海上结构冰载荷的有限元分析和试验研究

发布时间：2020-11-16 00:27

　　 随着人类对河流及海洋的开发和利用,水工及海工建筑物面临的冰害问题日益凸现,其中作为控制因素的冰荷载的确定也成为人们首先重视的问题之一。本文通过采用非线性接触有限单元法与单元生死法相结合进行数学分析与冰力模型试验相结合的方法,探索作用在结构物上冰荷载的数学分析方法。 文中首先概要地介绍了数学分析所涉及的海冰物理力学性质,列举了国际上常用的斜体静冰力计算模型和规范公式,阐述了有限元基本原理和非线性接触分析的概念,使用大型通用有限元软件ANSYS建立海上结构与冰相互作用的数学计算模型,分别对斜面和垂直面结构与冰排作用过程进行模拟。同时以冰与结构作用的冰力模型试验数据为参照,通过数学模型计算结果与模型试验数据进行对比性分析,对数学模型进行调整和改进,并经过模拟计算得到了作用于结构物上冰载荷的较理想结果。 通过理论分析和试验研究相结合,证明数学分析方法的研究与探讨具有可期望的前景。随着工作的进一步深入,建立一种简易、可行、经济的数学分析的方法运用于确定海工及水工结构物冰荷载是可以实现的。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：P731.15
【部分图文】：

为与结构作用重要介质的冰的物理力学性质是在数学分析中建要方面和依据。作为控制冰排破坏的参数——冰的挤压强度和弯标也将作为判断单元生死的准则。在本章将对物理力学性质所涉详细的介绍。冰的结构是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶系，但单个冰寸却有很大不同：它们可能呈片状、粒状或柱状，尺度可以由 1米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”，基面为若干互相平行的平平行方向发生相对位移时，需要破坏的分子结合点的数目明显少移时的情况。这说明当冰的晶格有序排列时，冰的变形和强度是

关注的是第一种作用方式，即大面积冰层整体移动时对结构物产生的作用力以及因此而引起的振动。当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物产生的作用力随冰排的运动而逐渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，它对结构物的作用力也随之达到极值。冰力这种变化过程受控于冰排的破坏类型。所以，冰排自身破坏的类型和过程直接决定着它对结构物作用的模式、过程和作用力的大小。通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有[11]：（l）挤压破坏，如图 2-2(a)所示，冰排在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断续破碎；（2）压屈破坏，如图 2-2(b)所示，大面积冰排与海工结构物接触，冰排由于受压而失稳，首先在桩柱前隆起，然后破坏；（3）纵向剪切破坏，如图 2-2(c)所示，当冰排的剪应力达到强度极限时，产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。＝；（4）弯曲破坏，如图 2-2(d)所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触时，形成受弯的梁或板，最终因弯曲而破坏。

形较大的韧性破坏；当加载速率很快时，没有时间让冰晶体沿边界充分滑移，一旦出现裂缝就马上破坏，这时冰表现为变形较小的脆性破坏；当冰既可能发生韧性破坏又可能发生脆性破坏时，此时的冰处于韧脆转变区。图2-3是某结冰海区S型冰的cσ -ε 试验曲线。从图中可以看到，在韧性区时，cσ 随着ε 的增加而增大；在脆性区时，cσ 随着ε 的增加而急剧减小；在韧脆转变区时，cσ 达到最大值。图 2-3 冰挤压强度cσ 与应变速率ε 的关系在海冰试样与冰温关系的试验研究中发现：海冰的温度越高，抗压强度越小，若温度骤然升高，抗压强度一般会减小 50％以上。盐水体积对海冰的抗压强度也有很大的影响。随着盐水体积的增大，海冰的抗压强度降低。因为，盐水体积增大表明海冰中含有的盐分增多，海冰内的原始微裂缝就增多。根据海冰破坏的裂缝扩展理论
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本文编号：2885394