Введение к работе
Актуальность работы. Во всех странах, имеющих замерзающие внутренние водные пути, а также осуществляющих судоходство в арктических и антарктических морях, всегда уделялось большое внимание проблеме продления навигации. Необходимость обеспечения навигации, в свою очередь, ставит задачу разрушения ледяного покрова в замерзающих портах, заливах и бухтах, при прокладке каналов во льду, для более раннего вскрытия рек и водохранилищ и т.д.
Необходимость разрушения льда возникает также при обслуживании гидротехнических сооружений. В последнее время в связи с расширяющейся добычей нефти и газа на континентальном шельфе особое значение приобрело обеспечение безопасности от повреждения ледовыми нагрузками морских платформ в тех районах, где в зимнее время акватория покрывается льдом. Это, в частности, может потребовать разрушения льда около них.
Известно большое количество способов разрушения ледяного покрова. Проблеме использования для этой цели судов на воздушной подушке (СВП), посвящены работы В.А. Зуева, В.М.Козина, Ю.А. Двойченко. При разрушении льда СВП требуется обеспечить такой режим движения, который приводил бы к появлению возможно больших напряжений во льду и к его разрушению. Следовательно, возникает необходимость оценки напряженно-деформирован-ного состояния (НДС) ледяного покрова, находящегося под действием движущейся нагрузки.
С аналогичной задачей приходится встречаться также и при расчете несущей способности ледяного покрова в случае движения транспортных средств по зимним ледовым дорогам на замерзающих акваториях, а также при использовании ледяного покрова рек и озер в качестве взлетно-посадочных полос (ВПП) в труднодоступных, малоосвоенных районах с пересеченной местностью. При эксплуатации ледовых трасс и зимних аэродромов анализ НДС ледяного покрова необходим для разработки режимов движения транспортных средств, обеспечивающих сохранение несущей способности ледяного покрова и, следовательно, безопасность движения.
В настоящее время имеется достаточно большое количество работ (Д.Е. Хейсин, С.С. Голушкевич, А.Е. Букатов, К.Е. Иванов, Г.Р. Брегман, Б.В. Проскуряков, П.П. Кобеко, Л.В. Черкесов, И.С. Песчанский, A.P. Crary, K. Hunkins, T. Takizawa, V.A. Squire и др.), посвященных исследованию НДС, возникающего в данном случае в сплошном ледяном покрове. Однако в результате наблюдений за реальным процессом разрушения льда движущимся объектом установлено, что окончательному разрушению предшествует появление трещин, рассекающих ледяной покров на достаточно крупные блоки. При этом лед еще сохраняет значительную несущую способность, которая обеспечивается взаимодействием кромок трещин. Поэтому при определении безопасных параметров движения транспортного средства может потребоваться расчет НДС не только непрерывного ледяного покрова, но и с учетом уже образовавших в нем трещин.
В связи с этим актуальными становятся вопросы разработки способов расчета и исследования на их основе НДС ледяного покрова с трещинами, находящегося под действием движущейся нагрузки. Полученные при этом результаты могут быть полезными при выборе оптимальных режимов движения СВП при разрушении льда либо при эксплуатации транспортных средств на ледовых трассах и ВПП.
Целью работы является решение проблемы оценки НДС ледяного покрова с трещиной при движении по нему нагрузки при любых ледовых условиях и при любом законе движения, а также исследование наиболее важных случаев движения нагрузки по ледяному покрову.
Основными этапами работы были:
построение способа моделирования сквозной трещины в ледяном покрове;
разработка программы для выполнения расчетов на ЭВМ;
исследование некоторых наиболее важных случаев движения нагрузки по ледяному покрову, ослабленному сквозной трещиной.
Методы исследований. Решение задачи было выполнено численным методом, основанным на комбинации метода конечных элементов (МКЭ) и метода конечных разностей. Результаты расчетов сопоставлялись с результатами экспериментов на специально созданной экспериментальной установке в ГОУВПО КнАГТУ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен способ моделирования сквозных трещин в ледяном покрове, находящемся под действием движущейся нагрузки, при численном решении проблемы оценки НДС, который позволяет, во-первых, производить расчет при любой геометрической конфигурации трещин, во-вторых, учитывать наличие упругого сопротивления раскрытию берегов сквозных трещин вследствие возникновения контактных напряжений на их кромках.
