Теоретические и экспериментальные исследования удельной энергии механического разрушения морского льда

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДЕЛЬНОЙ

ЭНЕРГИИ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА

, к.т.н., доцент,

Дальневосточный государственный технический университет,

Владивосток, Россия

АБСТРАКТ

Данная работа посвящена исследованию энергетической характеристики прочности морского льда e_q, которая адекватно учитывает физические свойства и механизм его разрушения при динамическом внедрении в него твёрдого тела. Предложена математическая модель, описывающая процесс разрушения морского льда на контакте  с поверхностью твёрдого тела. Модель основана на допущениях о циклическом процессе послойного разрушения полупространства из льда при внедрение в него жёсткого тела.

Приведены результаты экспериментальных исследований, которые  подтвердили гипотезу о циклическом характере процесса разрушения массива льда в месте контакта.

Показано, что величина e_q может рассматриваться в качестве постоянной величины для морского льда и использоваться в расчётах нагрузки на морские гидротехнические сооружения в качестве прочностной характеристики льда.

Ключевые слова: морской лёд; внедрение твёрдого тела; математическая модель; механизм циклического разрушения; энергетическая характеристика прочности; результаты экспериментального определения.

ВВЕДЕНИЕ

Натурные наблюдения разрушения льда в месте контакта движущегося ледяного поля с вертикальной гранью опорной конструкции инженерного сооружения показывают, что этот процесс, имеющий динамический характер, может развиваться различно, что зависит от нескольких факторов: температуры льда, толщины и площади ледяного поля, а также скорости его движения [25]. Одним из вариантов развития процесса взаимодействия льдины с опорой сооружения при определённых соотношениях указанных факторов может быть раскалывание льдины, в других случаях происходит прорезание льдины опорой сооружения, иногда льдина останавливается у сооружения. Но во всех случаях взаимодействия льдины с сооружением в месте их контакта происходит разрушение льда. В соответствии с методикой расчёта максимального значения величины ледовой нагрузки на сооружение за расчётное значение нагрузки на единицу рабочей поверхности опоры сооружения принимается предельное значение величины давления льда, при котором он разрушается. Это значит, что показатель прочности льда является базовой величиной для определения ледовой нагрузки на сооружения.

В настоящее время стандартная характеристика прочности льда – значение прочности льда, вычисляемое из опыта по разрушению его кубических образцов при их испытании на одноосное сжатие. Эта характеристика – «кубиковая прочность» - широко применяется в проектной практике всех стран. Принято считать, что в этом случае предел прочности материала образца количественно описывает уровень прочности связей внутренней структуры этого материала разрушению. Он определяется значением отношения силы, вызвавшей разрушение кубического образца к значению площади поперечного сечения образца s_пр = Р / F. Но, как известно, эта величина является условной, косвенной характеристикой прочности материала, потому что кубический образец при этом методе испытаний работает как конструкция [1, 2, 5, 20], а материал кубического образца при таком методе испытаний разрушается от действия поперечных деформаций и деформаций сдвига, которые приводят к растрескиванию образца. Этот феномен стал очевиден с появлением теории Гриффитса и с развитием механики трещин.

В последние годы стал развиваться метод определения показателей «вязкости разрушения» для различных материалов[7, 19, 20]. Он основан на исследовании развития единичной трещины в специальном образце из этого материала. Характеристиками трещиностойкости принято считать две величины G_1c  и К_1с . Безусловно, эти величины могут рассматриваться в качестве прочности материала, так как они характеризуют затраты энергии, необходимые для механического разрыва внутренних связей материала и развития трещины. Но, следует учитывать, что среди множества природных и искусственных конструкционных материалов большая их часть - неоднородные материалы, имеющие нерегулярную структуру с дефектами, инородными включениями, замкнутыми и открытыми порами и т.д. Поэтому в реальных условиях разрушение элементов конструкций из различных материалов происходит при одновременном развитии множества трещин, развивающихся в местах концентрации напряжений на границах включений, пор и структурных неоднородностей материала и формирующих макротрещину.

Постановка   цели   исследования

Морской лёд также не является «идеальным» материалом и состоит из отдельных кристаллов различной формы и размеров, а также содержит ячейки рассола, воздушные включения и механические примеси. Поэтому при исследовании прочности морского льда следует говорить как об интегральной характеристике прочности, включающей в себя структурную прочность (связи между его компонентами), так и прочность кристаллической решётки не солёного льда.