（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海上结构冰载荷的有限元分析和试验研究.pdf

中文摘要 随着人类对河流及海洋的开发和利用，水工及海工建筑物面临的冰害问题日 益凸现，其中作为控制因素的冰荷载的确定也成为人们首先重视的问题之一。本 文通过采用非线性接触有限单元法与单元生死法相结合进行数学分析与冰力模 型试验相结合的方法，探索作用在结构物上冰荷载的数学分析方法。 文中首先概要地介绍了数学分析所涉及的海冰物理力学性质，列举了国际上 常用的斜体静冰力计算模型和规范公式，阐述了有限元基本原理和非线性接触分 析的概念，使用大型通用有限元软件a n s y s 建立海上结构与冰相互作用的数学计 算模型，分别对斜面和垂直面结构与冰排作用过程进行模拟。同时以冰与结构作 用的冰力模型试验数据为参照，通过数学模型计算结果与模型试验数据进行对比 性分析，对数学模型进行调整和改进，并经过模拟计算得到了作用于结构物上冰 载荷的较理想结果。 通过理论分析和试验研究相结合，证明数学分析方法的研究与探讨具有可期 望的前景。随着工作的进一步深入，建立一种简易、可行、经济的数学分析的方 法运用于确定海工及水工结构物冰荷载是可以实现的。 关键词：海上结构冰力模型试验数学分析有限单元法接触分析单元生死 a bs t r a c t a sp e o p l e se x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no f r i v e ra n do c e a n ，t h eh 锄o f t h ei c eo n t h ew a t e ra n do c e a ns 仇l c t l 】【r ei sm o r ga n dm o r en o t a b l e ，a n dt h ec a l c u l a t i n go fi c e l o a di s b e c o m i n go n eo f t h ef i r s tr e g a r d e dp r o b l e m s i nt h i sp a p e r , t h ec o m b i n a t i o n u e so ft h en o n l i n e a rc o n t a c tp a t t e r n su s i n gf - 血t ee l e m e n tw i t he l e m e n tl i v e & d e a t ha n d i c em o d e lt e s t sw i l lb eu s e dt oa n a l y z et h ei c ef o r c eo ns t l l l c t i l i - e 髓ep a p e ri n t r o d u c e dt h em e c h a n i cc h a r a c t e r sw h i c hi sr e l a t et om a t h e m a t i c a l a n a l y s i so fi c ea tf i r s ta n dd i s c u s s e ss e v e r a lm e c h a n i s mm o d e l sa n dt h ef o r m u l a c a l c u l a t i o ni np r o f e s s i o nc r i t e r i o no fi c e1 0 a do nt h eo f f s h o r es t r u c t u r e a c c o r d i n gt o t h ef i n i t ee l e m e n ta n dn o n l i n e a rc o n t a c tt h e o r y , u s i n gt h ea n s y s ，am a t h e m a t i c a l p a t t e r no fi c e - o f f s h o r ei n t e r a c t i o nc a nb ec r e a t e d , a n dt h ea c t i o np r o c e s s e sb e t w e e ni c e c o v e ra n d s l o p i n gs 舡u c t u r ea n du p r i g h t n e s ss t m c t l l r ea r es i m u l a t e ds e p a r a t e l y a tt h e s a l l l et i m e t h ei c em o d e lt e s t sa r ec a r r i e do u t t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sa d j u s t e d a n di m p r o v e dc o n s u l tt h em o d e lt e s tr e s u l t ，a n dt h eg o o dr e s u l to ft h ei c el o a do n s 仇l c t u r ei sg a i n e