覆雪水平对冰排与锥形结构相互作用进程的控制机理研究

论文摘要

为了开发寒冷海域丰富的自然资源，人们已在冰区建立了大量平台结构。在平台上安装抗冰锥体可以有效减小作用在结构上的冰力，这一方法已在寒区工程中广为应用。在现场观测中发现覆雪条件会对冰排与锥形结构间的相互作用进程造成明显影响，但受到现场观测技术和模型试验技术的限制尚未对这一问题进行系统研究。本文开展覆雪冰排与锥形结构相互作用的室内模型试验，首次实现覆雪模型冰排的制取。在试验中模拟了不同覆雪模型冰排与相同锥体模型的相互作用，锥体模型的几何参数保持不变(锥角60°，水线面处锥径60cm)。在试验中设置了两种径厚比条件(水线面处锥径与冰厚之比)、5种冰速条件以及3种不同的覆雪状态(泉华雪、初降新雪和分层组合雪)，在每种覆雪状态下分别设置了3种雪厚条件。包括无雪冰排的对比试验共进行了100组冰模型试验。试验中系统研究了覆雪水平对碎冰尺寸、碎冰堆规模、锥体冰力幅值和周期的影响。在试验现象中发现只有径厚比较大且冰排覆雪时才能形成稳定的碎冰堆。覆雪条件明显减小碎冰尺寸，增加冰排破坏过程中的非同时性。在不同径厚比和覆雪条件下会形成不同的碎冰堆形式。当径厚比较小且有雪覆盖时，碎冰堆表现为锥面上的多层上爬冰，碎冰堆不稳定。当径厚比较大且有雪覆盖时，在锥体与冰排交界处形成较稳定的碎冰堆。不同覆雪状态会对锥体冰力造成不同影响。泉华雪提高冰排强度，进而增大了锥体冰力。初降新雪和分层组合雪降低了冰排强度，使锥体冰力减小。为考虑覆雪水平对锥体冰力的影响，引入冰强度、冰厚和冰排破坏模式的折减系数，在模型试验基础上对Ralston锥体冰力公式进行修正。将修正公式的计算结果与试验数据对比，验证了修正公式的有效性。覆雪水平对锥体冰力周期有明显影响。当径厚比较小时，覆雪条件不会对冰力周期造成本质影响，仅增大其破坏过程中的非同时性。当径厚比较大时，覆雪条件对锥体冰力周期影响明显。覆雪条件影响远端环向裂纹的破坏周期，进一步增加了冰排破坏过程中的非同时因素。同时，碎冰堆的清除过程一方面增大了锥体冰力中的高频成分，另一方面其清除—堆积过程本身就具有周期特征，对锥体冰力周期有明显影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 破冰锥体结构
• 1.3 研究进展
• 1.4 研究意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 覆雪冰排的物理力学性质
• 2.1 冰排的物理力学性质
• 2.1.1 冰排的抗压强度
• 2.1.2 冰排受压条件下的断裂机理
• 2.1.3 冰排受拉条件下的断裂机理
• 2.1.4 冰排的抗弯强度
• 2.1.5 冰排的厚度和摩擦
• 2.2 覆雪对锥前冰排物理力学性质的影响
• 2.2.1 覆雪保温作用对冰排的影响
• 2.2.2 覆雪变质作用对冰排的影响
• 2.2.3 覆雪摩擦作用对冰排的影响
• 2.3 小结
• 第三章 冰排与锥形结构的相互作用
• 3.1 冰排在锥形结构前的断裂长度
• 3.2 碎冰在锥形结构前的堆积进程
• 3.2.1 碎冰在锥前的堆积行为
• 3.2.2 碎冰堆形成的控制因素
• 3.2.3 碎冰堆的形状特征
• 3.2.4 碎冰堆积对锥体冰力的影响
• 3.3 锥体冰力和冰激振动
• 3.3.1 锥体冰力
• 3.3.2 冰激振动
• 3.4 小结
• 第四章 室内物理模型试验
• 4.1 试验设备
• 4.1.1 制冷系统
• 4.1.2 拖车系统
• 4.1.3 拖车控制与数据采集处理系统
• 4.2 模型律和模型比尺
• 4.2.1 弗汝德数 Fr
• 4.2.2 雷诺数 Re
• 4.2.3 柯西数 Ca
• 4.2.4 冰数 In
• 4.2.5 本文冰力模型试验中的模型律
• 4.2.6 模型比尺
• 4.3 试验模型
• 4.4 覆雪冰排的制取
• 4.4.1 模型冰的制取
• 4.4.2 冰排上覆雪的制取
• 4.5 试验过程
• 4.6 试验现象
• 4.6.1 无雪状态下试验现象
• 4.6.2 覆雪状态下试验现象
• 4.6.3 碎冰堆积的影响因素
• 4.7 小结
• 第五章 试验结果和分析
• 5.1 覆雪水平对碎冰尺寸的作用
• 5.1.1 碎冰尺寸随冰速变化情况
• 5.1.2 碎冰尺寸随雪厚变化情况
• 5.2 覆雪水平对堆积规模的作用
• 5.2.1 堆积规模随冰速变化情况
• 5.2.2 堆积规模随雪厚变化情况
• 5.3 覆雪水平对锥体冰力的作用
• 5.3.1 锥体冰力随冰速变化情况
• 5.3.2 锥体冰力随雪厚变化情况
• 5.4 锥体静冰力公式的修正
• 5.4.1 覆雪水平对冰排强度的影响
• 5.4.2 覆雪水平对冰排厚度的影响
• 5.4.3 碎冰堆载荷的计算
• 5.4.4 覆雪水平对冰排破坏模式的影响
• 5.4.5 修正的锥体静冰力公式
• 5.5 覆雪水平对锥体动冰力的作用
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