КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАЛОВОЙ СИСТЕМЫ
Михаил РОЗЕНШТЕЙН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленного рыболовства КГТУ, Калининград

Эффективность работы трала в наибольшей мере зависит от того, насколько его конструкция оказывается приспособленной к облову того или иного вида рыб, соответствует характеру их поведения и распределения в водном пространстве. Между тем, если технические характеристики проектируемого трала, его прочность, требуемая оснастка и так далее могут быть определены расчетным путем, то промысловую характеристику трала — уловистость, отражающую степень его приспособленности к облову соответствующего вида рыб, рассчитать при проектировании не представляется возможным. Таким образом, создание новых, высокоэффективных в эксплуатации тралов и траловых систем в первую очередь упирается в проблему учета известных особенностей поведения и распределения объекта лова в зоне действия рыболовного орудия.

Решение этой проблемы как в нашей стране, так и за рубежом, осуществлялось по двум направлениям. Первое направление связано с конструированием канатно-сетной оболочки трала таким образом, чтобы элементы конструкции учитывали известные данные о поведении рыбы. В этих целях проектировщик на бумаге создавал новую конструкцию трала, которая, по его мнению, наилучшим образом отвечает особенностям поведения соответствующего объекта, а далее следовал длительный этап проверки заложенных конструктивных идей на физических моделях и на натурных головных образцах непосредственно в условиях промысла.

Второе направление родилось на кафедре промышленного рыболовства КГТУ под руководством профессора А.Л. Фридмана, где был разработан метод проектирования тралов по прототипу.

Известно, что элементы конструкций находящихся в эксплуатации тралов были выявлены именно на базе практического учета поведения рыб путем длительного естественного отбора наиболее уловистых орудий. Поэтому совершенно очевидна целесообразность выполнения проекта, опираясь на прототип, т.е. на конструкцию одного из существующих и хорошо себя зарекомендовавших на промысле тралов. Использование достаточно простого и точного математического аппарата теории подобия позволяет не только пересчитать проектные характеристики прототипа на новые условия эксплуатации (другие тяговые возможности судна, иной конструкционный материал, новые требования по запасу прочности и т.д.), но и учесть при расчете их значений новые данные о поведенческих характеристиках рыбы.

Переход на компьютерные технологии проектирования тралов обеспечил существенное развитие методов создания новых орудий рыболовства в обоих указанных направлениях.

В рамках первого направления для расчета канатно-сетной оболочки разработаны ее континуальная (непрерывная) и дискретная модели. В континуальной модели сетная поверхность рассматривается как бесконечно тонкая, идеально гибкая, непрерывная оболочка. Сетная нить представляет собой линию на поверхности, узел является пересечением двух таких линий. Дискретная модель представляет сетную оболочку в виде конструкции шарнирно соединенных стержней (стержень — это сторона ячеи), а узел представляет собой шарнир. В нашей стране большее развитие получила континуальная модель. Дискретные модели сетных орудий лова созданы в Англии, Германии, Дании и в других странах.

Континуальная модель хорошо разработана для поверхностей вращения (осесимметричных), т. е. может быть использована при проектировании разноглубинных тралов, кошельковых неводов, вентерей. Дискретная модель применима и для более сложных случаев, когда конструкция сетного орудия лова рыбы не осесимметрична (донный трал), и ее поверхность представляет собой нерегулярную сеть (т. е. имеет перекосы).

Континуальная модель иллюстрируется в виде мотенной части трала (без крыльев) на рис. 1. На поверхности показанной сетной оболочки проведены линии меридианов и параллелей. К выделенному на этой поверхности элементарному участку с размерами по меридиану dy1 и по параллели dy2 приложены действующие силы (внешние — гидродинамические и внутренние).

На основе этой расчетной схемы составляются дифференциальные уравнения равновесия, решение которых численными методами с помощью компьютера позволяет найти форму сетной оболочки и натяжения в различных ее точках в зависимости от внешней (гидродинамической силы), представленной в виде функции угла атаки сети, и соответствующих начальных условий.

