Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ИНЖЕНЕРНЫЕ
СООРУЖЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА 9
1.1. Проектирование морских гидротехнических сооружений с учетом
усталости материалов 10
1.1.1. Виды разрушений и основные механические свойства
материалов 11
Факторы, влияющие на сопротивление усталости конструкции 12
Оценка расчетных характеристик эксплуатационной нагруженности 14
1.2. Методы описания воздействий ледяного покрова на сооружения
шельфа 18
Модели, описывающие дрейф ледяного покрова 18
Модели ледовой нагрузки 21
Истирающее воздействие ледяного покрова на СКШ 32
Выводы 45
2. РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ
2.1. Математическая модель механического взаимодействия ледяных
полей с сооружением 47
2.2. Исследование математической модели механического взаимодейст-
вия ледяных полей с сооружением 58
2.2.1. Исследование общей математической модели 58
Исходные данные 58
Результаты расчетов и их анализ 63
2.2.2. Приближенная математическая модель количества циклов
нагружения МЛП ледяным покровом 74
Планирование численного эксперимента 74
Результаты расчетов и их анализ 80
2.3. Выводы 81
3. ИСТИРАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ОПОРЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
3.1. Математическая модель истирающего воздействия ледяного покрова
на сооружение (постановка задачи) 82
3.1.1. Зона сооружения, подверженная истирающему воздействию
ледяного покрова 83
3.1.2. Длина участка (пути) ледяного покрова, оказывавшего
истирающее воздействие на сооружение 86
3.1.3. Распределение давления на контакте опоры с ледяными
образованиями 87
3.2. Алгоритм и программа расчета взаимодействия системы
«ледяная плита - опора гидротехнического сооружения» 89
3.3. Исследование математической модели истирающего воздействия
ледяного покрова на сооружение 97
Исследование общей модели 97
Приближенная математическая модель истирающего воздействия ледяного покрова корпуса сооружения 102
3.4. Выводы 104
4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА НАГРУЖЕНИЯ
СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ
Исходные данные 105
Результаты численного моделирования 115
4.2.1. Режим нагружения сооружения дрейфующим ледяным
покровом 115
4.2.2. Истирающее воздействие ледяного покрова на сооружение 121
4.3. Выводы 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЕ №1 140
ПРИЛОЖЕНИЕ №2 144
Введение к работе
Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежности морских ледостойких платформ (МЛП), является ледовый режим морской акватории в районе строительства и, как следствие, - ледовые нагрузки и воздействия на сооружение. Поэтому обоснованное определение ледовых нагрузок, действующих на сооружения шельфа, является чрезвычайно важной народнохозяйственной проблемой. С одной стороны их занижение может привести к значительному материальному и экономическому ущербу, а с другой - их завышение вызывает удорожание сооружения и резкое снижение рентабельности разработки месторождения.
Современные МЛП обладают большой капитальностью и материалоемкостью, а аварии на этих сооружениях могут вызвать серьезные последствия для людей и окружающей среды, в связи с чем к ним предъявляются повышенные требования по надежности.
Следует отметить, что многие вопросы проектирования и строительства МЛП на шельфе замерзающих морей остаются открытыми. В первую очередь требует решения проблема оценки ледовых нагрузок с позиции теории вероятностей и надежности сооружений, так как высокая эффективность инженерных сооружений достигается путем вероятностной оптимизации нагрузок и несущей способности.
Однако действующие в настоящее время нормы проектирования составлены на основе концепции предельных состояний, которая не позволяет полностью учесть случайную природу ледовых нагрузок и воздействий на МЛП. В них практически отсутствуют рекомендации по определению функций распределения параметров ледового режима морских акваторий, используемые для оценки надежности МЛП.
Исследованиями установлено, что ледовые воздействия создают опасные динамические режимы нагружения конструкций сооружения, действующие в течение значительного периода. При этом возникает сложный динамический процесс колебания конструкции, параметры которого зависят не только от свойств льда, но и от характеристик самого сооружения. Как показывают эксперименты, нагрузка на сооружение при хрупком разрушении льда носит циклический характер, что способствует образованию необратимых деформаций и повреждений. Поэтому есть опасность потери несущей способности конструкции за счет накопления усталостных повреждений в опасных сечениях от сравнительно умеренных нагрузок большой повторяемости, и задача оценки надежности с позиции постепенного отказа (аварии от усталостного разрушения) становится актуальной.
