Диссертация (1141536), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Испытательная установка изображена на рисунке 3.8. Основныеусловия проведения испытаний приведены в таблице 3.1.а)б)ШтампГидравлический прессИсследуемый ледРисунок 3.8 - Испытательная установка: а) вид сбоку; б) вид спереди [98]65Таблица 3.1 - Условия проведения испытаний1.Высота/ширина штампа400/1500мм2.Высота/ширина измерительной панели250/1000мм3.Толщина льда250мм4.Соленость льда6.2‰5.Температура льда-2.7˚СДля численной модели ледового поля были заданы физико-механические свойства,представленные в таблице 3.2.
Поскольку исследуемый лед был относительно теплым и имелвысокий показатель солености, то модуль упругости и, в целом, прочностные характеристикильда были заданы невысокими. Назначение прочностных свойств проводились согласнорекомендациям ISO 19906 и на основе исследований [37].Таблица 3.2 - Физико-механические свойства льда по модели Мора-Кулона1.Плотность900кг/м32.Модуль упругости 1000МПа3.Коэффициент Пуассона 0.3-4.Угол внутреннего трения35˚5.Коэффициент сцепления0.6МПаГраничные условия численной модели: на рисунке 3.9 изображена численная модельвнедрения прямоугольного штампа в ледовое поле и соответствующие граничные условия.
Дляупрощения задачи в модели была представлена часть ледового поля в виде пластины размерами4000х6000 мм с ограничением перемещений по боковым сторонам (на рисунке 3.9 – сторона Си ей противоположная) по осям Y и Z. Сила, вынуждающая ледовое поле двигаться в сторонуштампа была приложена со стороны А. Штамп ограничен от перемещений по оси Х (силаледового воздействия определяется путем нахождения реакции Rx). В зоне непосредственногоконтакта со штампом конечно-элементная сетка ледового поля принималась большей частоты,чем для остального поля.
Гравитационные силы и гидродинамические эффект воды неучитывались.66Рисунок 3.9 Численная модельвнедренияпрямоугольногоштампа в ледовоеполе исоответствующиеграничныеусловияЛедовое полеШтампИзмерительная панельРезультаты моделирования и верификация численной модели: результаты полевыхиспытаний и численного моделирования показывают, что пик нагрузки от однородноголедового поля приходится на первоначальный контакт, когда торцевая сторона льдины имеетровную неповрежденную поверхность. Как показано на рисунке 3.10, последующая нагрузка отледового поля составляет 20-80% от первоначальной.
Также видно, что численная модельдостаточно точно повторяет характер колебаний ледовой нагрузки во времени, которыйпрослеживается при полевых испытаниях.F, кН1502120906030010102030405060708090100T, cРисунок 3.10 - График колебаний нагрузки от ледового поля на экспериментальную установку(штамп): 1 – в ходе полевых испытаний; 2 – в ходе численного моделированияВо многих источниках упоминается о том, что нагрузка на сооружение от ледового поляпередается через зоны высокого давления [100], которые в основном концентрируются всредней части зоны контакта льда с сооружением. Причиной тому является хрупкоеразрушение льда и неплотный контакт льда с объектом воздействия. То же явление былоотмечено при полевых испытаниях в Охотском море (рисунок 3.11).
При этом при67первоначальном контакте зона высоких давлений составила около 27% от общей площадиконтакта, впоследствии не более 8%. Среднее давление по площади зон локального воздействиясоставило 2.08 МПа.а)б)Рисунок 3.11 - Графическое представление зон высокого давления: а) при первоначальномконтакте штампа со льдом; б) при последующем внедрении штампа в лед [98]Численная модель показала схожие результаты относительно характера ледовогодавления в зоне контакта льда на сооружение. Графически результаты численногомоделирования представлены на рисунке 3.12. Во-первых, стоит отметить, что острые краяпрямоугольного штампа концентрируют напряжения во льду при первоначальном контактеименно по углам (рисунок 3.12а), откуда и начинается разрушение ледового поля (рисунок3.12б). После того, как происходит разрушение льда по углам штампа, основное давлениеприходится на центральную часть установки, где расположена измерительная панель.
Ввидуплотного контакта с еще неразрушенным торцом ледового поля, измерительная панельфиксирует большую плотность зон высоких напряжений ледового давления (рисунок 3.12е).Далее, при окончательном разрушении торцевой части льдины (рисунок 3.12в), зоны высокихдавлений уже занимают незначительную часть от общей площади контакта (рисунки 3.12ж,3.12з), хаотично проявляясь в разных местах по площади зоны контакта.68а)д)б)е)в)ж)г)з)МПаРисунок 3.12 - Графическое представление результатов численного моделирования внедренияпрямоугольного штампа в ледовое поле: а) б) в) г) – поля главных нормальных напряжений вледовом поле; д) е) ж) з) – давление ледового поля на измерительную панельМоделирование лабораторных модельных испытаний взаимодействия ледового поля счетырехопорной конструкциейИсходные данные: в 2010 году в бассейне Крыловского научного центра былипроведенымодельныеиспытаниявоздействияледовогополяначетырехопорноегидротехническое сооружение.