Дискретная модель более сложна, чем континуальная. Связано это с тем, что необходимо составить уравнения равновесия каждого стержня (стороны ячеи). Так, например, в модели, разработанной Морской лабораторией г. Абердина (Англия) с тем, чтобы рассчитать форму донного трала для судна мощностью 600 л.с., необходимо использовать в качестве исходных около 550 величин. Тем не менее и в этих условиях не представляется возможным смоделировать каждую ячею. Сетная часть реального донного трала может состоять из 100 тысяч ячей. Так как необходимо описать несколько параметров для каждого стержня (позиция, нагрузка, соединение и т.д.), то для моделирования всех ячей не хватает машинной памяти. Для ее экономии обычно в передней части трала принимается масштаб от 1:1 (каждая ячея моделируется) до 1:10, а в концевых частях его принимают равным 1:20. Куток обычно заменяют сосредоточенной силой. За счет этого удается свести модель к одной тысяче ячей.

Начало расчета соответствует положению сети в сложенном состоянии. При приложении сил оснастки подбор сеть раскрывается. В процессе раскрытия сети рассчитываются соответствующие гидродинамические и гидростатические силы, действующие на каждую моделируемую ячею, и определяется нагрузка, приложенная к каждой нитке. Под действием этих сил форма меняется, поэтому заново рассчитываются внешние силы и нагрузка. Таким образом, сеть постепенно меняет свою форму и расчет ведется до того момента, когда достигается положение равновесия (все силы оказываются уравновешенными). Для донного трала (буксируемого судном, мощность главного двигателя которого равна 600 л. с.) расчет ведется приблизительно 3 ч, при этом выполняются около 10 тысяч пересчетов формы сети. По результатам расчетов с помощью компьютера вычерчиваются проекции орудия лова (вид сверху, сбоку, спереди) и в изометрии. На рис. 2 в качестве примера показан вид сбоку, а на рис. 3 — половина вида спереди сетной части донного трала, полученные на основе описанной дискретной модели. На указанных рисунках видны все перекосы сети, ее слабина и другие конструктивные недостатки, что не может выявить континуальная модель.

В рамках второго направления разработанные методы расчета проектных характеристик трала требовали программной реализации на персональном компьютере. Для решения этой задачи на кафедре была создана учебно-исследовательская лаборатория САПР техники рыболовства, силами которой были начаты соответствующие исследования и разработки.

Первым результатом работ в этом направлении явилось создание двух программных комплексов: "Обоснование и оптимизация проектных характеристик рыболовных тралов" и "Балансировка траловых досок". Эти программные комплексы экспонировались на Всемирной выставке по рыболовству, проходившей в Копенгагене в 1995 г., и на международной выставке, проходившей в Санкт-Петербурге в 1996 г. Они вызвали большой интерес у представителей ряда ведущих европейских фирм-изготовителей орудий рыболовства и деталей их оснастки, а также фирм, ведущих добычу морепродуктов в Мировом океане.

Первый комплекс компьютерных программ позволяет рассчитать такие значения основных характеристик трала (вертикальное и горизонтальное раскрытие устья, скорость траления, агрегатное сопротивление, шаг ячеи, диаметр ниток и канатов в пластинах орудия), которые, с одной стороны, учитывают особенности поведения и распределения объекта лова (размеры облавливаемых косяков рыбы, дальность их реакции на орудие и его детали), а с другой — обеспечивают их соответствие располагаемой тяге траулера. Именно возможность корректного учета особенностей поведения и распределения объекта лова при обосновании характеристик орудия отличает предлагаемые компьютерные программы от известных до настоящего времени.

Расчет перечисленных характеристик осуществляется с использованием данных трала-прототипа, что гарантирует высокую точность и надежность получаемых результатов.

Рассматриваемый комплекс включает семь основных программ. Первая из них позволяет определить на основании данных о размерах облавливаемых косяков рыб необходимые значения вертикального и горизонтального раскрытия устья трала, обеспечивающие совмещение с желаемой вероятностью его площади с площадью вертикального сечения косяка рыб. Полученные таким образом размеры устья трала определяют необходимые условия поимки косяка.

Следующая программа позволяет рассчитать допустимые варианты сочетания численных значений линейных размеров трала, скорости его буксировки, агрегатного сопротивления, диаметра ниток и канатов (с учетом желаемого запаса прочности), соответствующих располагаемой тяге траулера в заданном диапазоне скоростей траления или линейных размеров орудия.

Из числа полученных допустимых вариантов сочетания указанных характеристик трала может быть найден оптимальный вариант, который обеспечит максимум улова в единицу времени. Для этой цели предназначена одна из программ комплекса.