В свою очередь, эффективность применения вероятностных методов расчета на усталость связана с тем, что на основе учета рассеяния характеристик прочности и нагруженности, они позволяют рассчитать функцию распределения ресурса
конструкции до возникновения усталостной трещины даже на стадии проектирования.
В нормативной литературе практически отсутствуют рекомендации но прогнозу режима нагружения сооружений дрейфующим ледяным покровом д^я оценки надежности сооружений с позиции возникновения постепенного отказа. Кроме того, недостаточно изучены сами процессы взаимодействия ледяных образований с конструкциями морских гидротехнических сооружений (ГТС), закономерности изменения ледовых нагрузок и возможные расчетные случаи.
Таким образом, проблема определения ледовых нагрузок и воздействий с учетом их вероятностной природы является актуальной.
Целью работы является разработка комплекса мероприятий по повышению надежности МЛП путем совершенствования методик определения количества циклов нагружения сооружения и степени износа его корпуса от истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова.
Основными задачами исследований были:
разработка математической детерминированной модели механического
взаимодействия ледяных полей с сооружением;
разработка методики определения интенсивности истирающего воздействия на
корпус сооружения дрейфующим ледяным покровом;
совершенствование математической модели описания динамики ледяного покрова для расчетов количества циклов нагружения и его истирающего воздействия на сооружения;
разработка алгоритма и программы расчета на ЭВМ;
численные исследования разработанной математической модели;
разработка приближенных математических моделей для определения количества циклов нагружения и для истирающего воздействия сооружения дрейфующим ледяным покровом.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 147 страниц текста, 92 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 150 наименований.
В первой главе представлены некоторые виды разрушения деталей конструкции, рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с расчетами гидротехнических сооружений на усталость. Случайный характер ледовых нагрузок на МЛП обусловлен влиянием множества случайных природных факторов на ледовый режим морских акваторий. Выполнен анализ литературы по методам описания воздействия льда на опоры МЛП. Также приведены некоторые модели описания ледового режима морских акваторий и модели ледовой нагрузки при его взаимодействии с опорами МЛП. Кроме того, даны основные определения и понятия,
необходимые для расчета усталостной прочности конструкции и рассмотрен принцип оценки надежности сооружения с позиции постепенного (усталостного) отказа.
Несущая способность конструкции, определяемая прочностными характеристиками материалов, существенно зависит от наличия необратимых деформаций и накопления повреждений от действующей ледовой нагрузки. В связи с этим есть опасность потери несущей способности элементов конструкции от истирающего воздействия льда, что может привести к серьезным последствиям, для людей и окружающей среды. В акваториях с динамичным ледовым режимом одной из важнейших проблем является определение интенсивности износа конструкций от истирания дрейфующим льдом.
Поэтому в работе представлен краткий обзор методов истирания материалов конструкции в зоне действия льдин.
Все рассмотренные методы воздействия ледяного покрова на ГТС шельфа и суда описывают либо определение самой ледовой нагрузки, либо процессы разрушения льда, либо оценивают несущую способность ледяного покрова. Причем в результате расчетов получают либо ледовую нагрузку, либо глубину внедрения льда в опору, либо сопротивление льда и его составляющие.
Во второй главе изложена математическая постановка задачи имитационного моделирования формирования режима нагружения сооружения ледяным покровом.
Точность определения ледовых нагрузок непосредственно влияет на надежность и экономичность технических решений МЛП. Процесс формирования ледовой нагрузки - достаточно сложная задача. Наиболее достоверными является экспериментальный метод. Однако ледостойких сооружений на шельфе построено сравнительно мало, опыт эксплуатации их ограничен как временем, так и конкретными условиями района строительства. Кроме того, экспериментальный метод очень трудоемок и требует значительных затрат. Таким образом, целесообразно использовать теоретический подход для описания рассматриваемого процесса формирования режима нагружения.
