冰场人工冰面受力性能的理论分析和有限元模拟
发布时间：2021-06-22 11:12
2022年冬奥会期间,国家游泳中心比赛大厅将通过可转换结构与制冰系统的拆装实现“水”、“冰”功能转换,满足北京冬奥会和冬残奥会冰壶和轮椅冰壶赛事需求。冰壶比赛过程中冰面不开裂是转换冰场建设的一项重要指标,这就需要对冰层自身受力性能进行深入研究。本文主要针对冰层在使用荷载作用下的受力模式、应力计算模型和计算方法等方面系统进行分析。根据实际的冰场形式和冰上荷载形式,利用有限元分析软件ABAQUS模拟分析,并对结果进行理论分析,分别采用第一强度理论、塑性应变区法及摩尔库伦强度理论公式三种不同的理论进行分析,确定装配式冰场及传统冰场冰面的主要破坏形式。装配式冰场冰面以受弯破坏为主,传统冰场冰面以受压破坏为主。因为装配式冰场冰面以受弯破坏为主,故提出冰场人工冰面最大弯曲拉应力的理论计算公式。人工冰面可以看成是弹性地基上的薄板,浮托于挤塑板之上,冰面厚度与长度、宽度之比较小,冰场人工冰面的最大弯曲拉应力可以用弹性地基上的薄板理论进行求解。结合国内外文献及规范,提出冰场人工冰面最大弯曲拉应力的理论计算公式,并与有限元分析结果进行对比。改变冰面或者挤塑板的相关参数,验证提出公式的准确性。实际在浇筑冰面...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国家游泳中心的场地改造效果图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-载速率的关系[32]。2011年，徐洪宇等对人造多晶冰进行了不同围压和不同温度下的恒定加载速率三轴压缩试验，得到多晶冰三轴压缩的应力-应变曲线，利用摩尔库伦准则分析了围压和温度对强度的影响[33]。2015年，郭颖奎和孟文远为解决冰灾防治研究中冰的力学参数取值问题，测得了冰体在不同温度及不同加载速率下的强度、变形和弹性模量，为冰灾防治和数值模拟等研究提供了参考[34]。2015年，孟闻远和郭颖奎采用试验研究与理论分析相结合的方法，建立了不同条件下冰的本构模型，选用幂强化力学本构模型来描述冰体受力时的应力—应变关系[35]。2016年，郭耀等对人造淡水冰样进行超声波测试，给出了冰样的动态泊松比、动态杨氏模量、剪切模量随温度的变化关系[36]，冰样的力学参数随温度的变化如图1-2所示，结果表明，随着温度的升高，冰洋的泊松比和杨氏模量等逐渐减校图1-2冰的力学性能与温度的关系[36]2017年，单仁亮等采用D-A准则、Teardrop模型解释高压下偏应力与围压之间的非线性关系，综合考虑认为D-A准则更适合描述淡水冰的破坏[37]。2018年，韩红卫等进行了淡水柱状冰的三轴压缩试验，指出淡水柱状冰在复杂应力下的破坏过程可以用摩尔库伦准则来描述，根据摩尔库伦理论可计算出冰
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-的粘聚力和内摩擦角[38]。1.2.2弹性基础薄板理论的研究国内外关于弹性基础薄板理论的研究取得了突破性的进展，为计算冰层的最大弯曲拉应力奠定了基础，弹性基础薄板模型如图1-3所示。图1-3弹性基础薄板模型Wyman[39]在1950年开始对冰上集中荷载进行研究，分析了集中荷载条件下薄板承载力的理论模型。Westergaard[40]在1947年对于均布荷载作用下的薄板理论进行了分析研究，提出了著名的威斯特卡德(Westergaard)极限应力公式，为计算冰层的最大弯曲拉应力奠定了基矗MastersonD.M.[41]在2009年将威斯特卡德极限应力公式用于计算冰面的承载能力，并取得了较好的结果。2019年，EHasrati基于变分正交方法的变分数值方法，对径向载荷作用下位于弹性地基上的圆形和环形薄板的弹性及塑性轴对称屈曲进行分析[42]。认为板的材料表现出以Ramberg-Osgood关系为特征的应变硬化。同样，采用Winkler和Pasternak模型来制定弹性基矗为了实现变分微分正交方法，首先推导了应变率和本构关系的矩阵公式。然后，基于哈密尔顿原理，并使用变分微分正交导数和积分算子，直接获得了问题的离散能量函数。给出了一些数值结果，以研究各种参数的影响，包括厚度与半径之比，弹性模量与名义屈服应力之比，以及弹性基础参数对薄板的弹塑性弯曲的影响。