db ys i m u l a t i o nc o m p u t e 黝t h ec o m b i n a t i o na n a l y s i so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t , i ti sp r o v e dt h a tt h e r e s e a r c hb ym a t h e m a t i c a lm e t h o dh a se x p e c t i o nf o r e g r o u n d as i m p l e ，d o a b l e ， e c o n o m i c a lm a t h e m a t i c a la n a l y s i sm e t h o dt h a ti su s e df o rc a l c u l a t i n gt h ei c el o a do n o c e a na n dw a t e rs t r u c t u r ec a nb ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：o f f s h o r es t r u c t u r e ，i c ef o r c e ，m o d e lt e s t ，m a t h e m a t i c a lp a t t e m ， f m i t ee l e m e n t ，c o n t a c ta n a l y s i s ，e l e m e n tl i v e & d e a t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者主名：孙益。荔 签字日期： 又7年月工f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 7 灭i 学位论文作者签名：刁，卜垒- ，初 导师签名： 签字日期：工7 年j 月zf 日签字日期：u 7 年f 月 - - 1 日 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 第一章绪论 1 1 冰与结构作用问题研究的迫切性 位于寒冷海域的海工结构物，冰载荷往往是其控制载荷之一，随着海洋开发 事业，特别是海洋油气资源开发事业的迅速发展，各种港口设施和海上结构物相 继出现，如何确定海冰对结构物的作用方式及作用力的大小，就显得尤为重要。 在高纬度海区，海冰是所有海洋水文气象要素中，对航运交通和海洋开发等影响 最严重的一个因素，它不仅封锁港口、堵塞航道，中断交通运输，还会压损港工 设施，撞毁海上结构物和过往船只，甚至造成重大海难事故。在近海，1 9 6 9 年、 1 9 7 6 年在我国的渤海湾先后两次发生流冰推倒海洋平台的严重事件，因此在海 冰严重的高纬度地区，冰载荷已经成为海洋工程和航船等设计的主要控制载荷。 海上结构物一般都规模较大、成本很高，其安全与否对工作人员的安全和海洋开 发事业都有重大影响。由此可见，冰载荷的研究对实际工程有重要意义。海冰对 海上工程结构物的影响、破坏作用和防护措施的研究，虽然已有一定的历史，但 仍是今后一个长久性的课题。 在我国渤海有冰海域，特别是在辽东湾有丰富的油气蕴藏资源，海上油田的 开发在近年来得到快速发展，为保证海上石油平台在冬季结冰期的安全，合理地 选定海冰设计标准已成为渤海油气田开发工程中的一个关系重大的问题。渤海位 于北纬3 7 。 - 4 1 。之间，尽管世界上相同纬度的其他海区都不结冰或很少结冰， 然而由于渤海是位于欧亚大陆东端的半封闭的内陆浅海，受陆地特别是极地冷空 气的影响严重，所以那里每年冬季都有海冰出现。 一般年份，渤海的海冰对各种海上活动并没有很大影响，加之过去冬季海上 生产活动较少，对海上冰情缺乏了解，对有关海冰问题的研究更少，海冰对舰船 和海上平台等的影响问题，长时间没有得到应有的重视。但在实际上，某些寒冷 的冬季，渤海能够发生大范围的冰封，造成严重的海冰灾害。 我国的北方大部分区域处于高纬度的寒冷地区。分布于该范围内的水工结构 物，如：水库、桥梁、堤坝、水电站以及江河运输码头等。由于冰问题的事实存 在，不可避免地遭遇到冰的威胁，水工工程由于冰害造成的破坏事件也不鲜见。 随着我国经济的发展，江河运输以及综合水利工程也得到迅速的建设与发展。因 此，水工结构物能否高效率、安全的运行，也成为政府部门及工程技术人员首先 第一章绪论 考虑的课题。正确确定作用于结构物上的冰荷载成为海工与水工工程设计中需要 迫切解决的问题之一。 1 1 1 海冰对海工建筑物的危害 对于会出现冰冻的寒冷海域，冰力对结构的影响往往是很严重的。在很多情 况下，冰荷载常常成为寒区海工建筑物的控制荷载。然而，在早期的海上建筑物 的设计制造中，由于对冰害的估计不足，很多国家都曾先后发生过海工建筑物在 海冰作用下被摧毁的工程事故。例如，1 9 6 2 年和1 9 6 3 年在阿拉斯加库克湾先后 建造的两座海上钻井平台，由于其设计强度未考虑冬季冰的作用力，均于1 9 6 4 年冬季被海冰摧毁；1 9 6 0 年日本于雅内港外声问崎海上设置的声问崎灯标，于 1 9 6 5 年3 月因受到强大的流冰群袭击而倒塌；1 9 6 8 年2 月，莱州湾的海冰在西 南风的作用下爬上海岸和码头，致使龙口港码头的围墙被冰推倒数处，使港口作 业受到很大影响：1 9 6 9 年2 、3 月间渤海发生严重冰封，位于渤海湾的“海一井” 石油平台支座的拉筋全部被流冰割断，由底座互不连接的三个平台一一设备、钻 井和生活平台构成的“海二井”被海冰推倒于海中：1 9 7 7 年渤海湾? 