冰的力學(xué)性能及其與結(jié)構(gòu)相互作用力問題的研究.pdf

1、冰的力學(xué)變形機(jī)理以及它與結(jié)構(gòu)相互作用力問題的研究是力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究的重要課題。隨著寒冷地帶海洋石油資源的開發(fā)，冰對(duì)海洋結(jié)構(gòu)作用越來越受到工程界的關(guān)注。 當(dāng)冰撞擊海洋平臺(tái)時(shí)，它們之間產(chǎn)生的力是依賴于冰和結(jié)構(gòu)的相互作用的過程。這種作用一方面取決于冰板的整體動(dòng)量(受風(fēng)、海流的影響)，另一方面與冰的力學(xué)性能即冰的屈服強(qiáng)度和破壞形式(破碎、開裂)有關(guān)。因而，由冰的破壞形式所確定的冰的破壞力是冰和結(jié)構(gòu)相互作用力研究的基礎(chǔ)工作之一。從力學(xué)的角度

2、研究，冰的破壞力為結(jié)構(gòu)的承載提供了設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和為結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性的計(jì)算提供了邊界條件和初始條件。但由于冰的力學(xué)特征是十分復(fù)雜的，隨著冰試樣的選取地點(diǎn)、方式的不同、含鹽量、含雜質(zhì)的程度、溫度以及冰結(jié)晶的方位取向不同，而顯示出不同的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，從而增加了所研究問題的復(fù)雜性。 在以往的設(shè)計(jì)中，人們都是采用由實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，使得設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的局限性。隨著人們對(duì)寒冷地區(qū)進(jìn)一步的開發(fā)，工程界越來越希望在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，

3、研究冰的力學(xué)性能，構(gòu)造冰變形的本構(gòu)模型，分析冰的力學(xué)變形機(jī)理以及它與結(jié)構(gòu)相互作用力，從而，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)海洋結(jié)構(gòu)進(jìn)行更合理、更可靠的工程設(shè)計(jì)。 圍繞著冰的力學(xué)變形機(jī)理以及它與結(jié)構(gòu)相互作用力問題，根據(jù)渤?，F(xiàn)場觀測的海冰的破壞形式以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)資料，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)的研究方法，本文開展如下工作： 1.采用彈塑性理論研究了具有柱狀結(jié)晶構(gòu)造的海冰的SD效應(yīng)。采用的分區(qū)構(gòu)造方法給出應(yīng)力場的構(gòu)造，給出了冰荷載的塑

4、性極限壓力，與Ralston的結(jié)果相比較，采用的方法簡便易行，并能清楚地看出塑性應(yīng)力場的分布，易于給出冰的開裂方向，從而為解決冰與結(jié)構(gòu)的相互作用力問題提供了有益的方法。 2.采用斷裂力學(xué)理論，給出了海冰存在混合型裂紋時(shí)，起始裂紋尖端附近的宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的分布。討論冰的材料參數(shù)——壓力敏感性參數(shù)(SD效應(yīng))對(duì)裂紋尖端附近的宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的影響，可以為冰的斷裂強(qiáng)度的確定提供參考依據(jù)。 3.采用彈塑性理論研究了海冰對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)(

5、包括海上平臺(tái)的柱腳，橋墩等)相互作用。在海冰呈現(xiàn)擠壓破壞時(shí)，給出平臺(tái)的柱腳附近冰材料發(fā)生彈塑性變性的應(yīng)力和應(yīng)變場，討論冰的壓力敏感性參數(shù)對(duì)宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的影響，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出理論參考依據(jù)。 4.冰的力學(xué)特征的復(fù)雜性是由于它本身的細(xì)觀結(jié)構(gòu)所造成的(含鹽量、含雜質(zhì)的不同、顆粒的大小、結(jié)晶取向)。因而采用細(xì)觀模型分析冰的變形與破壞機(jī)理，建立細(xì)觀和宏觀變形之間的關(guān)系，構(gòu)造合理的本構(gòu)模型，為工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，是當(dāng)前冰力學(xué)和海洋工程研