Четвертая программа позволяет оценить основные характеристики разноглубинного трала, который предполагается эксплуатировать на судне меньшей мощности по сравнению с траулером, где эксплуатировался прототип. Программа рассчитывает такое сочетание значений линейного размера трала и скорости его буксировки, при котором коэффициент уловистости проектируемого орудия будет не меньше, чем у прототипа.

Очередная программа предназначена для определения характеристик глубоководного трала. Она позволяет найти допустимые значения сил сопротивления канатно-сетной части трала, его оснастки и распорных досок, вес последних в воде, при которых достигается заданная глубина траления при ограниченной длине ваеров.

Одна из программ описываемого комплекса позволяет рассчитать и отобразить на экране дисплея пространственную форму ваера, с помощью которого буксируется трал с заданными характеристиками, определить горизонт хода трала, соответствующий заданной длине ваеров, или длину ваеров, при которой будет достигнут заданный горизонт хода, рассчитать горизонтальное раскрытие орудия. Рис. 4 иллюстрирует способ ввода входных данных для решения указанных задач.

И, наконец, последняя программа этого комплекса определяет геометрические и силовые характеристики траловой системы в целом. Она рассчитывает и отображает на экране дисплея горизонт хода траловых досок и трала, горизонтальное раскрытие между досками, сопротивление траловой системы и его элементов: ваера, досок и канатно-сетной части с оснасткой.

Рассматриваемый комплекс программ включает две базы данных:

• · о располагаемой тяге траулеров;
• · о технических характеристиках существующих тралов.

При этом геометрические характеристики трала отображаются на экране дисплея в виде чертежа орудия, в который пользователь может внести любые конструктивные изменения. Объем баз данных может быть изменен и дополнен по желанию пользователя.

Второй программный комплекс рассчитывает по заданным геометрическим и гидродинамическим характеристикам траловой доски ее равновесное положение, сопротивление, распорную и заглубляющую (подъемную) силы, что позволяет определить пространственное положение в воде доски любого типа, т.е. ее углы атаки, крена и дифферента для заданных значений координат точек крепления ваера и кабелей трала. Комплекс позволяет решить и обратную задачу, т.е. рассчитать значения координат точек крепления ваера и кабелей трала, обеспечивающих необходимые величины углов атаки, крена и дифферента. В результате выполнения расчетов приводятся также данные о запасе статической устойчивости траловых досок по углам атаки, крена и дифферента, о действующих на доску моментах относительно всех трех осей координат, о величине действующих на доску сил.

Одна из особенностей рассматриваемого программного комплекса состоит в том, что при расчете положения донной траловой доски учитывается ее реальное взаимодействие с грунтом, т.е. погружение доски в грунт, величина которого зависит от несущей способности грунта, веса доски в воде, геометрических характеристик киля доски.

Для удобства пользователя ввод входных данных о досках сопровождается отображением на экране дисплея видом доски в трех проекциях. Результаты расчетов, помимо традиционной табличной формы представления, визуализированы в виде отображаемых на экране дисплея схем и графиков, что существенно облегчает их восприятие и анализ пользователем.

Оба описанных программных комплекса используются в учебном процессе для подготовки инженеров по промышленному рыболовству. Второй из них был также поставлен в учебные заведения Польши (в Щецинские сельскохозяйственную академию и высшее мореходное училище).

Одна из распространенных задач, решаемых в настоящее время как проектировщиками, так и эксплуатационниками, состоит в согласовании характеристик траулера и других элементов траловой системы: канатно-сетной части трала, деталей оснастки подбор, грузов-углубителей, распорных досок, ваеров. Решается такая задача методом "проб и ошибок" непосредственно в условиях промысла рыбы, что связано с отсутствием аналитических методов расчета и согласования элементов траловой системы.

В этой связи по заказу норвежской фирмы "Marintek" кафедрой разработан алгоритм решения такой задачи, программно реализованный для персонального компьютера.