海四井” 的烽火台也被海冰推倒【2 】。 众多国内外海冰引起的工程事故使设计人员逐渐意识到海冰对寒区结构物 的巨大危害，自此人们在工程界和科技界全面展开了对海冰的研究。 1 1 2 我国的冰情概况 我国虽地处热带、亚热带和温带，但我国的渤海和黄海北部，因地理位置处 于高纬度区域，冬季受西伯利亚南下冷空气的直接影响，每年都有不同程度的结 冰现象，成为北半球海洋结冰的南边界。因此，在我国渤海以及黄海北部建造海 上石油工程建筑物时，对于海冰应予特别重视。 我国的结冰海区南北虽然仅跨四个纬度，最远相距大约2 5 0 海里，但不同海 区冰情的差异很大，为了对冰情有一个基本的了解，下面就常年的冰情分区说明 1 2 】 o ( 1 ) 辽东湾 辽东湾是我国冰情最严重的海区。辽东湾于1 1 月中旬开始结冰，翌年3 月 中旬海冰消失。冰期约为四个月，冰期中1 月中旬至三月初期为盛冰期。辽东湾 北部冰情最重，冰期长、冰量多、冰厚1 5 1 0 0 厘米；中部次之，以浮冰居多， 冰厚在5 2 5 厘米之间；南部冰情最轻，冰厚在l o 厘米以下。 在盛冰期间，辽东湾北部的盖平角至葫芦岛以北海区，沿岸固定冰的宽度为 l - 5 公里，其中辽东湾顶端的河口和浅滩附近，固定冰的宽度可达5 1 0 公里：冰 2 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 的厚度一般为3 0 - 4 0 厘米，最大达到6 0 厘米；冰的堆积高度一般为2 3 米，最 大可达4 米以上。盖平角至复州角以及葫芦岛至秦皇岛一带，沿岸冰宽度在o 1 2 公里之间；冰的厚度多为2 0 3 0 厘米，最大达到4 5 厘米；冰的堆积高度多为1 2 米。复州角及秦皇岛以南海区，沿岸固定冰的宽度一般都在0 2 公里以内；冰的 厚度多为5 - 2 0 厘米；堆积高度为1 米左右。 ( 2 ) 渤海湾 ： 渤海湾于1 2 月上旬开始结冰，翌年三月初海冰消失。冰期约为三个月，其 中一月下旬至2 月中旬为盛冰期。 在盛冰期间，沿岸固定冰的宽度一般为0 1 0 5 公里，冰的厚度多为1 5 - 2 5 厘米。北部浅滩和南部河口附近，固定冰的宽度可达5 1 0 公里，冰的厚度多为 2 0 3 0 厘米，最大能达到4 5 厘米左右，海冰的堆积高度多为1 2 米，最大可达3 米左右。 。 ( 3 ) 莱州湾 莱州湾于1 2 月中旬开始结冰，翌年二月底海冰消失。冰期为2 个半月左右， 其中1 月下旬至二月上旬为盛冰期。 在盛冰期间，沿岸固定冰的宽度多在o 5 公里以内。西岸和南岸的河口浅滩 附近，固定冰宽度可达2 5 公里，而东岸刁龙咀以北基本无固定冰。冰的厚度一 般为1 0 - 2 5 厘米，最大可达4 0 厘米左右。莱州湾的堆积现象较轻，堆积高度在 一米以内，河口和浅滩附近堆积高度可达2 3 米。 ( 4 ) 黄海北部 黄海北部于1 1 月中、下旬开始结冰，翌年3 月中旬海冰消失。冰期约为四 个月，其中1 月中旬至2 月中旬一个多月的时间为盛冰期。 在盛冰期间，鸭绿江口至大洋河口一带，沿岸固定冰的宽度为2 5 公里，厚 度为2 0 3 0 厘米，最厚时可达5 0 厘米左右。大洋河口至城山头一带，沿岸固定 冰的宽度从2 公里逐渐减至0 1 公里以内，冰的厚度一般为1 0 2 0 厘米，最大时 达3 5 厘米左右。堆积高度多在l 米以下。 1 2 抗冰结构的工程背景 随着海上工程活动的规模化发展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出， 解决冰区结构物的合理设计和安全运行越来越引起科技界和工程界的重视。在工 程设计中，冰荷载主要是指冰力时程曲线的峰值荷载，即极值冰荷载。众所周知， 极值冰荷载的大小取决于冰板的破坏强度，而冰板的破坏强度与冰板的破坏形式 密切相关。在对海冰物理力学性质的研究中发现，冰板的弯曲强度明显低于压缩 第一章绪论 强度。这些主要体现在两种不同的抗冰结构中：直面抗冰结构主要以挤压破坏为 主，其极值冰荷载大小取决于冰的压缩强度；斜面抗冰结构主要以弯曲破坏为主， 其极值冰荷载大小取决于冰的弯曲强度。 基于上述概念，研究者们设想，如果在水面变化范围内采用带有倾斜面的桩 柱，那么冰板的破坏形式将由挤压为主的破坏转变为弯曲为主的破坏，这样就可 以通过冰板破坏形式的改变大大减小作用于结构物上的冰力。当冰排与斜面结构 物作用时，作用在斜面上的冰压力可以分解为垂直于斜面的法向力和沿斜面的斜 向分力。斜向分力使冰块沿斜面上升。法向力分解出的垂直力使冰层产生弯曲或 剪切，分解出的水平力则明显的比直面结构的挤压力小的多。由此可见，斜面结 构是一种有效的抗冰形式【3 】。由于斜面结构在抗冰防冰实践中体现的优点，因此， 在海洋工程中，出现了锥体结构( 如j z 2 0 2 m u q ) 平台和斜坡宽结构( 如j z 9 3 人工 岛) 。同样，在陆路的水工工程中，也广泛应用于工程实践中。如水库堤坝桥梁 桩墩的流冰作用段等。