Натурные объекты в промышленном рыболовстве представляют собой слишком сложные, дорогостоящие инженерные сооружения, чтобы их можно было всякий раз испытывать только в натурных условиях. Это привело к широкому использованию в промышленном рыболовстве теории подобия [1, 2]. Физические модели орудий промышленного рыболовства, а также их элементов не только наглядно демонстрируют протекающие в реальности процессы, но с их помощью можно также изучить влияние отдельных параметров на течение физических процессов. Но следует помнить, что модель должна не только воспроизводить изучаемое явление, но и моделировать это явление так, чтобы от данных с моделью можно было перейти к реальному объекту. Все это достигается за счет равенства для модели и изучаемого объекта критериев подобия. Критерии подобия – это безразмерные числа, зависящие от геометрических, физических параметров. Для обеспечения эффективности любых экспериментальных исследований следует организовать их так, чтобы можно было определить критерии подобия и представить полученные результаты виде функциональной зависимости. Большое значение приобрела теория физического моделирования динамических процессов [3, 4], поскольку в эксперименте наблюдаются явления в частных условиях при статических процессах, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий, применяемых при динамических процессах.

Теории физического моделирования при статических процессах рассматривались достаточно широко [1, 2], в то же время ряд вопросов, связанных с правилами подобия при постановке динамических задач, до настоящего времени остается мало разработанным. К этим вопросам, прежде всего, можно отнести неполноту информации при рассмотрении физико-механических свойств (ФМС) нитевидных изделий (НИ), в частности изгибной жесткости EJ.

В статьях «Критерии изгибной жесткости сетеснастных материалов при моделировании орудий лова» [5] и «О моделировании упругости канатов в динамических рыболовных системах» [6] А. Л. Фридман, рассматривая динамическое подобие, также поднимает вопрос о проведении систематических опытов по изучению изгибной жесткости EJ канатно-веревочных изделий (КВИ). В работе [7] Б. И. Герман изучал жесткость сетного полотна в потоке. Жесткость системы при задеве трала изучала В. Н. Стрекалова [8]. В настоящее время исследуют жесткость КВИ с помощью МКЭ [9].

При всей значимости вышеперечисленных работ, они не исчерпывают многих проблем, важность которых увеличилась в последнее время в связи с развитием и внедрением новых технологий конструирования орудий рыболовства. В результате изучения различных источников мы пришли к выводу, что для обоснования правил подобия ФМС НИ при динамической постановке задачи следует использовать теорию динамического подобия А. А. Недоступа [3].

Постановка задачи

Исследования ФМС НИ и КВИ на специальных установках становятся эффективным инструментом в решении разнообразных проблем жесткости, прогноза надежности и ресурса КВИ, работающих в условиях износа, усталости, динамических и ударных нагрузок, в условиях низких температур и хрупкого разрушения широкого круга материалов, которые используются при конструировании орудий промышленного рыболовства.

В табл. 1 приведены основные масштабы физических характеристик гидродинамических, грунтодинамических, механических и трибологических процессов, протекающих с НИ.

Таблица 1

Масштабы физических характеристик

Масштаб изгибной жесткости C_EJ КВИ и НИ определяется на основе табл. 1 и следующего выражения:

                                                                                                                                  (1)

Следует отметить, что вопросу изучению изгибной жесткости КВИ уделяется особое внимание, что связано с износом и прочностью КВИ, и А. Л. Фридман в [5] указывал на то, что необходимо проводить полномасштабные исследования модуля упругости КВИ и, соответственно, изгибной жесткости КВИ.

Материалы исследования

Для постановки динамической задачи исследования EJКВИмы воспользовались данными исследованияEJ (рис. 1), выполненного в 2019 г. на кафедре промышленного рыболовства Калининградского государственного технического университета, с НИ из различного синтетического сырья.

Рис. 1. Пример изогнутости НИ на стальном штыре диаметром 30 мм

В табл. 2 представлена часть экспериментальных данных, определенных на штырях диаметром 2,0; 10,0 и 30,0 мм: для нитевидных изделий из полиамида (ПА) длиной 0,08; 0,10; 0,12; 0,16; 0,20 и 0,24 м, диаметром 1,1; 2,0; 3,1; 4,0; 5,0 и 6,0 мм; полипропилена (ПП) длиной 0,08; 0,10; 0,12; 0,16; 0,20 и 0,24 м, диаметром 1,1; 2,0; 3,1; 4,0 мм; полиэфира (ПЭФ) длиной 0,08; 0,10; 0,12; 0,16; 0,20 и 0,24 м, диаметром 1,20; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 мм.

Таблица 2

Экспериментальные значения изгибной жесткости EJ_м нитевидных изделий

Также необходимо отметить, что некоторые образцы при малых значениях длины и увеличении диаметра штыря не подвергаются значительному изгибу.

Экспериментальное значения EJ, Нм², для полиамида (ПА) длиной 0,08; 0,10; 0,12; 0,16; 0,20 и 0,24 м, диаметром 1,1; 2,0; 3,1; 4,0; 5,0 и 6,0 мм нанесены на координатные плоскости (рис. 2–4).

Рис. 2. Экспериментальные данные EJ= f(d/l), D= 2 мм, ПА

Рис. 3. Экспериментальные данные EJ= f(d/l), D= 10 мм, ПА

Рис. 4. Экспериментальные данные EJ= f(d/l), D= 30 мм, ПА

Так как общепринятым, главным параметром КВИ обычно является диаметр, рассмотрим на его примере подобие модели и натуры. Для этого из табл. 3 возьмем значение диаметра натурного НИ d_н, применяемого для постройки орудий рыболовства, и произведем расчеты для определения его изгибной жесткости EJ_н.

Таблица 3

Диаметр натурных канатно-веревочных изделий

Для дальнейшего расчета воспользуемся значением изгибной жесткости EJ_м из табл. 1, где приведены основные масштабы физических характеристик процессов, протекающих с НИ:

                                                                                              (2)

Для определения масштаба линейных размеров C_l воспользуемся равенством

                                                                                                            (3)

где C_d – безразмерный диаметр; d_м – диаметр модели; d_н – диаметр натурного НИ;l_м – длина модели; l_н – длина натурного НИ;

Все полученные данные подставляем в формулу

На основании формул (2) и (3) определим расчетные значения C_d, C_EJ и изгибную жесткость EJ_н для натурного образца из полиамида d_н = 10 мм (см. табл. 3), для этого воспользуемся экспериментальными данными, часть из которых представлена в табл. 2.

Полученные данные запишем в табличном в виде (табл. 4), где EJ_мрассматривается при диметре штыря (D_м) 2 мм и 10 мм; также необходимо еще раз отметить, что некоторые образцы при малых значениях длины и увеличении диаметра штыря не подвергаются значительному изгибу.

Таблица 4

Расчетные значения изгибной жесткости EJ для каната из полиамида диаметром 10 мм

Окончание табл. 4