впервые были получены теоретические решения ряда задач по оценке НДС ледяного покрова, ослабленного наличием сквозной трещины.
экспериментально исследовано влияние сквозной трещины на характер деформирования упругой пластины, лежащей на упругом основании гидравлического типа и находящейся под действием движущейся нагрузки.
Практическое значение работы. Полученные результаты могут быть применены при разработке рекомендаций судоводителям по выбору опти-мального режима движения СВП, используемого как ледоразрушающее средст-во (в частности, для определения, какая скорость и какая траектория движения окажутся оптимальными при данной ледовой обстановке и данной конфигура-ции имеющихся трещин в ледяном покрове, какой толщины лед может ломать СВП при данном давлении в воздушной подушке и т.д.). Они могут быть использованы также при разработке рекомендаций по безопасной эксплуатации ледовых трасс и зимних аэродромов, имеющих локальные повреждения в виде сквозных трещин. И наконец, полученные результаты могут являться основой для разработки теоретической модели процесса полного разрушения ледяного покрова (потери его несущей способности), находящегося под действием движущейся нагрузки, в динамической постановке.
Личный вклад автора. Изложенный в диссертации способ моделирования сквозных трещин в ледяном покрове при численном решении задач оценки НДС ледяного покрова при движении по нему нагрузки является итогом личных исследований автора. Лично автором был разработан и поставлен математический эксперимент по определению коэффициента погонной жесткости, характеризующего силы упругого взаимодействия берегов трещины. Лично автором разработана программа расчета и получены решения всех задач о движении нагрузки по ледяному покрову, ослабленному сквозными трещинами, приведенных в диссертации (расчет НДС ледяного покрова с трещиной при движении нагрузки по прямолинейной и синусоидальной траектории). Лично автором были выполнены модельные эксперименты по исследованию влияния сквозной трещины в ледяном покрове на деформации льда при движении по нему нагрузки.
Автор искренне признателен преподавателям кафедры теоретической и прикладной механики ГОУ ВПО КнАГТУ и сотрудникам ИмиМ ДВО РАН, принимавшим участие в обсуждении результатов исследований на разных этапах работы. Их полезные советы и критические замечания были учтены при завершении и окончательном редактировании диссертации. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.Д. Жесткой за всестороннюю помощь на всех этапах работы над диссертацией. Глубокую признательность автор выражает д.т.н., проф. В.М. Козину за научные консультации, плодотворные замечания, полезные советы и оказанную помощь в подготовке и редактировании диссертации.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
теоретическое решение проблемы оценки НДС ледяной пластины с трещиной, находящейся под действием движущейся нагрузки.
результаты теоретических исследований НДС ледяной пластины с трещиной при различных видах траектории движения нагрузки.
результаты теоретических исследований по определению сил сопротивления раскрытию берегов сквозной трещины, обусловленных контактным взаимодействием её берегов.
экспериментальные исследования изгиба модельного ледяного покрова с трещиной под действием движущейся нагрузки.
Достоверность полученных результатов обоснована: сопоставлением теоретических выводов с результатами проведенных экспериментов, при котором обнаружено хорошее совпадение полученных значений определяемых величин в том и в другом случае; использованием в качестве исходного классического уравнения колебаний пластины на упругом основании под действием внешних нагрузок.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и были опубликованы в материалах конференций: “Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 29-й научно-технической конференции аспирантов и студентов” (Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.) “Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения” (Владивосток, 2003 г.,2004 г.), опубликованы в журналах ПМТФ (2008 г.) и “Транспорт: наука, техника, управление” (2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 науч-ных работах (6 – в соавторстве, 2 – опубликованы в журналах, рекомендован-ных ВАК). В числе научных работ – 3 патента на изобретения (в соавторстве).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения. Она содержит 173 страницы текста, в том числе 131 рисунок, 6 таблиц. Список литературы включает 100 наименований. Приложение содержит документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