本次数学模型计算分析的参照体，即为黑龙江省某水利枢 纽船闸的导堤堤头结构，该堤头结构有直面结构和斜面结构两种工况。 1 3 抗冰结构冰载荷的研究现状 海冰的研究总体上可以分为本构型冰力学和结构型冰力学两大类。由于对海 冰本身的物理力学性质的认识不足，海冰与结构物相互作用时众多因素的影响， 在结构型冰力学中对海冰的研究主要集中于静力方面。 冰与结构相互作用的过程是涉及诸多因素的一个复杂现象，基于几何条件和 相互作用速率的不同，冰的任何一种或几种混合破坏模式都有可能发生，并将控 制其作用在结构上的载荷。一般来讲，载荷的大小依赖于结构的尺寸和几何形状、 冰的尺寸和几何形状、冰的力学特性、结构刚度、冰的破坏模式、环境驱动力、 结构与冰之间的连贯性、冰和结构两者之间的惯性影响等，由于这种作用的复杂 性，要准确预测作用在最简单形状上的冰载荷也是困难的【4 】。 冰与抗冰结构相互作用的过程是一个复杂的力学过程，有许多冰力成分起作 用。它们包括冰排的弯曲与挤压破坏、促使冰排旋转与运移的冰力成分、重力与 浮力及冰板沿斜坡上爬的力等。它们在不同的时间段间歇地起作用，在时空内给 结构物施予总的冰荷载。针对具体的结构和工程所在地的环境条件，国际上有相 当的理论和实验研究基础( 主要有以下几种方法：一是理论分析；二是数值计算； 三是统计分析；四是模型试验；五是现场监测) 来计算结构上的冰的作用力【5 】。 其中，不仅有各种规范，各种经验、半经验公式，还发展了二维和三维理论模型， 以及有限元计算。其中的二维计算模型被我国海冰工程技术规范( h y - t 0 4 5 ) 4 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 引用。然而，规范和经验公式的建立都包含了国家和地区的特点，不同程度的影 响了其在工程设计中的应用与推广。但规范中所建议公式中各参数的选择直接与 各海域以及不同冰型的海冰力学特性有关，使工程设计人员在快捷准确的估算作 用在抗冰结构上的冰荷载方面存在着困难，因此应对规范中涉及的海冰各项强度 参数作出适合各个工程设计区的综合分析，与此同时，对冰与抗冰结构的作用机 制的进一步探索，也将加深对于现存公式的理解以至修正。 数学分析方法是利用传统力学理论来研究冰的破坏机理和破坏模式，较常用 的方法是用有限元来分析半无限冰排对结构物的作用【6 】，用富里埃展开和有限元 结合求解刚性圆柱结构在半无限冰排下的受力 7 1 ，以及脚提出的一种利用随机 理论来计算作用在宽体结构上冰的脆性破坏的冰载荷计算方法【8 】，这些都为用数 学分析方法来计算冰载荷和研究冰对结构物的作用提供了理论依据。 在有限元的计算中，在各种影响因素和边界条件的确定过程中人为的、理想 的成分过多，只有充分掌握了冰的物理力学特征以及冰与结构的相互作用机理之 后，有限元计算才能成为行之有效的方法。因此本文将从工程实际出发，通过模 型试验与数学模型分析相结合的方法研究作用在抗冰结构上的冰载荷。 1 4 本文所做工作及成果 冰模拟试验固然是工程设计中确定冰荷载的重要手段之一，但是用于实验研 究的经费也是昂贵的。本论文的目的之一是以有限组次的试验数据或现场观测数 据作为基础，探索准确计算斜面冰荷载的数学分析方法。并期望获得具有普遍意 义的成果。为了达到这个目的，本论文主要进行了下列工作： a 、检索并阅读了大量的关于抗冰结构冰力的文献，总结了抗冰结构冰力的 研究成果； b 、概要地介绍了海冰的物理力学性质，列举了国际上常用的静冰力计算模 型和规范公式； c 、全面地描述了本次引航导堤堤头冰力试验的试验概况，包括实验室、模 型冰、模型结构、试验工况和试验现象： d 、详细阐述了有限元基本原理、非线性接触分析和单元生死的基本理论， 并将其应用于冰荷载的数学模拟计算： e 、为了保证可比性，基本数学计算模型采用了与冰模拟试验完全相似的参 数。以实验数据为参照，通过试算对计算模型进行调试，以确立最终的计算模 型： 第一章绪论 f 、在确认计算模型的基础上，分别对斜面和垂直面结构的模型试验进行数 学模拟； g 、通过有限元模拟计算与模型试验以及公式计算进行对比性分析，得到关 于抗冰结构冰载荷的重要结论。 天津大学硕士学位论文 海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 第二章海冰的物理力学性质 作为与结构作用重要介质的冰的物理力学性质是在数学分析中建立数学模 型的重要方面和依据。作为控制冰捧破坏的参数冰的挤压强度和弯曲强度等 力学指标也将作为判断单元生死的准则。在本章将对物理力学性质所涉及的内容 进行较详细的介绍。 21 海冰的结构 冰是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶系，但单个冰晶体的外 形和尺寸却有很大不同：它们可能呈片状、粒状或柱状，尺度可以由l m m 左右 至几厘米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”，基面为若干互相平行的平面。冰沿 与基面平行方向发生相对位移时，需要破坏的分子结合点的数目明显少于沿其他 方向位移时的情况。这说明当冰的晶格有序挥列时冰的变形和强度是各向异性 的。 