【摘要】：隨著人類在寒冷地區(qū)的資源開發(fā)活動日益頻繁,海冰與海洋結(jié)構(gòu)物的相互作用會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和人員安全造成嚴(yán)重威脅。為此,人們開展了針對海冰的物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)冰載荷的大量研究,其主要研究手段包括現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗和理論分析等。近年來,數(shù)值模擬方法在海冰與海洋結(jié)構(gòu)相互作用過程的冰載荷計算中也得到了發(fā)展。由于海冰具有脆性材料的力學(xué)特性,傳統(tǒng)的有限元方法難以準(zhǔn)確描述海冰的破壞模式。離散元方法被廣泛用于巖石、陶瓷、玻璃等脆性材料的破碎過程分析中,而采用具有粘結(jié)和失效功能的離散元方法可對海冰破碎、重疊和堆積等動力過程進(jìn)行有效模擬。此外,采用基于GPU的并行計算技術(shù)可提高離散元模擬的計算效率和規(guī)模,使該方法可應(yīng)用于海冰工程的大規(guī)模數(shù)值模擬中。目前,在離散元方法中建立合理的粘結(jié)模型和失效準(zhǔn)則以描述海冰在與海洋結(jié)構(gòu)相互作用過程中的力學(xué)行為,并揭示海冰破壞模式與結(jié)構(gòu)冰載荷之間的關(guān)系,是離散元方法在海冰工程中的重要研究內(nèi)容。本文采用面向海冰工程的離散元數(shù)值方法模擬海冰與海洋結(jié)構(gòu)物間的相互作用過程,開展了離散元方法的粘結(jié)和失效準(zhǔn)則、針對海冰材料的宏微觀參數(shù)關(guān)系、基于GPU的并行算法等研究,重點分析了不同海洋結(jié)構(gòu)類型和海冰參數(shù)下結(jié)構(gòu)冰載荷特性及海冰破壞模式的變化規(guī)律。具體的研究工作可分為以下幾點:(1)通過具有粘結(jié)功能的球體單元構(gòu)造了海冰模型,分別對球體單元的平行粘結(jié)模型、拉剪分區(qū)斷裂準(zhǔn)則、混合斷裂準(zhǔn)則、線性接觸模型和運動方程進(jìn)行了詳細(xì)說明,提出了基于GPU并行的離散元算法及其在工程海冰應(yīng)用中的改進(jìn)方法。(2)通過模擬海冰單軸壓縮試驗和三點彎曲試驗,建立海冰強(qiáng)度與微觀離散元參數(shù)之間關(guān)系,提出了由海冰的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度確定離散元顆粒單元間粘結(jié)強(qiáng)度及內(nèi)摩擦系數(shù)的計算方法,并根據(jù)正交試驗原理分析離散元參數(shù)對模擬結(jié)果的敏感性,確定重要參數(shù)的合理取值范圍。(3)針對海冰與錐體結(jié)構(gòu)作用過程進(jìn)行模擬,將結(jié)構(gòu)冰載荷和海冰破壞模式與渤海實測數(shù)據(jù)及漢堡試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了離散元參數(shù)選取方法的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)海冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用時主要發(fā)生彎曲破壞,其破壞過程受到錐體傾斜角度、錐體直徑、冰速、冰厚及冰錐作用位置等因素影響,可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)冰載荷的變化;從宏觀海冰破碎裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展及微觀顆粒單元間的粘結(jié)失效模式兩個方面,對海冰破壞模式變化過程進(jìn)行分析,并提出了錐體靜冰力的計算公式。(4)采用拉剪分區(qū)斷裂準(zhǔn)則和考慮損傷的混合斷裂準(zhǔn)則分別模擬海冰與直立結(jié)構(gòu)作用時海冰的破碎過程,對比結(jié)果表明混合斷裂準(zhǔn)則更適用于海冰擠壓破碎過程的模擬。采用該方法研究冰速對其擠壓破碎的影響,結(jié)果表明海冰在較高冰速下發(fā)生脆性擠壓破壞,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)振動:而在較低冰速下則會發(fā)生韌性擠壓破壞,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振動。結(jié)合冰載荷、結(jié)構(gòu)振動、海冰與結(jié)構(gòu)的相對運動速度及單元間粘結(jié)失效次數(shù)的變化特征,揭示了較低冰速下海冰韌脆轉(zhuǎn)變的物理過程。由此說明海冰的擠壓破壞過程不僅與自身力學(xué)性質(zhì)有關(guān),還受到結(jié)構(gòu)振動的影響,從而驗證了較低冰速下結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動具有自激振動特性。此外,在海冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用過程的離散元模擬中分析了結(jié)構(gòu)上的冰壓力分布特性,并深入研究了高壓區(qū)的產(chǎn)生機(jī)理。(5)對核電站取水口浮冰的堆積作用及海冰與核動力浮式平臺的相互作用過程進(jìn)行離散元模擬。根據(jù)浮冰的形狀特點構(gòu)建其離散元模型,同時考慮了風(fēng)和流作用下浮冰在取水口處的堆積過程。采用離散元方法分析了海冰的平均尺寸、密集度及流速三個因素對海冰堆積過程的影響,從而對海冰堆積高度進(jìn)行了合理預(yù)判,降低了核電站取水口浮冰堆積造成的阻塞危險。核動力浮式平臺在冰區(qū)作業(yè)時需要具有良好的抗冰性能,采用離散元方法模擬了海冰與其作用過程并分析了平臺結(jié)構(gòu)的冰載荷,為結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計提供了合理參考。最后,對海冰與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用的離散元分析工作進(jìn)行了總結(jié),并對后續(xù)工作的研究方向進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75;P731.15
【圖文】：

圖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

邐海洋結(jié)構(gòu)物作用下海冰破壞模式及冰載荷的離散元分析邐逡逑位置形成新的高壓區(qū)，由此高壓區(qū)內(nèi)海冰可對結(jié)構(gòu)造成連續(xù)冰載荷作用。因此，高壓區(qū)逡逑多發(fā)生與接觸面的中線附近且呈線性分布，被稱為“線性載荷”（ｌｉｎｅ－ｌｉｋｅ邋ｌｏａｄ）１９ＫＭ。同時，逡逑研宄表明高壓區(qū)線性分布特性不受結(jié)構(gòu)尺寸及冰厚變化影響，即與海冰和結(jié)構(gòu)接觸面尺逡逑寸無關(guān)，如圖１．］0所示逡逑

邐大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑灣、波羅的海、渤海和波弗特海大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果給出。僅限于結(jié)構(gòu)寬逡逑度與冰厚比大于２．０的剛性結(jié)構(gòu)的整體冰壓力計算｜９６］：逡逑ｐｇ：Ｃｒ（￣Ｂ邋０邐（Ｌ４）逡逑式中，ｗ為結(jié)構(gòu)寬度（ｍ）；邐為冰厚（ｍ）；邋＆為參考厚度值，大小為ｌｍ；邋Ｗ為經(jīng)驗系數(shù)，大逡逑小為－０．］６；？為經(jīng)驗系數(shù)，當(dāng)／？＜］．０１１１時《＝－０．５０邋＋邋／？／５，當(dāng)／＾１．０１１１時《邋＝邋－０．３０；（：１？為海冰逡逑強(qiáng)度系數(shù)（ＭＰａ），其大小受到環(huán)境因素影響，并與海冰強(qiáng)度直接相關(guān)。ＩＳＯ中給出ＣＲ參考逡逑值，其中波弗特海４邋＝邋２．８，波羅的海心＝１．８。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2747696