基于S-ALE方法的圆柱体垂直出水破冰研究

以往针对结构物垂直贯穿冰层破裂的研究多不考虑水的作用,与实际应用场景不符.本文应用LSDYNA有限元软件建立了基于结构化-任意拉格朗日欧拉(S-ALE)流固耦合方法及罚函数接触算法的冰-水-结构物耦合作用数值模拟方法.采用欧拉算法描述空气域和水域,采用拉格朗日算法描述圆柱体结构和冰层结构,使用弹塑性应变率模型表征冰材料力学性质.自主搭建了圆柱体垂直贯穿冰层试验台架,验证了有限元方法计算结构物-冰层相互作用问题的可行性.通过模拟圆柱体垂直出水破冰过程,并与无水环境下圆柱体垂直贯穿冰层破裂过程进行对比.结果表明:有水环境下结构物-冰层间作用存在"水垫效应";冰层突破载荷极值大小与有、无水环境无显著变化;有水环境下的结构物突破冰层冰载荷持续时间明显长于无水环境下持续时间;有水环境冰层弹性变形阶段更长,且有水环境冰层挠度变化大于无水环境下的挠度变化.本文研究成果为极地冰区环境下结构物垂直出水破冰的结构强度计算及优化设计提供了研究基础.