图2 - 1 海冰晶体结构图 ( 1 一细粒区；2 一过渡区；3 一柱状区 3 a - c 轴沿水平面无一定方向，3 b - c 轴沿水平面有一定方向) 图2 1 为海冰晶体结构图。海冰的上表层是细粒区。一般由细小的粒状冰 晶组成，其厚度取决于结冰时的海况条件，可从几毫米到2 0 毫米左右。表层以 下为过渡层，其冰晶体开始有沿生长方向变长的趋势。过渡层以下为冰排的基本 第二章海冰的物理力学性质 结构层，常称为柱状冰层，这里的冰晶体明显地沿生长方向即垂直方向变长，冰 的晶格对称轴( 称为c 轴) 位于与水面平行的平面内。 2 2 海冰的物理性质 2 2 1 海冰的盐度 海水中溶解了大量的盐类，在海水结冰的过程中，其中的水分子变成冰分子， 而溶解的盐分则不断的被排析到海水里。这些海水因为溶有较多的盐分而被称为 浓盐水。浓盐水的比重比海水大，因而不断下沉。但是，在海冰从冰晶发展到具 有一定厚度冰层的过程中，总有一部分浓盐水来不及流出而被包围在冰晶的空隙 里，这就形成了盐泡。因此，海冰不同于淡水冰，海冰是固体冰晶、盐泡和少量 气泡的混合物。 海冰融化后所得的海水的盐度，称为海冰的盐度。海冰的盐度是海冰的一种 重要特性，它的大小主要取决于三个因素【l o 】： ( 1 ) 形成海冰的海水的盐度：一般说来，海水的盐度越高，它所形成的海冰 的盐度也越高；反之，海水的盐度越低，它所形成的海冰的盐度也越低。由于海 冰形成时，总有部分盐水被排析出去，所以，海冰的盐度都比形成它的海水的盐 度低。通常，新形成的海冰的盐度，多在构成它的海水盐度的l 6 到1 4 之间。 ( 2 ) 海冰的冻结速度：海冰的冻结速度越快，冰层厚度的增长也越快，较多 的盐分来不及析出，形成的海冰的盐度相应就比较大。反之，海冰的冻结速度越 慢，形成的海冰的盐度就越小。海冰的冻结速度取决于海水结冰时周围空气的温 度和空气降温的速率。结冰时气温越低、降温越快，则海冰的冻结就越快。因此， 在海冰的表层，由于海水直接与冷空气接触，冻结速度较快，并且冰晶间的空隙 较大，晶体的轴向混乱，盐分析出的就比较少；而随着冰厚的增加，海冰的生长 变得缓慢，并且冰针具有比较规则的垂直定向排列，盐分析出的就比较多。可见， 盐度在冰层中的分布是由上向下逐渐降低的。 ( 3 ) 冰龄：一般情况下，冰龄越长，海冰的盐度越小。这是由于盐泡中浓盐 水的比重比冰的比重大，所以在重力作用下，浓盐水不断的向下沉降。同时，盐 泡中的浓盐水总是有向温度高的方向迁移的趋势，而冰层下部的温度比上部高， 这也使得浓盐水不断的向下沉降。此外，当海冰经过夏季时，冰面融化也会使冰 中的浓盐水流出，导致盐度降低。因此，随着海冰冰龄的增加，析出的浓盐水就 越多，海冰的盐度就越小。 天津大学硕士学位论文 ， 海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 2 2 2 海冰的密度 单位体积内海冰的质量称为海冰的密度。海冰的密度是海冰重要的物理性质 之一，它直接决定着海冰的抗压强度。 海冰的密度取决于海冰的温度、盐度和气泡的含量。海冰的盐度越大，密度 也越大：海冰所含气泡越多，密度就越小。海冰的密度与温度的关系比较复杂。 当温度降低时，高盐度海冰的密度总是减小；而对于低盐度海冰来说，随着温度 的降低，海冰的密度先是不断减小，当温度降到某一值后，随着温度的降低，海 冰的密度反而不断增大。并且，海冰的盐度越大，海冰密度发生转折性变化的温 度就越低。 2 2 3 海冰的热性质 海冰的比热容受盐度和温度的影响较大，一般的，它随着盐度的增大而增大， 随着温度的降低而有所降低。在低温时，由于海冰中含有的卤水较少，因此比热 容随温度和盐度的变化都不太大，接近于纯水冰的比热容。但在高温时，尤其是 在冰点附近，由于海水中的卤水随温度的升降有相变，即降温时卤水中的纯水结 冰析出，升温时冰融化进入卤水之中，从而使其比热容有大幅度的减小或增大。 海冰中含有气泡，而空气的热传导系数很小，因而，海冰的热传导系数比纯 水冰小。由于海冰上层的空隙比下层的空隙多，所以海冰的热传导系数随着深度 的增加而增大。超过1 米的海冰的热传导系数与纯水冰的热传导系数相当，而表 层海冰的热传导系数约为纯水冰的1 3 左右。 海冰的热膨胀系数随着温度和盐度而变化。对于低盐度的海冰，它随着温度 的降低开始是膨胀，继之则变为收缩。即随着温度的降低，低盐度的海冰先是冷 胀热缩，而后又变成热胀冷缩了。并且，海冰由冷胀热缩变为热胀冷缩的温度临 界值随海冰盐度的增加而逐渐降低。对于高盐度的海冰，它随温度的降低始终是 膨胀的，但膨胀系数越来越小。 2 3 海冰的力学性质 海冰的力学性质是影响海冰与结构物相互作用的内在因素，研究海冰和结构 物的相互作用就必须先了解海冰的基本力学性质。 海冰与结构物的作用形式主要有以下几种： ( 1 ) 巨大冰层包围了结构物，在潮流与风力的作用下，大面积冰层整体移 动，挤压结构物。如果结构物的强度足够，冰层将穿越结构物，并引起强烈振动； 第二章海冰的物理力学性质 ( 2 ) 自由漂流的流冰，冲击结构物而产生的冲击力； ( 3 ) 整体冰层由于温度变化引起膨胀，产生挤压结构物的膨胀力： ( 4 ) 与结构物冻结在一起的冰层因受潮流和风的影响而移动，产生对结构 物的拖曳力，由于水位下降而产生向下的附加重力，由于水位上升而产生向上的 附加浮力； ( 5 ) 海冰与结构物之间的摩擦力。 