2020年，FarhadA和MahmoudS基于修正耦合应力理论和具有冯·卡曼非线性的一阶剪切变形理论，建立了一个非经典模型，用于在横向载荷下对环扇形薄板进行非线性弯曲分析[43]。该模型通过材料长度比例参数捕获尺寸效果，利用最小总势能原理，得到了平衡方程和边界条件。平衡方程根据广义微分正交方法离散化，并使用牛顿理论求解。通过适当改变环形扇形板的几何参数，将结果扩展到横?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析[J]. 覃霞,刘珊珊,谌亚菁,彭林欣. 力学学报. 2020(01)
[2]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[3]可装拆式冰场钢木组合支撑结构的力学性能研究[J]. 张文元,杨奇勇,余泰西,朱勇军,郑方. 建筑结构. 2018(10)
[4]三向受力条件下淡水冰破坏准则研究[J]. 单仁亮,白瑶,黄鹏程,宋永威,郭祥. 力学学报. 2017(02)
[5]冰力学参数的超声波测试研究[J]. 郭耀,李刚,贾成艳,常天英,崔洪亮,马科夫·阿列克谢. 极地研究. 2016(01)
[6]冰体力学本构模型的构建[J]. 孟闻远,郭颍奎. 水利水电科技进展. 2015(04)
[7]冰的力学性能试验研究[J]. 郭颍奎,孟闻远. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
[8]人造多晶冰三轴压缩强度特性试验研究[J]. 徐洪宇,赖远明,喻文兵,徐湘田,常小晓. 冰川冻土. 2011(05)
[9]河冰力学性能试验研究[J]. 于天来,袁正国,黄美兰. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2009(06)
[10]国际冰研究与工程专业委员会及冰工程学术讨论会简介[J]. 李桂芬. 冰川冻土. 2003(S2)
博士论文
[1]冰单轴压缩强度与影响因素试验研究[D]. 张丽敏.大连理工大学 2012
[2]内河冰凌力学性能及其对桥墩撞击力作用的研究[D]. 袁正国.东北林业大学 2010
硕士论文
[1]巴西试验法测定冰力学性质的可靠性研究[D]. 肖赞.大连理工大学 2017
[2]可装拆式冰壶球场地冰面支承结构的力学性能研究[D]. 余泰西.哈尔滨工业大学 2017
[3]冰载荷的塑性极限分析[D]. 杨伟.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3242732
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国家游泳中心的场地改造效果图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-载速率的关系[32]。2011年，徐洪宇等对人造多晶冰进行了不同围压和不同温度下的恒定加载速率三轴压缩试验，得到多晶冰三轴压缩的应力-应变曲线，利用摩尔库伦准则分析了围压和温度对强度的影响[33]。2015年，郭颖奎和孟文远为解决冰灾防治研究中冰的力学参数取值问题，测得了冰体在不同温度及不同加载速率下的强度、变形和弹性模量，为冰灾防治和数值模拟等研究提供了参考[34]。2015年，孟闻远和郭颖奎采用试验研究与理论分析相结合的方法，建立了不同条件下冰的本构模型，选用幂强化力学本构模型来描述冰体受力时的应力—应变关系[35]。2016年，郭耀等对人造淡水冰样进行超声波测试，给出了冰样的动态泊松比、动态杨氏模量、剪切模量随温度的变化关系[36]，冰样的力学参数随温度的变化如图1-2所示，结果表明，随着温度的升高，冰洋的泊松比和杨氏模量等逐渐减校图1-2冰的力学性能与温度的关系[36]2017年，单仁亮等采用D-A准则、Teardrop模型解释高压下偏应力与围压之间的非线性关系，综合考虑认为D-A准则更适合描述淡水冰的破坏[37]。2018年，韩红卫等进行了淡水柱状冰的三轴压缩试验，指出淡水柱状冰在复杂应力下的破坏过程可以用摩尔库伦准则来描述，根据摩尔库伦理论可计算出冰