Для эксперимента были созданы 2 модели с разным69расстоянием между опорами (L/D=2.5 и L/D=6.0). Испытания проводились при трех различныхуглах воздействия льда на модель: = 0°; = 30°; = 45°. Модели изображены на рисунке3.13, их геометрические характеристики представлены в таблице 3.3. Прочностные параметрыльда, которые принимались для численной модели, такие же, как и в таблице 3.2.а)б)Рисунок 3.13 - Модели четырехопорного гидротехнического сооружения: а) – с расстояниеммежду опорами L/D=2.5; б) – с расстоянием между опорами L/D=6.0; где L – расстояние междуосями опор, D – диаметр опор [99]Таблица 3.3 - Геометрические характеристики моделей№ПараметрМодель 1Модель 21.Диаметр опоры, D, м0.0770.0772.Расстояние между осями опор, L, м0.1930.4623.Отношение L/D2.56.0верификациичисленнойГраничныеусловиячисленноймодели:длямоделипринимается экспериментальная модель 2 (рисунки 3.13б и 3.14).
Для упрощения задачи вмодели представлена часть ледового поля в виде пластины размерами 1200х1200 мм сограничением перемещений по боковым сторонам (на рисунке 3.14a – сторона С и ейпротивоположная) по осям X и Z. Сила, вынуждающая ледовое поле взаимодействовать смоделью, приложена к модели сооружения со стороны B. Сила ледового воздействияопределяется путем нахождения реакции Ry со стороны A ледового поля. В зоненепосредственного контакта с опорами, конечно-элементная сетка ледового поля принимаетсябольшей частоты, чем для остального поля. Гравитационные силы и гидродинамическиеэффекты воды не учитываются.70а)б)в)Рисунок 3.14 - Численная модель воздействия ледового поля на четырехопорное сооружение:а) при угле воздействия льда = 0°; б) при угле воздействия льда = 45°;в) при угле воздействия льда = 30°Результаты моделирования и верификация численной модели: как видно из рисунке3.15, картина разрушения льда при прорезании его моделью при численном моделировании ипри модельных испытаниях, в целом, совпадает.а)б)Рисунок 3.15 - Картина разрушения льда при воздействии на четырех опорное сооружение подуглом = 30°: а) при численном моделировании; б) в ходе модельных испытаний71Основной задачей модельных испытаний в бассейне Крыловского научного центра былоизучение взаимовлияния опор при различных углах воздействия ледового поля.
Результатыэксперимента и численного моделирования приведены в таблице 3.4.Таблица 3.4 - Общий коэффициент взаимовлияния опор четырех опорной конструкции приразных углах воздействия ледового поля (другими словами, во сколько раз нагрузка начетырехопорную конструкцию больше, чем на одну опору), /1РасстояниемеждуЭкспериментУгол воздействияЧисленнаяледового поляV=0.01 м/сV=0.05 м/смодель6D0˚1.732.342.16D30˚2.93.623.46D45˚2.532.512.5опорамигде V – скорость прорезания моделью ледового поля.Результаты лабораторного эксперимента и численного моделирования согласуются вколичественной оценке общего коэффициента взаимовлияния опор для четырехопорногосооружения.
В случае, когда одна или две опоры находятся полностью в тени других опор(соответственно при = 45° и = 0°), ледовая нагрузка на сооружение меньше, чем когда ледвоздействует на все четыре опоры.Выводы по Главе 3В Главе 3 была задана численная модель воздействия ровного ледового поля нагидротехническое сооружение с вертикальной опорной частью с целью моделирования впрограмме ANSYS. Для модели были определены следующие ключевые положения:- был выбран подход к моделированию ровного ледового поля как твердого сплошноготела;- процесс разрушения льда был задан при помощи Модели Удаления Элементов;- в качестве критерия прочности для льда была принята теория Мора-Кулона.С целью верификации численной модели были рассмотрены две экспериментальныеработы:1.Внедрение прямоугольного горизонтального штампа в ледовое поле (натурныеиспытания в Охотском море, 1998;722.Лабораторные модельные испытания взаимодействия ледового поля с четырех-опорной конструкцией в бассейне Крыловского научного центра, 2011.В рамках сравнения результатов численного моделирования с первым натурнымэкспериментом по внедрению горизонтального штампа в ровный лед была проведена оценкаколебаний ледовой нагрузки во времени.
В ходе полевого испытания и численногомоделирования был отмечен одинаковый пик нагрузки при первоначальном контакте, равный150 кН. Далее после взлома кромки льда нагрузка упала до 30 кН. При дальнейшем внедренииштампа в лед было отмечено повышение ледовой нагрузки, которая имела циклическийхарактер. Повышение нагрузки по численной модели было до 40-130 кН, по результатамнатурных измерений до 30-90 кН (рисунок 3.10).В рамках того же сравнения была проведена оценка характера передачи давления льда наустановку при внедрении штампа в лед.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
