隨著人類對河流及海洋的開發(fā)和利用,水工及海工建筑物面臨的冰害問題日益凸現(xiàn),其中作為控制因素的冰荷載的確定也成為人們首先重視的問題之一。本文通過采用非線性接觸有限單元法與單元生死法相結(jié)合進行數(shù)學(xué)分析與冰力模型試驗相結(jié)合的方法,探索作用在結(jié)構(gòu)物上冰荷載的數(shù)學(xué)分析方法。 文中首先概要地介紹了數(shù)學(xué)分析所涉及的海冰物理力學(xué)性質(zhì),列舉了國際上常用的斜體靜冰力計算模型和規(guī)范公式,闡述了有限元基本原理和非線性接觸分析的概念,使用大型通用有限元軟件ANSYS建立海上結(jié)構(gòu)與冰相互作用的數(shù)學(xué)計算模型,分別對斜面和垂直面結(jié)構(gòu)與冰排作用過程進行模擬。同時以冰與結(jié)構(gòu)作用的冰力模型試驗數(shù)據(jù)為參照,通過數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)進行對比性分析,對數(shù)學(xué)模型進行調(diào)整和改進,并經(jīng)過模擬計算得到了作用于結(jié)構(gòu)物上冰載荷的較理想結(jié)果。 通過理論分析和試驗研究相結(jié)合,證明數(shù)學(xué)分析方法的研究與探討具有可期望的前景。隨著工作的進一步深入,建立一種簡易、可行、經(jīng)濟的數(shù)學(xué)分析的方法運用于確定海工及水工結(jié)構(gòu)物冰荷載是可以實現(xiàn)的。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2007
【中圖分類】：P731.15
【部分圖文】：

為與結(jié)構(gòu)作用重要介質(zhì)的冰的物理力學(xué)性質(zhì)是在數(shù)學(xué)分析中建要方面和依據(jù)。作為控制冰排破壞的參數(shù)——冰的擠壓強度和彎標(biāo)也將作為判斷單元生死的準(zhǔn)則。在本章將對物理力學(xué)性質(zhì)所涉詳細的介紹。冰的結(jié)構(gòu)是一種晶體材料。自然界的冰都屬于對稱的六方晶系，但單個冰寸卻有很大不同：它們可能呈片狀、粒狀或柱狀，尺度可以由 1米。冰晶格的對稱軸垂直于“基面”，基面為若干互相平行的平平行方向發(fā)生相對位移時，需要破壞的分子結(jié)合點的數(shù)目明顯少移時的情況。這說明當(dāng)冰的晶格有序排列時，冰的變形和強度是

關(guān)注的是第一種作用方式，即大面積冰層整體移動時對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用力以及因此而引起的振動。當(dāng)運動的冰排受到結(jié)構(gòu)物阻攔時，對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的作用力隨冰排的運動而逐漸增大，當(dāng)增至足夠大時，冰排自身破壞，它對結(jié)構(gòu)物的作用力也隨之達到極值。冰力這種變化過程受控于冰排的破壞類型。所以，冰排自身破壞的類型和過程直接決定著它對結(jié)構(gòu)物作用的模式、過程和作用力的大小。通常情況下，移動的冰排在結(jié)構(gòu)物前可能產(chǎn)生的破壞類型有[11]：（l）擠壓破壞，如圖 2-2(a)所示，冰排在樁柱的接觸面上因受擠壓而逐塊斷續(xù)破碎；（2）壓屈破壞，如圖 2-2(b)所示，大面積冰排與海工結(jié)構(gòu)物接觸，冰排由于受壓而失穩(wěn)，首先在樁柱前隆起，然后破壞；（3）縱向剪切破壞，如圖 2-2(c)所示，當(dāng)冰排的剪應(yīng)力達到強度極限時，產(chǎn)生與運動方向平行的裂縫，造成冰排破壞。這種破壞容易出現(xiàn)在薄冰中。＝；（4）彎曲破壞，如圖 2-2(d)所示，當(dāng)冰排與具有一定坡度的結(jié)構(gòu)物相接觸時，形成受彎的梁或板，最終因彎曲而破壞。

形較大的韌性破壞；當(dāng)加載速率很快時，沒有時間讓冰晶體沿邊界充分滑移，一旦出現(xiàn)裂縫就馬上破壞，這時冰表現(xiàn)為變形較小的脆性破壞；當(dāng)冰既可能發(fā)生韌性破壞又可能發(fā)生脆性破壞時，此時的冰處于韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)。圖2-3是某結(jié)冰海區(qū)S型冰的cσ -ε 試驗曲線。從圖中可以看到，在韌性區(qū)時，cσ 隨著ε 的增加而增大；在脆性區(qū)時，cσ 隨著ε 的增加而急劇減��；在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)時，cσ 達到最大值。圖 2-3 冰擠壓強度cσ 與應(yīng)變速率ε 的關(guān)系在海冰試樣與冰溫關(guān)系的試驗研究中發(fā)現(xiàn)：海冰的溫度越高，抗壓強度越小，若溫度驟然升高，抗壓強度一般會減小 50％以上。鹽水體積對海冰的抗壓強度也有很大的影響。隨著鹽水體積的增大，海冰的抗壓強度降低。因為，鹽水體積增大表明海冰中含有的鹽分增多，海冰內(nèi)的原始微裂縫就增多。根據(jù)海冰破壞的裂縫擴展理論
【相似文獻】

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本文編號：2885394