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-的粘聚力和内摩擦角[38]。1.2.2弹性基础薄板理论的研究国内外关于弹性基础薄板理论的研究取得了突破性的进展，为计算冰层的最大弯曲拉应力奠定了基础，弹性基础薄板模型如图1-3所示。图1-3弹性基础薄板模型Wyman[39]在1950年开始对冰上集中荷载进行研究，分析了集中荷载条件下薄板承载力的理论模型。Westergaard[40]在1947年对于均布荷载作用下的薄板理论进行了分析研究，提出了著名的威斯特卡德(Westergaard)极限应力公式，为计算冰层的最大弯曲拉应力奠定了基矗MastersonD.M.[41]在2009年将威斯特卡德极限应力公式用于计算冰面的承载能力，并取得了较好的结果。2019年，EHasrati基于变分正交方法的变分数值方法，对径向载荷作用下位于弹性地基上的圆形和环形薄板的弹性及塑性轴对称屈曲进行分析[42]。认为板的材料表现出以Ramberg-Osgood关系为特征的应变硬化。同样，采用Winkler和Pasternak模型来制定弹性基矗为了实现变分微分正交方法，首先推导了应变率和本构关系的矩阵公式。然后，基于哈密尔顿原理，并使用变分微分正交导数和积分算子，直接获得了问题的离散能量函数。给出了一些数值结果，以研究各种参数的影响，包括厚度与半径之比，弹性模量与名义屈服应力之比，以及弹性基础参数对薄板的弹塑性弯曲的影响。2020年，FarhadA和MahmoudS基于修正耦合应力理论和具有冯·卡曼非线性的一阶剪切变形理论，建立了一个非经典模型，用于在横向载荷下对环扇形薄板进行非线性弯曲分析[43]。该模型通过材料长度比例参数捕获尺寸效果，利用最小总势能原理，得到了平衡方程和边界条件。平衡方程根据广义微分正交方法离散化，并使用牛顿理论求解。通过适当改变环形扇形板的几何参数，将结果扩展到横?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析[J]. 覃霞,刘珊珊,谌亚菁,彭林欣. 力学学报. 2020(01)
[2]河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究[J]. 韩红卫,解飞,汪恩良,张栋. 水利学报. 2018(10)
[3]可装拆式冰场钢木组合支撑结构的力学性能研究[J]. 张文元,杨奇勇,余泰西,朱勇军,郑方. 建筑结构. 2018(10)
[4]三向受力条件下淡水冰破坏准则研究[J]. 单仁亮,白瑶,黄鹏程,宋永威,郭祥. 力学学报. 2017(02)
[5]冰力学参数的超声波测试研究[J]. 郭耀,李刚,贾成艳,常天英,崔洪亮,马科夫·阿列克谢. 极地研究. 2016(01)
[6]冰体力学本构模型的构建[J]. 孟闻远,郭颍奎. 水利水电科技进展. 2015(04)
[7]冰的力学性能试验研究[J]. 郭颍奎,孟闻远. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
[8]人造多晶冰三轴压缩强度特性试验研究[J]. 徐洪宇,赖远明,喻文兵,徐湘田,常小晓. 冰川冻土. 2011(05)
[9]河冰力学性能试验研究[J]. 于天来,袁正国,黄美兰. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2009(06)
[10]国际冰研究与工程专业委员会及冰工程学术讨论会简介[J]. 李桂芬. 冰川冻土. 2003(S2)
博士论文
[1]冰单轴压缩强度与影响因素试验研究[D]. 张丽敏.大连理工大学 2012
[2]内河冰凌力学性能及其对桥墩撞击力作用的研究[D]. 袁正国.东北林业大学 2010
硕士论文
[1]巴西试验法测定冰力学性质的可靠性研究[D]. 肖赞.大连理工大学 2017
[2]可装拆式冰壶球场地冰面支承结构的力学性能研究[D]. 余泰西.哈尔滨工业大学 2017
[3]冰载荷的塑性极限分析[D]. 杨伟.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3242732
本文链接：https://www.wllwen.com/jianzhugongchenglunwen/3242732.html