Приведены результаты численных исследований математической модели механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП, выполненные с использованием рекомендаций по планированию эксперимента. В работе использовался план Бокса, где анализ размерностей позволил добиться компактности плана эксперимента без потери общности и контроля.
После математической обработки по программе «Планирование эксперимента» была получена приближенная математическая модель для количества циклов нагружения.
Третья глава посвящена методике определения истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на сооружение.
За период эксплуатации сооружение в зоне действия льда подвергается воздействию большого количества дрейфующих ледяных образований. При этом
каждое взаимодействие характеризуется различными значениями вектора скорости дрейфа, геометрическими размерами ледяных образований, прочностными характеристиками льда, характером взаимодействия, сплоченностью ледяного покрова, уровнем моря и т.п.
Приведены результаты численных исследований модели истирающего воздействия, выполненные с использованием рекомендаций по планированию эксперимента и получена приближенная математическая модель истирающего воздействия ледяного покрова корпуса сооружения.
В четвертой главе приведены результаты численного моделирования режима нагружения сооружения ледяным покровом, дан анализ результатов и выполнен пример расчета сооружения на усталостную прочность конструкции.
Для исследования функционирования разработанной имитационной модели процесса взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП были выполнены численные эксперименты для сооружения диаметром опоры 100м при различных направлениях взаимодействий ледяных полей. Исходные данные, т.е. гистограммы основных параметров ледового режима, были приняты по данным натурных наблюдений в конкретном районе шельфа о. Сахалин.
Численное моделирование проводилось для конкретного объекта - морской ледостойкой платформы "Моликпак", которая в рамках проекта "Сахалин-2" будет установлена на одном из месторождений шельфа о. Сахалин на глубине 30 м.
В результате расчетов для различных направлений дрейфа льдин получены: режим нагружения МЛП F=f(n), распределение контактного давления а и длина прорезания Ах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
создана математическая модель механического взаимодействия ледяных полей с сооружением;
разработана методика определения истирающего воздействия на корпус сооружения дрейфующим ледяным покровом;
разработана и предложена в виде компьютерной программы математическая модель описания динамики ледяного покрова для расчетов количества циклов нагружения и его истирающего воздействия на сооружения;
получены приближенные полиномиальные математические модели для определения количества циклов нагружения сооружения и истирающего воздействия дрейфующим ледяным покровом;
получены численные оценки определения количества циклов нагружения и истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на сооружения.
Практическое значение работы. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании морских ГТС на акваториях замерзающих морей: для определения режима нагружения сооружения ледяным покровом и оценки усталостной прочности и
надежности МЛП.
Разработанная математическая модель позволяет оценить возможность разрушения сооружения под действием усталостных напряжений, а полученные результаты могут быть использованы для оценки надежности сооружения но постепенному отказу, определения срока его эксплуатации и планирования сроков проведения профилактических работ.
Предложенная методика расчета на износ конструкции от истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова предоставляет широкие возможности в проектной практике для оптимизации сооружений.
Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании нормативных документов по расчету шельфовых гидротехнических сооружений на действие ледовых нагрузок.
Результаты исследований использованы:
в отчетах по НИР: "Разработка теоретических основ формирования ледового режима морских акваторий и воздействия ледяных полей на береговую зону" (ГБ 53.2.6.99, Владивосток, 1999); "Построение решения задачи о воздействии дрейфующего ледяного покрова морских акваторий на береговую зону" (Владивосток, 2002); "Разработка методов расчета вероятностных характеристик ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа", выполняемой по научно-технической программе "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Владивосток, 2003-2004);
в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплинам «Сооружения континентального шельфа», «Проблемы портового строительства ка Дальнем Востоке», в курсовых и дипломных работах.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись на конференциях международного общества шельфовой и полярной технологии (ISOPE: Ставангер, 2001, Гонолулу, 2003, Тулон, 2004; PACOMS: Пусан, 1996, Владивосток, 2004); на международном симпозиуме «Охотское море и морской лед» (Момбетцу, 2003); на международных студенческих конгрессах стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1997, 1999, 2001, 2003); на конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998-2004); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (1998-2003); на семинарах кафедры гидротехники СИ ДВГТУ (1997-2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 11 на английском языке.
