Abstract and keywords
Abstract (English):
The article focuses on the problem of physical modeling of the physical and mechanical properties of fishing twisted filamentary materials, in particular, the most important one – the breaking load. The problems arise because of conducting full-scale experiments, particularly when the ropes of large diameter are used to build the rope parts of fishing gear. The solution to the problem of determining the breaking load on filamentary parts can be found by using specialized tensile testing machines and modern software, which is an effective tool for predicting the reliability and a resource of a gear part operating in difficult conditions of dynamic and shock loads. However, de-signing of fishing gear must begin with large-scale modeling, which will help to correctly calculate the physical and mechanical properties of the designed object using the well-known parameters of the full-scale material. The similarity rules of breaking load of fishing twisted filamentary gear used for the construction of industrial fishing tools will make it possible to model new elements of these tools without conducting full-scale experiments. At the same time, they will already contain solutions to problems associated with studying the dynamic processes, deformation, fracture, as well as the prediction of reliability and resource of the material. The technique proposed based on determining the scale of similarity of filamentary gear made of polyamide fibers, will help to simu-late various net and rope elements from filaments gear of various sizes and structures, instead of conducting energy-intensive experimental studies on ropes of large diameter.

Keywords:
industrial fishery, fishing gear, breaking load, filament parts, physical and mechanical properties, modeling, rope, scale
Text
Publication text (PDF): Read Download

Орудия промышленного рыболовства, такие как тралы, неводы и пр., состоят из набора сетных и канатно-веревочных элементов, которые имеют несимметричные формы, изменяющиеся в процессе лова за счет перераспределения нагрузки внутри элементов. Данный фактор существенно усложняет теоретический анализ при проектировании орудия лова, и его точный расчет становится невозможным.

Создание нового орудия рыболовства подразумевает, в первую очередь, его проектирование, которое невозможно без тщательного исследования предлагаемых элементов, способных улучшить его характеристики, влияющих на главный фактор использования орудия лова – повышенную уловистость – за счет уменьшения, в том числе, сопротивления на данные элементы без ослабления основных физико-механических свойств (ФМС).

Неотъемлемой частью проектирования орудий лова является проведение экспериментальных исследований на моделях, которые должны воспроизводить изучаемое явление так, чтобы можно было от данных эксперимента с модели перейти к натурному (реальному) объекту. При этом проектирование должно включать как математическое, так и физическое моделирование. Для этого процессы, протекающие с моделью, должны соответствовать натурному объекту.

Из вышеизложенного следует, что ФМС крученых нитевидных изделий (НИ), из которых состоят элементы орудий лова, применяемые как в модельных, так и в натурных элементах, должны описываться равными закономерностями, хотя численно могут иметь существенные отличия. В результате возникает необходимость использования критериев, позволяющих «масштабировать» реальную систему с применением теории подобия [1, 2].

 

Постановка задачи

В данном случае важное значение приобретает теория физического моделирования динамических процессов [3–5]. Необходимо, чтобы параметры модели были геометрически подобны натурному орудию лова, применяемому в промышленном рыболовстве. Однако модель обычно имеет иные размеры, чем натурный объект, и испытывается в другой среде и при других скоростях. Если испытания проходят в воздухе, а не в воде, где непосредственно используется орудие лова, то силовое взаимодействие со средой будет иным, нежели у натурного объекта. В связи с этим необходимо охарактеризовать силовое взаимодействие объекта и среды безразмерными величинами, которые не имели бы зависимости от натурных размеров объекта, скорости его движения или скорости потока жидкости, плотности среды, вязкости жидкости и других размерных величин.

Определение одного из основных ФМС НИ, а именно разрывной нагрузки, при помощи современных разрывных машин, с применением программного обеспечения, становится эффективным инструментом в решении проблем не только деформации и разрушения, но и прогноза надежности и ресурса данного материала, работающего в сложных условиях динамических и ударных нагрузок.

На примере разноглубинного трала визуально покажем, насколько много НИ в каждом элементе орудия рыболовства (канатной, канатно-сетной и сетной части), которые в совокупности имеют влияние на крепость всего орудия рыболовства (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Разноглубинный трал и его элементы

 

Разрыв в одном из элементов отразится на поведенческих характеристиках трала, что в результате может привести как к потере возможной добычи, так и к потере всего орудия.