在上述海冰与结构物的作用形式中，对海洋结构物危害最大、最普遍受人们 关注的是第一种作用方式，即大面积冰层整体移动时对结构物产生的作用力以及 因此而引起的振动。 当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物产生的作用力随冰排的运动而逐 渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，它对结构物的作用力也随之达到极值。 冰力这种变化过程受控于冰排的破坏类型。所以，冰排自身破坏的类型和过程直 接决定着它对结构物作用的模式、过程和作用力的大小。 通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有【n 1 ： ，( 1 ) 挤压破坏，如图2 - 2 ( a ) 所示，冰排在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断 续破碎； ( 2 ) 压屈破坏，如图2 2 ( b ) 所示，大面积冰排与海工结构物接触，冰排由 于受压而失稳，首先在桩柱前隆起，然后破坏； ( 3 ) 纵向剪切破坏，如图2 - 2 ( c ) 所示，当冰排的剪应力达到强度极限时， 产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。= ； ( 4 ) 弯曲破坏，如图2 - 2 ( d ) 所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触 时，形成受弯的梁或板，最终因弯曲而破坏。 胪庐e ( a ) ( b )( c )( d ) 图2 2 冰排的几种破坏类型 以上四种破坏形式是冰排与结构物相互作用的最基本的破坏形式。由于冰排 对结构物的作用力在自身破坏时达到极值，即在冰排中应力达到强度极限时冰力 也达到极限，所以冰的强度直接决定着冰力的大小。海冰的抗压强度、拉伸强度、 剪切强度和弯曲强度对冰排的这四种基本破坏形式起着主要的控制作用。因此， 在研究海冰与结构物的相互作用前，必须先对海冰的这些基本力学性质作一简要 l o 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 了解。 2 3 1 海冰抗压强度 挤压破坏是平整冰层和海上的直立结构物作用时的主要破坏形式之一，因 此，海冰的单轴抗压强度是冰荷载计算中的一个重要参数。 冰是一种弹塑性材料，它的强度与应变率( 或应力率) 有着密切的关系。当 加载速率很慢时，有充分的时间让冰晶体沿边界错位滑移，并且沿边界产生足够 多的微裂缝，随着荷载的增大，这些微裂缝开始扩展直到破坏，这时冰表现为变 形较大的韧性破坏；当加载速率很快时，没有时间让冰晶体沿边界充分滑移，一 旦出现裂缝就马上破坏，这时冰表现为变形较小的脆性破坏；当冰既可能发生韧 性破坏又可能发生脆性破坏时，此时的冰处于韧脆转变区。图2 3 是某结冰海区s 型冰的o舌试验曲线。从图中可以看到，在韧性区时，仃随着叠的增加而增大；c 在脆性区时，d ，随着舌的增加而急剧减小；在韧脆转变区时，仃，达到最大值。 ，_ l 、 一一 一r i、 i 。|i 一 一， ， r 。 - 口墨e 5 “) 图2 3 冰挤压强度以与应变速率舌的关系 在海冰试样与冰温关系的试验研究中发现：海冰的温度越高，抗压强度越小， 若温度骤然升高，抗压强度一般会减小5 0 以上。 盐水体积对海冰的抗压强度也有很大的影响。随着盐水体积的增大，海冰的 抗压强度降低。因为，盐水体积增大表明海冰中含有的盐分增多，海冰内的原始 微裂缝就增多。根据海冰破坏的裂缝扩展理论，海冰破坏的可能性就增加，海冰 的强度就随之降低。此外，盐水体积的增大，使得海冰的有效承载面积减小，这 也降低了海冰的强度。 第二章海冰的物理力学性质 2 3 2 海冰拉伸强度 海冰强度对于舌( 或彦) 的敏感性，在抗压强度的试验中很明显，但对于拉 伸强度来说，学术界一直没有统一的观点。然而，有很多的学者发现，当应力率 处于某个范围内时，加载速率对拉伸强度有影响，不过影响不是很大；离开这个 应力率范围，拉伸强度与加载速率无关。这个应力范围的具体数值，各个学者通 过试验得到的结果相差较远。 随着盐水体积的增加，海冰的拉伸强度降低；随着冰温的降低，海冰的拉伸 强度增大。加载方向对拉伸强度也有很大的影响。 2 3 3 海冰剪切强度 海冰的剪切破坏是海冰与海上结构物相互作用时的基本破坏形式之一。海冰 剪切强度是海冰的基本材料特性。 海冰的晶体是各向异性的，在不同的方向上加载，会呈现不同的强度。试验 研究表明，海冰垂直于冰晶生长方向的剪切强度要大于平行于冰晶生长方向的剪 切强度。 海冰的剪切强度与应力率有着明显的关系，在不同的应力率下表现出不同的 剪切强度。大量试验证明，海冰的剪切强度随着应力率的增大而降低。 冰温和盐度对海冰剪切强度的影响和前面讨论的相似，剪切强度随着冰温的 降低而增大，随着盐度的增大而降低。 2 3 4 海冰弯曲强度 当海上结构物具有倾斜表面时，平整冰层将沿斜面上爬，发生弯曲破坏。此 时，冰荷载的计算将以海冰的弯曲强度为基础。 海冰的弯曲强度同样也受到加载速率的影响，图2 - 4 是海冰的弯曲强度随加 载速率的变化情况【1 2 1 。