海洋结构物作用下海冰破坏模式及冰载荷的离散元分析

发布时间：2020-07-09 16:22

【摘要】：随着人类在寒冷地区的资源开发活动日益频繁,海冰与海洋结构物的相互作用会对结构稳定性和人员安全造成严重威胁。为此,人们开展了针对海冰的物理力学性质及结构冰载荷的大量研究,其主要研究手段包括现场监测、模型试验和理论分析等。近年来,数值模拟方法在海冰与海洋结构相互作用过程的冰载荷计算中也得到了发展。由于海冰具有脆性材料的力学特性,传统的有限元方法难以准确描述海冰的破坏模式。离散元方法被广泛用于岩石、陶瓷、玻璃等脆性材料的破碎过程分析中,而采用具有粘结和失效功能的离散元方法可对海冰破碎、重叠和堆积等动力过程进行有效模拟。此外,采用基于GPU的并行计算技术可提高离散元模拟的计算效率和规模,使该方法可应用于海冰工程的大规模数值模拟中。目前,在离散元方法中建立合理的粘结模型和失效准则以描述海冰在与海洋结构相互作用过程中的力学行为,并揭示海冰破坏模式与结构冰载荷之间的关系,是离散元方法在海冰工程中的重要研究内容。本文采用面向海冰工程的离散元数值方法模拟海冰与海洋结构物间的相互作用过程,开展了离散元方法的粘结和失效准则、针对海冰材料的宏微观参数关系、基于GPU的并行算法等研究,重点分析了不同海洋结构类型和海冰参数下结构冰载荷特性及海冰破坏模式的变化规律。具体的研究工作可分为以下几点:(1)通过具有粘结功能的球体单元构造了海冰模型,分别对球体单元的平行粘结模型、拉剪分区断裂准则、混合断裂准则、线性接触模型和运动方程进行了详细说明,提出了基于GPU并行的离散元算法及其在工程海冰应用中的改进方法。(2)通过模拟海冰单轴压缩试验和三点弯曲试验,建立海冰强度与微观离散元参数之间关系,提出了由海冰的压缩强度和弯曲强度确定离散元颗粒单元间粘结强度及内摩擦系数的计算方法,并根据正交试验原理分析离散元参数对模拟结果的敏感性,确定重要参数的合理取值范围。(3)针对海冰与锥体结构作用过程进行模拟,将结构冰载荷和海冰破坏模式与渤海实测数据及汉堡试验数据进行对比,验证了离散元参数选取方法的可靠性。研究发现海冰与锥体结构相互作用时主要发生弯曲破坏,其破坏过程受到锥体倾斜角度、锥体直径、冰速、冰厚及冰锥作用位置等因素影响,可导致结构冰载荷的变化;从宏观海冰破碎裂纹的产生和扩展及微观颗粒单元间的粘结失效模式两个方面,对海冰破坏模式变化过程进行分析,并提出了锥体静冰力的计算公式。(4)采用拉剪分区断裂准则和考虑损伤的混合断裂准则分别模拟海冰与直立结构作用时海冰的破碎过程,对比结果表明混合断裂准则更适用于海冰挤压破碎过程的模拟。采用该方法研究冰速对其挤压破碎的影响,结果表明海冰在较高冰速下发生脆性挤压破坏,使结构产生随机振动:而在较低冰速下则会发生韧性挤压破坏,使结构产生稳态振动。结合冰载荷、结构振动、海冰与结构的相对运动速度及单元间粘结失效次数的变化特征,揭示了较低冰速下海冰韧脆转变的物理过程。由此说明海冰的挤压破坏过程不仅与自身力学性质有关,还受到结构振动的影响,从而验证了较低冰速下结构稳态振动具有自激振动特性。此外,在海冰与直立结构相互作用过程的离散元模拟中分析了结构上的冰压力分布特性,并深入研究了高压区的产生机理。(5)对核电站取水口浮冰的堆积作用及海冰与核动力浮式平台的相互作用过程进行离散元模拟。根据浮冰的形状特点构建其离散元模型,同时考虑了风和流作用下浮冰在取水口处的堆积过程。采用离散元方法分析了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响,从而对海冰堆积高度进行了合理预判,降低了核电站取水口浮冰堆积造成的阻塞危险。核动力浮式平台在冰区作业时需要具有良好的抗冰性能,采用离散元方法模拟了海冰与其作用过程并分析了平台结构的冰载荷,为结构的抗冰设计提供了合理参考。最后,对海冰与海洋结构物相互作用的离散元分析工作进行了总结,并对后续工作的研究方向进行了展望。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75;P731.15
【图文】：

图１４１逡逑Ｆｉｇ．邋１．６邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｉｃｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ邋ｖｉｂｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑

高压区,挤压破碎,海冰,冰载荷

逦海洋结构物作用下海冰破坏模式及冰载荷的离散元分析逦逡逑位置形成新的高压区，由此高压区内海冰可对结构造成连续冰载荷作用。因此，高压区逡逑多发生与接触面的中线附近且呈线性分布，被称为“线性载荷”（ｌｉｎｅ－ｌｉｋｅ邋ｌｏａｄ）１９ＫＭ。同时，逡逑研宄表明高压区线性分布特性不受结构尺寸及冰厚变化影响，即与海冰和结构接触面尺逡逑寸无关，如图１．］0所示逡逑

海冰,接触面积,压力,经验系数

逦大连理工大学博士学位论文逦逡逑湾、波罗的海、渤海和波弗特海大量现场监测数据的统计分析结果给出。仅限于结构宽逡逑度与冰厚比大于２．０的刚性结构的整体冰压力计算｜９６］：逡逑ｐｇ：Ｃｒ（￣Ｂ邋０逦（Ｌ４）逡逑式中，ｗ为结构宽度（ｍ）；逦为冰厚（ｍ）；邋＆为参考厚度值，大小为ｌｍ；邋Ｗ为经验系数，大逡逑小为－０．］６；？为经验系数，当／？＜］．０１１１时《＝－０．５０邋＋邋／？／５，当／＾１．０１１１时《邋＝邋－０．３０；（：１？为海冰逡逑强度系数（ＭＰａ），其大小受到环境因素影响，并与海冰强度直接相关。ＩＳＯ中给出ＣＲ参考逡逑值，其中波弗特海４邋＝邋２．８，波罗的海心＝１．８。逡逑

【参考文献】