基于近场动力学的冰下爆炸破冰数值模拟研究

发布时间：2020-11-09 17:25

　　在全球变暖的这一大背景下,极地的开发(不论是资源,航运还是军事战略等方面)成为可能,同时在我国高纬度高寒地区频繁的发生冰凌现象,这类灾害不仅危害到人民的财产安全甚至会危及到人们的人身安全。冰下爆炸破冰方法作为一个能够有效除去大块冰盖的破冰方法,其在河道疏通等开河运用,以及开辟北极航道等运用都具有很好作用效果,因此对于冰下爆炸破冰的研究有着重大的经济,政治和社会与安全意义。对于这个领域的研究,目前主要采用实验方法和数值计算的方法进行研究。数值方法研究成本低廉,安全性高,受到国内外研究学者青睐。然而广泛应用的数值模拟方法传统有限元法在处理断裂问题时存在不足,在一定程度上限制了冰下爆炸破冰的研究。近场动力学方法是一种新兴的无网格法,是连续介质力学的一种重构,能够很好的解决连续问题,同时不同于传统有限元法,近场动力学的基本方程采用的是积分形式的,故它在求解断裂问题时和裂纹扩展问题时也具有很大的优势。本文基于近场动力学方法处理断裂问题的优势,将其运用于冰下爆炸破冰的研究中。研究的主要内容如下:首先对近场动力学理论和数值计算方法展开了详细的阐述。并分别从静态问题和动态问题对该方法进行了验证,通过对各向同性二维板的拉伸变形,刚性球冲击板板的变形,以及预置斜裂纹的裂纹扩展采用近场动力学的方法进行模拟,将结果与解析解和有限元作对比来进行验证。然后分析了冰材料的特性及其物理力学性质,根据冰材料具有韧脆转化的特性,在受到高应变率作用时表现为脆性,在低应变率下表现出韧性。针对冰下爆炸破冰这类高应变率的问题,得出近场动力学形式的冰材料的弹脆性的本构模型,并建立了相关的近场动力学数值离散模型为冰下爆炸破冰的研究做准备。对冰下爆炸过程进行了阐述,分析过程中所涉及的载荷形式。并就目前国内外对冰下爆炸破冰的研究存在的不足即大部分研究只考虑了冰下爆炸载荷冲击波部分作用,而未考虑气泡作用,提出了几种气泡加载的方式如球状气泡载荷和镜像气泡载荷。并将其与冲击波联合作用,从而使冰下爆炸载荷的研究更完整全面。将这类载荷加载到近场动力学模型中进行数值模拟计算,得到冰层的动态响应和破坏效应。通过将这些载荷模拟所得结果与实验作对比得出最佳的载荷方式,得到载荷输出,也验证了方法在冰下爆炸破冰研究的适用性。最后从冰层厚度和爆炸距离这两个因素对冰面破坏模式和规律进行了探究和分析。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV875
【部分图文】：

示意图,防凌,示意图,冰凌灾害

图ｉ．ｉ河道冰坝图示??当上游河段未结冰的河水流向下游发生河水冻结的河段时，下游冻结的河段很容易??造成冰凌灾害发生，且冰凌灾害发生的频率很高且灾情严重。当我国进入改革开放以后，??经济建设不断加强，黄河流域附近的人口也不断增加。但是冰凌情况仍然是每年都会发??生，由此造成黄河流域洪水决堤的事故，例如２００１年发生在内蒙古磴口县由凌汛造成的??决堤，严重地危害到人民的财产和生命安全［５］。因此，防御和治理凌汛灾害是有着重大??意义的，对其采取相应的有效措施也是势在必行的。现如今，对于防治冰凌灾害的有效??措施主要有：修建堤坝防凌，水库防凌以及破冰防凌等。其中冰下爆炸破冰防凌是一种??最快捷效果最明显的方法。故而，爆炸破冰的研究是非常有必要有意义的。图１．２为??黄河防凌人工炸冰图。??

引爆方式,破冰,主药,破口

诱导角度）对自由面发生作用。而不是以垂直的方向对冰层施加作用这类引爆方式会炸出面积比较大的自由水面，因为它能够使爆炸产生层破坏区域以外的地方。Ｎｉｋｏｌａｙｅｖ开展了一些实验对这类引爆方式过分析实验数据得出了一些使爆炸破冰效果最好的参数值，如最佳辅主药包的０．２倍，主要包的最佳放置位置应该为２．１米，主药包与辅助时间最佳值为０．０２５秒，最佳诱导角度为４５度｜｜２１。但是Ｎｉｋｏｌａｙｅｖ开很多不足之处，比如由于诸多原因，实验中未用到控制变量的方法使参数之间的影响关系。另外，上述所得的最佳参数是在一定实验环境适用于其它环境还有待考察。??３年和２０１６年Ｏｒｌｏｖ?Ｍ．Ｙｕ等人分别在俄罗斯的托姆斯克城附近和博实验基地对冰下爆炸破冰进行了实验研宂，在冰厚为８０厘米和覆雪米的冰盖处，采用３．２５千克的ＴＮＴ炸药进行了多组冰下爆炸实验，破口直径大约为２００厘米和２０１６破口直径大约为５７０厘米的实验数下图所示：?????

破冰,历程