当海冰处于延性破坏范围内时，随着应力率的增大，海冰 的弯曲强度也随之增大，海冰试样发生明显的裂纹扩展过程：应力率继续增大， 海冰的弯曲强度将达到最大值；此后，随着应力率的增大，海冰的弯曲强度将很 快降低，由于这时的海冰处于脆性阶段，一旦出现裂纹，海冰试样将马上破坏， 几乎观察不到裂纹扩展过程。 同海冰的抗压强度相似，随着盐水体积的增大，海冰的弯曲强度减小。 1 2 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 l 丕 絮。 磐 譬1 聱 理力晕量k p t ，毒) 。 j 图2 - 4 海冰弯曲强度与应力率的关系 海冰的弯曲强度随着冰温的降低而增大。这是因为海冰的弯曲破坏实质上是 梁的下边缘( 或上边缘) 纤维的拉伸破坏，而海冰的拉伸强度随冰温的降低而增 大，所以海冰的弯曲强度也随着冰温的降低而增大。 在海冰的弯曲试验中发现，向下加载时冰梁的强度大于向上加载时冰梁的强 度。产生这个结果的原因有两个：首先，向下加载时，冰梁除了受到外荷载的作 用外，还受到海水向上的浮力作用，这将部分地抵消外荷载的作用，因而使测得 的弯曲强度较大；其次，海冰的弯曲破坏受到海冰拉伸强度的控制。由于海冰上 表面的冰温低于下表面的冰温，即上表面的拉伸强度大于下表面的拉伸强度，所 以，向下加载时由上表面破坏测得的弯曲强度要大于向上加载时由下表面破坏测 得的弯曲强度。 第三章冰力模型试验的概述 第三章冰力模型试验的概述 本章将对试验冰力学发展状况和冰力模型试验原理进行介绍，并通过堤头模 型试验来说明天津大学冰工程实验室的冰试验设备、试验方法及过程。 3 1 试验冰力学的发展状况 现代冰力学解决工程问题的基本方法是理论分析同原型试验、模型试验三者 紧密结合。其中原型测试是对理论最直接的检验，是冰作用力的力学机制最直接 的表现，要消耗较多的人力、物力，财力和周密的规划部署，因为在原型即现场 一条件下，各项环境参数的出现是由客观的自然过程决定的，不依人的意志而改变， 而且一般不会重复出现的，只有配合模型试验，通过在实验室重演并人为控制各 项参数及其组合，才能更深刻的解释在原型测试中所发现的各种现象之间的内在 联系。原型测试得到的只是个别现象的图像，只有通过模型试验及理论分析，才 能得出有指导意义的一般规律。室内模型实验以其对环境的可控性、比现场测试 明显的经济性等优点而居于不可替代的地位【1 9 1 。 世界上，开展冰力模型试验较早的国家有加拿大、美国、芬兰、德国、日本、 俄罗斯等国家。 在冰池中进行冰力模型试验已经有三十多年的历史，最初的冰力模型实验室 从研究破冰船开始的，世界上第一座低温冰池实验室是1 9 5 5 年在苏联建成的。 十四年后，随着寒冷海域的海洋石油开发活动的兴起，在芬兰建起了第二座低温 冰池实验室。可以说，寒冷海域中的海洋石油开发和冰区中的商业性航行是促使 冰力模型试验发展的重要动力，全世界已有的十七座低温冰池实验室中，大部分 都是在寒冷海域的海洋石油开发大发展之后的八十年代建成的【2 0 1 。 3 2 冰力模型试验原理和模型律 一切模型试验都要遵循一定的模型律，冰力模型试验也不例外。 冰力模型试验是一种特殊的试验，因为它除了必须遵循液流模型试验的模型 律外，同时，冰作为一种材料，其材料的力学特性同样也直接关系到试验的结果 2 1 1 ，这是因为： 1 4 天津大学硕士学位论文海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 ( 1 ) 在海面上漂流的冰排汇集了风和海流的能量，在这些能量驱动下冰排在 运动中通过和结构物的接触又把能量传递给结构物，因此，它具有液流模型试验 的一切特点，相应地就必须遵循液流模型试验的模型律。 ( 2 ) 冰排虽然汇集了海流和风的能量，但往往又不能把这些汇集的能量全部 传递给结构物，传递的多少要受冰本身强度的限制。所以，冰力模型试验同时也 是一种材料的力学特性的模型试验，这种材料就是冰，因而它又必须同时再满足 材料的力学特性相似的特殊要求。 基于以上原因，冰力模型试验必须同时遵循以下一些相似准则【捌】： ( 1 ) 遵循液流模型试验的几何相似、运动相似、动力相似和边界条件相似 的准则，这是最一般的准则。其中，在动力相似中要满足重力相似的要求。 在动力学中，最普遍的规律是牛顿第二定律，即： f ：m a ：m 竺 ( 3 1 ) 班 。 设模型和原型对应物理量的比尺为入，即在对应点上力的比尺为入f ，速度 的比尺为入v ，时间比尺为入t ，则动力相似体系之间必然有； 式( 3 _ 2 ) 就是动力相似的相似指标。 当动力相似中满足重力相似时，首先给出重力的表达式： 冬= h a 丑= 乃钎 ( 卜2 ) p 力喀( 3 - 3 ) 继而有： 冬= 厶以= 以置以 ( 3 4 ) 乒 上，- = 1 f 3 - 5 ) 五乃 、 式( 3 - 3 ) 为重力相似的表达式，比较式( 3 - 4 ) 和式( 3 _ 2 ) 得： 由式( 3 5 ) 得： t ， c = 与 ( 3 6 ) q g 上式中的乃为弗汝德数，式( 3 1 ) 表示在重力相似的各体系中( 即模型 和原型中) ，弗汝德数应该相等，这就是满足重力相似的条件。在有的文献中， 弗汝德数又表示为： c = 言 式( 3 - 6 ) 和式( 3 7 ) 两种表达式在由缓流向急流过渡的临界状态下，f r 的 第三章冰力模型试验的概述 数值相同，都等于1 0 。