Проведенные ранее исследования НИ на определение ФМС были посвящены изучению статических процессов [6],однако данные исследования не позволяют полностью охарактеризовать такие процессы, как деформация, разрушение и прогноз надежности.

Теория динамического подобия А. А. Недоступа [3, 4] позволяет обосновать правила подобия ФМС рыболовных крученых НИ при динамической постановке задачи, с рассмотрением изменения безразмерной силы (нагрузки) χ в НИ (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Зависимость вида χ= f(λ, τ):λ – геометрические характеристики;
χ – силовые характеристики; τ – время динамического процесса;
ABC – кривая процесса изменения безразмерных силовых и геометрических характеристик во времени

 

Прежде всего, необходимо определить связь между безразмерными геометрическими характеристиками λ, силовыми χ и временем τдинамического процесса как натуры, так и модели [3, 4].

 

Материалы исследования

С целью постановки динамической задачи исследования ФМС НИ необходимо ввести ряд безразмерных параметров:

                                                                                                                                  

где χ – безразмерная сила; T – натяжение НИ; Tр – разрывная нагрузка НИ,

где τ – безразмерное время динамического процесса; t – время натяжения; tр – время разрыва.

На рис. 1 показана зависимость вида  для различных по структуре и плотности НИ. Данная зависимость для натурных изделий должна быть аналогичной их модели [3], т. е.

                                                                                                                                    

В табл. 1 приведены основные масштабы физических характеристик, протекающих с НИ;в то же время определены масштабы динамического подобия механических процессов рыболовства.

Таблица 1

Масштабы физических характеристик, протекающих с НИ

Физическая характеристика

Обозначение

Преобразование через масштабCl

Геометрический параметр (длина, диаметр и др.)

Cl

Cl

Время

Ct

Cl5/4

Скорость

Cv

Cl1/4

Сила

CR

Cl3/2

Объемный вес

Cγ

Cl-3/2

Упругость материала

CE

Cl1/2

Изгибная жесткость

CEI

Cl7/2

Плотность

Cρ

1

Относительное удлинение

Cε

1

 

Рассмотрим физическое подобие такого параметра, как разрывная нагрузка, на основании проведенных экспериментов с кручеными капроновыми (полиамидными – ПА) нитками и веревками, которые применяются для постройки орудий промышленного рыболовства (табл. 2).

Таблица 2

Экспериментальные данные НИ ПА 187 Текс × 3

Диаметр,d, мм

Разрывная нагрузка,T, Н

1,1

438,3

2,0

1377,6

3,1

2618,1

 

Следует иметь в виду, что насколько бы критерии подобия ни были полны, обеспечить полное подобие все равно невозможно, точно так же, как и изучение любых явлений или процессов во всей их полноте.

На рис. 3 показана зависимость разрывной нагрузки крученых полиамидных образцов Т от скорости натяжения t и диаметра испытываемых образцов d (см. табл. 2).

 

Рис. 3. Зависимости видаT=f(t,d)

 

Произведем несложные расчеты преобразования через масштабы подобия (см. табл. 1) для определения характеристик рыболовных капроновых канатов. Отметим (см. табл. 2), что разрывная нагрузка не зависит от скорости натяжения веревки, что означает использование масштаба времени Ct и масштаба сил CR. В таком случае главными параметрами веревки и каната являются их диаметрыd.

Масштаб диаметров Cd= Cl– линейный масштаб:

Cl= dм/dн,     

где dм – модельный диаметр образца (веревки); dн – натурный диаметр образца (каната).

Из табл. 3 возьмем все диаметры dн для ПА канатов большого диаметра [7] и подсчитаем dм для ПА веревок.

Таблица 3

Канат ПА тросовой свивки (3 пряди)

Диаметрканата, dн, мм

Разрывная нагрузка,T, Н

8

11 564

10

14210

11

19 698

В табл. 4 приведены расчетные значения Cl, Ct, CR, Tн и сопоставлены значения из табл. 3 (разрывная нагрузка).

