冰的力學性能及其與結構相互作用力問題的研究.pdf

1、冰的力學變形機理以及它與結構相互作用力問題的研究是力學領域內(nèi)研究的重要課題。隨著寒冷地帶海洋石油資源的開發(fā)，冰對海洋結構作用越來越受到工程界的關注。 當冰撞擊海洋平臺時，它們之間產(chǎn)生的力是依賴于冰和結構的相互作用的過程。這種作用一方面取決于冰板的整體動量(受風、海流的影響)，另一方面與冰的力學性能即冰的屈服強度和破壞形式(破碎、開裂)有關。因而，由冰的破壞形式所確定的冰的破壞力是冰和結構相互作用力研究的基礎工作之一。從力學的角度

2、研究，冰的破壞力為結構的承載提供了設計的基本參數(shù)和為結構的安全穩(wěn)定性的計算提供了邊界條件和初始條件。但由于冰的力學特征是十分復雜的，隨著冰試樣的選取地點、方式的不同、含鹽量、含雜質(zhì)的程度、溫度以及冰結晶的方位取向不同，而顯示出不同的應力—應變關系，從而增加了所研究問題的復雜性。 在以往的設計中，人們都是采用由實驗得出的數(shù)據(jù)，總結出經(jīng)驗公式，使得設計具有很強的局限性。隨著人們對寒冷地區(qū)進一步的開發(fā)，工程界越來越希望在實驗的基礎上，

3、研究冰的力學性能，構造冰變形的本構模型，分析冰的力學變形機理以及它與結構相互作用力，從而，從理論和實驗兩方面對海洋結構進行更合理、更可靠的工程設計。 圍繞著冰的力學變形機理以及它與結構相互作用力問題，根據(jù)渤?，F(xiàn)場觀測的海冰的破壞形式以及相關的實驗資料，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學和細觀力學的研究方法，本文開展如下工作： 1.采用彈塑性理論研究了具有柱狀結晶構造的海冰的SD效應。采用的分區(qū)構造方法給出應力場的構造，給出了冰荷載的塑

4、性極限壓力，與Ralston的結果相比較，采用的方法簡便易行，并能清楚地看出塑性應力場的分布，易于給出冰的開裂方向，從而為解決冰與結構的相互作用力問題提供了有益的方法。 2.采用斷裂力學理論，給出了海冰存在混合型裂紋時，起始裂紋尖端附近的宏觀應力應變場的分布。討論冰的材料參數(shù)——壓力敏感性參數(shù)(SD效應)對裂紋尖端附近的宏觀應力應變場的影響，可以為冰的斷裂強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平臺結構(

5、包括海上平臺的柱腳，橋墩等)相互作用。在海冰呈現(xiàn)擠壓破壞時，給出平臺的柱腳附近冰材料發(fā)生彈塑性變性的應力和應變場，討論冰的壓力敏感性參數(shù)對宏觀應力應變場的影響，為結構的設計提出理論參考依據(jù)。 4.冰的力學特征的復雜性是由于它本身的細觀結構所造成的(含鹽量、含雜質(zhì)的不同、顆粒的大小、結晶取向)。因而采用細觀模型分析冰的變形與破壞機理，建立細觀和宏觀變形之間的關系，構造合理的本構模型，為工程設計提供可靠依據(jù)，是當前冰力學和海洋工程研