垂向载荷作用下的冰层破裂及其影响因素分析

为了研究冰层在垂向载荷作用下的破裂过程及其影响因素,应用显式动力学分析软件LS-DYNA,基于罚函数接触算法,开展圆柱体-冰层垂向相互作用下的数值模拟。分析了垂向载荷作用下冰层的破裂过程和裂纹扩展,以及圆柱体与冰层不同的相对速度、接触角度和接触面积对冰层突破载荷的影响。计算结果表明:冰层在垂向载荷作用下,当最大拉应力大于冰的抗拉强度时,冰层会相继生成径向裂纹和周向裂纹,径向裂纹产生时的突破载荷小于冰层最终破裂时的突破载荷;集中载荷作用下的冰层相比于均布载荷作用下的冰层更易发生破裂;不同相对速度下,冰层突破载荷曲线会有较明显变化;当圆柱体与冰层之间有接触倾角时,冰层的破坏模式会发生较大改变。

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.