глава 3. Феноменологическая модель процесса разрушения ледяной плиты на контакте с сооружением
Для целей усталостного расчета конструкций МЛП важное значение имеет учет циклического изменения ледовой нагрузки, которое возникает при хрупком характере разрушения ледяных полей на контакте с сооружением. Расчеты на усталость выполняют на основе определенной информации о характеристиках режима нагружения конструкций: количестве циклов нагружения, уровней нагрузок, связи между уровнем нагрузки и количеством циклов. В случае вероятностной постановки и оценки надежности сооружений необходимы вероятностные характеристики распределений параметров режима нагружения.
Поэтому необходимо исследовать именно циклический режим изменения ледовой нагрузки с целью определения параметров многоциклового процесса воздействия ледяного покрова на сооружение, т.е. учесть изменчивость ледовой нагрузки в «малом» временном масштабе. При этом, как отмечалось выше, достаточно рассмотреть воздействие только ровных ледяных полей, которые вносят основной вклад в общее количество циклов нагружения.
Изучение контактной задачи воздействия движущейся ледяной плиты с опорой сооружения посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований, основной целью которых было раскрытие закономерностей формирования величины ледовой нагрузки. Значительно меньше работ ставили целью изучение процесса изменения силы во времени, т.е. ледовой нагрузки как случайного процесса. Как отмечалось выше, именно знание вероятностных характеристик ледовой нагрузки при решении контактной задачи позволяет оценить ее изменчивость в «малом» масштабе.
Ниже дается обзор исследований воздействия ледяных плит на модели вертикальных опор сооружений. При этом не рассматриваются динамические постановки, т.е. случаи, когда сооружение вовлекается в колебательное движение динамическим воздействием движущихся ледяных полей. Такой подход может быть обоснован целью наших исследований.
Действительно, анализ динамических колебаний сооружения под действием дрейфующих ледяных полей показывает, что период колебаний близок к их собственному периоду и определяется периодом разрушения ледяного поля на контакте. Последний же зависит от геометрических параметров ледяного поля и сооружения, прочностных параметров льда, скорости движения поля. Если период разрушения ледяной плиты на контакте совпадает или будет близок к периоду собственных колебаний сооружения, последнее будет вовлечено в колебательное движение.
Основное внимание уделено экспериментальным исследованиям, так как в силу недостаточной изученности морского льда как материала и сложных граничных условий теоретические методы не позволяют в настоящее время получить приемлемое решение задачи.
3.1. Результаты исследований процесса контактного
взаимодействия дрейфующих ледяных полей с сооружением
Первые экспериментальные работы по исследованию контактной задачи для морского льда основывались на аналогии с определением твердости металлов. В основном рассматривались ударники сферической и конической формы [185, 187, 200]. Результаты исследований использовались для определения прочности льда и позволили хорошо изучить и классифицировать физические процессы, происходящие при разрушении льда. Среднее контактное давление и прочность вычислялись на основе удельной энергии разрушения, которая была предложена в качестве энергетической прочностной характеристики льда. Но данный подход не давал распределения контактных давлений.
С начала семидесятых за рубежом в связи со строительством в Арктике первого сооружения (грунтового острова) в 1972г., начались интенсивные исследования льда как материала и взаимодействия ледяного покрова с сооружением. Викс и Ассур [437] на основании проведенных лабораторных опытов установили, что прочность на сжатие обратно пропорциональна корню квадратному от площади разрушения. Мишель и Туссайнт [342] предположили, что масштабный эффект относится только к малым контактным площадям, когда размер зерен сравним с площадью нагружения. Ряд мелкомасштабных экспериментов были проведены для изучения влияния масштабного эффекта на прочность льда [297].
Для изучения физического процесса воздействия льда на отдельную опору, выявления основных закономерностей разрушения льда, а также для построения математических моделей, выполняются модельные опыты в ледовых бассейнах, мелко- и крупномасштабные эксперименты на ледяном покрове с использованием специальных инденторов (плоских щитов или цилиндров). Результаты исследований нашли отражение в большом количестве работ [13, 164, 268, 270, 284, 291, 292, 295, 305, 318, 342, 345, 346, 352, 356, 357, 413, 446].
Экспериментальные данные показали, что поле напряжений вблизи индентора характеризуется большими градиентами, приводящими к интенсивному трещинообразованию. Лед в зоне разрушения состоит из мелкой сетки сдвиговых трещин с быстро увеличивающейся плотностью по направлению к контакту. Термин «сдвиговые трещины» использовался потому, что микротрещины совпадают с изолиниями максимальных сдвигов получаемыми из расчета в упругой постановке.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