由于式( 3 6 ) 的物理意义明确，其分母为重力波的 传播速度，所以本报告采用式( 3 6 ) 来表示重力相似的条件。 ( 2 ) 为保证冰这种材料的力学特性的相似，要求满足弹性力相似的准则， 也就是说，冰力模型试验中的动力相似除包括重力相似外，还包括弹性力相似。 为此，首先建立弹性力方程： 仃= ! a = 髓 ( 3 8 ) 4 、， 各= 五z( 3 9 ) 式中，f 应变； 卜弹性模量。 从而有： 冬= 彬阮= 冬砚( 3 一l o 因为无量纲数占的模型比入f = 1 ，所以式( 3 9 ) 可化简为： 比较弹性力相似公式( 3 1 0 ) 和动力相似的普遍关系式( 3 _ 2 ) ，可得； 即： 五= 硝( 3 19 攀：l( 3 一l 穹 飞 由式( 3 一1 2 ) 可导出： ：e 2 等 ，( 3 - 1 3 ) c 口称为柯西数，式( 3 1 3 ) 为动力相似中满足弹性力相似的关系式，该式的 意义是：在动力相似中要满足弹性力相似，就要使模型和原型中的柯西数相等， 譬：譬 ( 3 _ 1 匈 乓e 。7 即： 式中，夕肿、p r 模型和原型中对应质点的材料密度； 。 e m ，印一模型和原型中对应质点的材料弹性模量； 踟、场一模型和原型中对应质点的运动速度。 根据重力、惯性力和冰的弹性影响的重要性，冰力模型试验必须同时满足式 ( 3 “) 、( 3 1 3 ) ，由此导出冰力模型试验中一些主要物理量的比尺如表3 1 。 天津大学硕士学位论文 海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 表3 - i 冰力模型试验中一些主要物理量的比尺 3 3 堤头冰力模型试验 3 3 1 实验室概况 本文的研究工作是在天津大学的低温冰工程实验室里展开的。该实验室是天 津大学于1 9 9 5 年建成的大型冰池实验室，是至今为止除商业性和国家机构拥有 的冰池试验室外，世界上拥有低温冰池实验室三所大学中的一所。图3 - i 和图 3 2 分别是天津大学低温冰工程实验室的平面图和内景图f 2 3 】，其主要组成部分包 括： 阡铲妇一_ 警擞照卿蠢趟黛懒懒嘲辫照黉垂箜受隧鲞鸶豳媸蚓 u ，。_ 盯_ ，舡r 一一_ 州 眺卜j 雕：! 引l |。l 毒二= = = 譬= = = = = = 二= = = = = = = = = = = = ；叫g 驯 勺一：f 穆 ； 眵j 带 麓 嘲辑皇擎弩：茹+ 嚣。i 专帑号稿酽摇尚劳。：；耐镶 锄镰，托日下l 2 i 一一一，譬。： i 蜀l ：i 5 ：_ = 一叫，- 一- 暑一i i r ： ，1 i ! + - 二訇f 一二f j 匿专 图3 1 低温冰工程实验室平面图 、 ， ，h 镪砖槐蓐!：= 第三章冰力模型试验的概述 ( 1 ) 、低温冰池室 低温冰池室印低温空问，面积达2 1 6o m 2 ，用于容纳冰池并进行模型试验 其最低工作温度为：一2 5 。 图3 - 2 低温冰工程实验室内景图 ( 2 ) 、冰池 冰池位于低温冰池室内，长2 0 o m ，宽50 m ，深l _ 8 田，容纳用于制冰的水 溶液，水溶液的上表面可以生成预定厚度的冰盖。 ( 3 ) 、融冰池 融冰池位于冰池西端，内有加热融冰设备，可使用制冷过程中收集的热能融 化试验后的碎冰。供下欢试验循环使用。 ( 4 ) 、制冷系统 制冷系统的主要设备包括压缩机组、冷风机可通过精心设计的均压送风顶 棚对低温冰池室内的空气进行均匀降温。 ( 5 ) 、拖车系统 试验主拖车 主拖车用于驱动冰盖通过固定于池底的结构物模型，或驱动结构物模型穿过 固定不动的冰盖。最终造成冰盖与模型结构之间的相对运动，使它们发生相互作 用。 试验中，拖车行驶于冰池池壁项面的轨道上，通过齿轮齿条的啮合传动， 天津大学硕士学位论文 海上结构冰载荷的有限元分析和模型试验研究 可产生3 5 0k n 的水平驱动力。拖车车速可以在1 - 5 0 0 m m s 的范围内无级调节， 也可以在规定的速度下恒速行驶，并且其恒速性不受冰排阻力的影响。拖车的运 动由计算机控制，可以按预先设定的车速、行程运行，也可以随机手动控制。拖 车前方设有两个模型支撑臂，其水平移动范围为3 5 m ，垂直移动范围为l m ，载 重量为1 t 。 服务拖车 服务拖车用于承担安装、维修主拖车，安装模型，以及清理试验后冰池中的 碎冰等辅助性工作。拖车采用变频调速系统，并由支撑轮与承重轨道之间的摩擦 力驱动行驶。 ( 6 ) 、水溶液过滤系统 过滤器安装于制冷机房内，通过管路和冰池相连，定期对冰池中水溶液过滤， 清除水溶液中杂质，并抑制水溶液中微生物的生长。 ( 7 ) 、观察廊道 观察廊道位于冰池南侧，设有多层玻璃观察窗，可以观察、拍摄碎冰块的形 成、在水下的运动以及与结构模型之间的相互作用。 ( 8 ) 、数据、图象的记录与处理系统 拖车控制与数据采集系统 该系统通过自行开发的软件进行控制。一方面，它可以设定拖车的运行参数， 控制拖车的运动；另一方面，它可以通过传感器、信号适调放大器和a d 变换板 采集实时的试验数据。两方面的操作一键激发，同步运行。 图象记录系统 该系统由三可交摄像机、旋转云台、通道切换器和图形采集板以及计算机组 成，用于记录和处理试验过程中采集的图象。 ( 9 ) 、低温冰力学室 低温冰力学室的面积为2 4 o m 2 ，室内工作温度为一2 0 - 4 0