JeVT v obuchenii i modelirovanii: Sb. nauch. trudov: v 2-h ch./ Otv. Red. S.M.Usmanov// III Vserossijskaja nauchno-teoreticheskaja konferencija. 21-22 maja 2004 g. - Birsk: Birsk. gos. ped. in-t, 2004. - Ch.1. S.138-142.
9. Zinov I.A. Raschet jubki bonovogo zagrazhdenija dlja sbora plavajushhih zagrjazne-
nij Materiali VIII Mizhnarodnoi naukovo-praktichnoi konfersncii "Nauka i osvita '2005". Tom 15. Ekologija. -Dnipropetrovs'k: Nauka i osvita, 2005. - S. 52-55.
10. Zinov I.A. Chislennyj raschet jelastichnogo vozduhonapolnennogo poplavka// JeVT v
obuchenii i modelirovanii: Sb. nauchn. tr.: v 2-h ch.// Vseross. nauchn. konf. 9-10 ijunja 2001 g.- Birsk: Birsk. gos. ped. in-t, 2001.- ch. 2. - S. 49-54.
11. Zinov I.A., Sereda T.G., Kostarev S.N. Metodika reabilitacii territorij za-grjaznennyh
nefteproduktami // Jekologicheskie problemy promyshlennyh regionov: mate-rialy Sed'moj vseros. nauch.-prakt. konf. — Ekaterinburg: Izd-vo AMB, 2006. — S. 224226
12. Sergeev B.I., Stepanov P.M., Shumakov B.B. Mjagkie konstrukcii v gidroteh-nicheskom stroitel'stve. - M.: Kolos,1984.
