垂向载荷作用下的冰层破裂及其影响因素分析.docx

? ? 垂向载荷作用下的冰层破裂及其影响因素分析 ? ? 汪春辉， 朱广元， 王 超， 郭春雨， 王嘉安 (哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程学院，哈尔滨 150001) 在极区，冰层常被用作道路、机场、停车场和建筑平台，此时冰层会受到自上而下的垂向载荷；当冰层下航行潜艇上浮并穿透冰层露出水面时，冰层受到自下而上的垂向载荷。因此，垂向载荷作用下的冰层破裂过程及其影响因素的分析研究，对于极区军事、科研和勘探活动的安全进行具有十分重要的意义[1]。 冰层在垂向载荷作用下的断裂破碎是一个非常复杂的过程，不仅与冰的物理力学性质有很大关系，还与冰与结构物接触角度、接触面积和相对速度等有关。到目前为止，冰层在垂向载荷作用下的破裂研究主要集中在试验和数值研究两个方面。Frankenstein[2-3]进行了淡水冰层的全尺寸突破载荷试验，描述了集中载荷和均布载荷下冰层的破裂现象。Gold[4]绘制了浮冰厚度与突破载荷关系曲线图，并发现载荷大多数在350h2～7 000h2，其中h为冰层厚度。Sodhi[5]进行了一系列小规模试验，用不同直径和端部形状的圆柱形压头，以恒定速度将漂浮的冰层垂直向上推，并测量由此产生的相互作用力。Beltaos[6]结合冰的黏弹性性质和冰层的破坏模式，分别将冰的应力、应变、挠度和应变能作为失效判据，并进行对比。Kujala等[7]为探究冰的弯曲破坏行为进行了一系列全尺寸试验和模型试验。试验研究手段能够有效地观测冰在垂向载荷作用下的破坏模式，然而在试验过程中，冰样品的制作没有统一的规范标准，且试验过程不能有效定量地控制影响变量，因此，仍需要理论和数值方法辅助研究冰的力学特性。随着数值模拟技术的进步，有限元方法作为一种可以考虑冰作用机理的数值手段正在成为解决冰与结构物相互作用问题的一种有效方法：Gagnon[8]在LS-DYNA软件中采用了一种“可压碎泡沫”线弹性硬化材料作为冰本构模型，通过数值模拟预报了循环锯齿载荷和压力分布，该数值模型与试验观测冰力学特征基本相同。Daiyan等[9]模拟了北极海域海上结构物与浮冰、冰脊等之间的相互作用，数值模拟与解析方法对比分析误差在15%左右。Gao等[10]提出了一种用各向同性材料来模拟极限条件下的船-冰山碰撞，并通过LS-DYNA中的用户自定义模块编译了冰的本构模型，结果表明，该各向同性材料能够很好地体现冰山力学行为。郭春雨等[11]基于LS-DYNA软件进行了冰区船舶在碎冰区域的航行阻力预报，成功模拟了碎冰与船舶相互作用的典型物理现象。武文华等[12]进行了海冰与锥体抗冰结构动力作用的数值模拟，其模拟结果与实测海冰的弯曲断裂过程结果相符。最近，无网格方法也在冰冲击问题领域展露头角[13-14]，然而这些方法仍处于起步阶段，还需投入大量的研究工作。 从上述文献中可以发现：基于LS-DYNA商用软件的冰力学行为研究是现下常用的且较成熟的一种预报冰与结构物作用的数值研究方法。LS-DYNA中基于von Mises屈服准则的弹塑型本构模型已广泛应用于冰本构模型建立中：文献[15-19]将分段线性弹塑性材料应用于船冰等冰与结构物研究，可较好地模拟冰材料失效变成碎冰的过程；Das等[20-21]采用一种典型的各向同性的弹塑性材料模拟冰的弯曲行为，破裂过程以及弯曲强度与试验结果相符。然而，仍缺少关于冰层在垂直载荷作用下破坏特性方面的研究。因此，本文在上述学者建立的冰本构模型基础上，深入研究了平整冰层在垂向载荷作用下的破坏过程，分析了冰与结构物不同接触角度、接触面积以及相对速度等因素对冰层突破载荷的影响，为在冰层上从事科研和建设活动提供一种作为安全判据的数值模拟方法。 1 理论基础 1.1 冰本构模型 在本文的数值模拟研究中，所选冰本构材料是LS-DYNA中的124号材料*MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION[22]，124号材料是一种弹塑性应变率模型，旨在模拟冰行为，该材料的von Mises屈服准则为 (1) 式中：J2为第二应力不变量；σy为屈服应力。 第二应力不变量J2根据偏应力分量Sij定义为 (2) 屈服应力σy的表达式为 σy=σ0+Epεeff,p (3) 式中：σ0为初始屈服应力；εeff,p为有效塑形应变；Ep为塑形硬化模量。 另外，对于压缩和拉伸，可以定义一个独特的屈服应力与有效塑性应变曲线。名义应力的符号决定张力，其中正应力表示拉伸状态。黏性应力张量叠加在塑性产生的应力张量上，两条载荷曲线ft(p)和fc(p)，分别为在拉伸和压缩状态下的屈服应力σy和有效塑形应变εeff,p的关系。当超过名义拉伸应力和名义压缩应力pt和pc时，分别确定是否遵守拉伸或压缩曲线。如果应力p在两个值之间时，两条曲线之间的一个加权平均值pf将被使用。 (