Таблица 4

Расчетные значения

dм

dн

Cl

Ct

CR

Tн

1,1

2,0

3,1

1,1

2,0

3,1

1,1

2,0

3,1

1,1

2,0

3,1

8

0,13

0,25

0,387

0,078

0,176

0,305

0,046

0,125

0,240

9 528,2

11 020,8

10 908,7

10

0,11

0,2

0,31

0,063

0,133

0,23

0,036

0,089

0,172

12 175

15 478,6

15 221,5

11

0,1

0,18

0,281

0,056

0,111

0,204

0,031

0,076

0,148

14 138,7

18 126,3

17 689,8

 

На рис. 4–6 представлены результаты пересчета (моделирования) на натурный капроновый канат d= 8 мм, d= 10 мм и d= 11 мм для трех масштабов Cl, Ct, CR.

 

Рис. 4. Зависимости видаT= f(t, dн),dн= 8 мм

 

Рис. 5. Зависимости вида T= f(t, dн),dн= 10 мм

 

Рис. 6. Зависимости вида T= f(t, dн),dн= 11 мм

 

Из графиков (рис. 4–6) видно, что моделирование по формулам масштабов времени и сил адекватно воспроизводит разрывную нагрузку в канате.

В табл. 5 приведены значения максимальной ошибки расчетов натурной разрывной нагрузки веревок и натурной разрывной нагрузки канатов, %:

                                                                                                                    

где [Тн] –натурная разрывная нагрузка канатов большого диаметра.

Таблица 5

Максимальная ошибка расчетных данных натурных разрывных нагрузок веревок и канатов

dм

dн

δ, %

1,1

2,0

3,1

8

17,6

4,7

5,6

10

16,7

8,9

7,11

11

28,2

7,9

10,2

 

Моделирование разрывной нагрузки НИ с использованием формулы масштабов времени и сил позволит значительно снизить процесс исследования ФМС.

 

Заключение

Описан метод определения масштабов подобия рыболовных нитевидных изделий на примере испытаний крученых нитевидных изделий, изготовленных из полиамидных волокон. Предложенный метод позволяет без проведения экспериментов на канатах большого диаметра определять их основные физико-механические свойства, которые необходимы для моделирования новых элементов орудий промышленного рыболовства.

Данный метод можно применять при расчете физико-механических свойств, в конечном итоге влияющих на уловистость орудия рыболовства.

References

1. Baranov F. I. Modelirovanie rybolovnykh orudii [Fishing gear modeling]. Rybnoe khoziaistvo, 1940, no. 5, pp. 32-33.

2. Fridman A. L. Metodicheskie ukazaniia po fizicheskomu modelirovaniiu kanatnykh tralov (promezhu-tochnyi otchet) [Guidelines for physical modeling of cable trawls (interim report)]. Otchet po teme «Analiz ele-mentov konstruktsii kanatnykh tralov» № 81-1.2. Kaliningrad, 1981. 20 p.

3. Nedostup A. A. Fizicheskoe modelirovanie gidrodinamicheskikh protsessov dvizheniia orudii rybolovstva [Physical modeling of hydrodynamic processes of fishing gear motion]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika, 2012, no. 3 (19), pp. 55-67.

4. Nedostup A. A. Fizicheskoe modelirovanie orudii i protsessov rybolovstva: monografiia [Physical mod-eling of fishing gear and fishing processes: monograph]. Kaliningrad, Izd-vo KGTU, 2012. 375 p.

5. Nedostup A. A. Eksperimental'naia gidromekhanika orudii rybolovstva: uchebnik [Experimental hydro-mechanics of fishing gear: textbook].Moscow, Morkniga Publ., 2014. 363 p.

6. Nasenkov P. V. Eksperimental'noe issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svoistv nitevidno-verevochnykh izdelii [Experimental study of physical and mechanical properties of thread-rope products]. Aktual'nye problemy osvoeniia biologicheskikh resursov Mirovogo okeana: materialy V Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Vladivostok, 22–24 maia 2018 g.). Vladivostok, Izd-vo DGTRU, 2018. Part 1. Pp. 144-147.

7. Fabrika shnurov «AAA TEKS» [Cord Factory “AAA TEX”]. Available at: http://shnury.ru/catalog/kronnie_ropes_rope_lay (accessed: 11.10.2019).