Центральным блоком алгоритма является расчет силы сопротивления канатно-сетной части трала, выполняемый по специально разработанной методике, которая базируется на данных экспериментов с натурными орудиями и их моделями. Это позволило учесть влияние на значения коэффициентов сопротивления относительной площади траловой сети, циклов ее кройки, коэффициентов посадки, подъемных и заглубляющих сил, создаваемых оснасткой (в том числе — грузами-углубителями), распорных сил, создаваемых траловыми досками. Входные данные для выполнения такого расчета включают геометрические характеристики трала, содержащиеся в его чертеже, и полученные из указанных выше программ, либо назначенные пользователем проектные характеристики трала. При этом предусмотрены два варианта расчета. Первый из них требует введения величины безразмерных подъемных, заглубляющих и распорных сил, раскрывающих устье орудия. В результате программа рассчитывает силу сопротивления канатно-сетной части трала и раскрытие его устья, соответствующее заданным силам. Во втором варианте может быть задано раскрытие устья, а в результате будут получены, помимо силы сопротивления канатно-сетной части трала, требуемые силы его оснастки и распорные силы досок, обеспечивающие заданное раскрытие устья.

Программный комплекс обладает базами данных конструкций разноглубинных и донных тралов, деталей их оснастки и распорных устройств. Они позволяют пользователю, выбирая те или иные детали, составлять схемы оснастки подбор трала, включать в систему определенные грузы-углубители и распорные доски. На рис. 5 показан в качестве примера компьютерный способ оснастки верхней подборы трала.

В результате выполненных программным комплексом расчетов могут быть получены значения силы сопротивления канатно-сетной части трала, соответствующие принятым условиям эксплуатации, силы сопротивления всех выбранных деталей оснастки, а также создаваемые ими подъемные, заглубляющие и распорные силы. Кроме того, дается численная оценка отклонения (рассогласования) заданных пользователем подъемных, заглубляющих и распорных сил от фактически создаваемых выбранными им деталями оснастки.

Для устранения возникшего дисбаланса пользователь может повторить выбор деталей и составление схем оснастки трала. Путем ряда последовательных итерационных операций, выполняемых на основе диалога между пользователем и программой, осуществляется полное согласование характеристик всех элементов траловой системы и определяется возможная скорость траления. Результаты расчета иллюстрируются диаграммой, показанной на рис. 6. Здесь в виде графиков показаны кривые, определяющие располагаемую тягу траулера и сопротивление траловой системы и отдельных ее элементов.

Результаты тестирования программного комплекса свидетельствуют о высокой точности расчета сил сопротивления трала, т.к. отклонение расчетных данных от имеющихся экспериментальных не превышает 5 %.

Программный комплекс включает специальный программный модуль — "Редактор тралов", на котором следует остановиться особо. Он позволяет пользователю выполнять на компьютере все операции конструирования орудий рыболовства, которые выполняются сейчас с помощью карандаша и рейсшины на бумаге, вносить в чертежи тралов любые изменения, т. е. создавать новые конструкции орудий и их техническую документацию. Кроме того, эта программа позволяет определять расход сетных и канатных материалов для постройки тралов, себестоимость их изготовления, выполнять сопутствующие расчеты длин канатов, циклов кройки сетных пластин, их ячейки и т.д. Эта программа может совершенствоваться и вбирать в себя практически все расчеты, выполняемые при работе с канатно-сетной частью трала. Это относится и к остальным элементам траловой системы. На рис. 7 показано диалоговое окно программы "Редактора тралов" для случая создания конструкции донного трала.

Соединение модуля "Редактор тралов" с модулями расчета силовых характеристик всех элементов траловой системы в единый программный комплекс открывает перед пользователями новые возможности, связанные с оценкой влияния конструктивных изменений канатно-сетной части трала на ее сопротивление, на связи с другими элементами, на сопротивление траловой системы в целом. Это новое свойство комплекса делает возможным его использование не только в сфере производственной деятельности проектировщиков и эксплуатационников орудий рыболовства, но и в области подготовки специалистов промышленного рыболовства как техническое средство обучения комплектованию сбалансированных траловых систем.

Этот комплекс был поставлен в отечественные проектные и производственные организации: "МариНПО" (Калининград), "Фишеринг сервис" (Калининград), "Севрыбпроект" (Мурманск). Кроме того, этот комплекс вошел составной частью в программное обеспечение рыбопромыслового тренажера РПТ-2000, созданного конструкторским бюро морской электроники "Вектор" (Таганрог), который будет поставляться в отраслевые высшие и средние учебные заведения.

Описанный программный комплекс наряду с другими программными продуктами, созданными кафедрой, представляет собой очередной шаг в создании системы автоматизированного проектирования (САПР) техники промышленного рыболовства.