Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов расчета глобальной ледовой нагрузки на конусные конструкции при взаимодействии их с однолетними ледяными образованиями 11
1.1. Методы оценки ледовых нагрузок на конусные конструкции от воздействия ровного льда 11
1.1.1. Модель Ралстона 11
1.1.2. Модель Невела 16
1.1.3. Модель Крооасдейла 19
1.1.4. Основные особенности и недостатки существующих методов оценки нагрузок на конусные конструкции от ровного льда 20
1.2. Методы оценки ледовых нагрузок на конусные конструкции от воздействия однолетнего торосистого образования 22
1.2.1. Методы оценки нагрузок от киля и паруса тороса 24
1.2.2. Сопоставление результатов расчетов ледовых нагрузок от торосистых образований, полученных с применением различных расчетных схем 29
1.2.3. Основные недостатки существующих расчетных методов оценки ледовых нагрузок на инженерные сооружения от торосистых образований 30
2. Экспериментальные исследования процессов взаимодействия со льдом конусных конструкций, ломающих лед изгибом вниз 33
2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 33
2.2. Описание эксперимента 33
2.3. Результаты экспериментальных исследований 39
2.3.1. Описание физических процессов 39
2.3.2. Временные зависимости суммарных ледовых нагрузок 40
2.3.3. Обработка результатов экспериментов. Построение регрессионных моделей 43
3. Определение глобальной ледовой нагрузки на конусные конструкции, ломающие лед изгибом вниз, при их взаимодействии с ровным льдом 46
3.1. Постановка задачи и принятые допущения 46
3.2. Структура формул для определения глобальной ледовой нагрузки 48
3.3. Сила ломки ледяного поля 49
3.4. Сила, необходимая для разворота блока льда на наклонную поверхность конуса57
3.5. Сила проталкивания слоя льда по наклонной поверхности 63
3.6. Вклад отдельных составляющих в глобальную ледовую нагрузку 65
3.7. Сопоставление результатов расчетов по разработанной схеме и данных экспериментальных исследований 67
4. Расчет глобальной ледовой нагрузки при взаимодействии сооружения с однолетним торосистым образованием 73
4.1. Дискретно-элементная модель киля тороса 73
4.1.1. Основные положения 76
4.1.2. Математическая модель контактной силы 79
4.1.3. Верификация модели 82
4.1.4. Сопоставительные расчеты 88
4.1.5. Задача о внедрении в киль тороса пластины при ее повороте 95
4.2. Метод определения глобальной ледовой нагрузки на сооружение при взаимодействии его с однолетним торосом 97
4.2.1. Расчетная схема 97
4.2.2. Сопоставление с экспериментальными данными 100
5. Применение разработанного расчетного метода для определения глобальной ледовой нагрузки на инженерное сооружение 102
5.1. Оценка глобальной ледовой нагрузки на различные варианты платформы для освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения 102
5.2. Вероятностная оценка глобальной ледовой нагрузки на ледостойкое сооружение при взаимодействии его с ровным льдом 106
Список использованных источников 117
- Основные особенности и недостатки существующих методов оценки нагрузок на конусные конструкции от ровного льда
- Обработка результатов экспериментов. Построение регрессионных моделей
- Сопоставление результатов расчетов по разработанной схеме и данных экспериментальных исследований
- Оценка глобальной ледовой нагрузки на различные варианты платформы для освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения
Основные особенности и недостатки существующих методов оценки нагрузок на конусные конструкции от ровного льда
Хотя метод Кроасдейла ориентирован на сооружения с протяженной наклонной гранью, его используют для оценки ледовых нагрузок и на конусные конструкции /76/. Однако это требует осторожного подхода: на величину глобальной ледовой нагрузки значительно влияют параметры нагромождений льда перед сооружением, имитирующих процесс наслоения блоков льда при наползании их на конусную поверхность. Эти параметры назначаются достаточно произвольно, что может привести как к значительной недооценке, так и переоценке ледовых нагрузок.
Из-за произвольного назначения ключевых параметров расчета, результаты, полученные с применением метода Кроасдейла, сложно сопоставлять с результатами расчетов по другим методам. Однако, сравнение величин составляющих ломки, определенных по методу Кроасдейла и Невела, указало на практическое совпадение их величин. Это позволяет составляющую ломки оценивать более простым способом, предложенным Кроасдейлом, и не прибегать к решению более сложной задачи об изгибе клиньев, покоящихся на упругом основании.
Рассмотренные выше традиционные схемы оценки глобальных ледовых нагрузок обладают общими характерными признаками: ломка ровного льда при его контакте с конусной поверхностью происходит вследствие изгиба ледяной пластины; глобальная ледовая нагрузка определяется простым суммированием составляющих, связанных с ломкой ледяного поля и проталкиванием блоков льда по наклонной поверхности с преодолением сил трения льда о конструкцию; предусмотрена простая модификация формул для расчета ледовых нагрузок при переходе от случая конусов, ломающих вверх, к конусам, ломающим вниз, без нарушения структуры этих формул; рассматривается случай статического взаимодействия льда с конусной конструкцией, что позволяет не учитывать динамические эффекты и инерционные характеристики льдин. Попытки учесть влияние скорости дрейфа льда на ледовую нагрузку в теоретических расчетах были предприняты Р. Фредеркингом /33/, Ю. Алексеевым /37/, М. Карулиной /17/, К. Шхинеком /75/, Е. Уваровой /32/. Однако, во всех этих работах рассматривалось влияние скорости на отдельные аспекты взаимодействия, а окончательного расчетного метода, позволяющего в полной мере учесть скорость дрейфа льда, не приведено. Так, в работе Р. Фредеркинга рассматривается задача динамического разворота пластины, конец которой скользит по наклонной поверхности, вокруг шарнира, расположенного на другом конце пластины. В работах К. Шхинека и Е. Уваровой: - предложено учитывать проявление инерционных эффектов взаимодействия, связанных с динамикой движения обломков как твердого тела; - вводится предположение, что при относительно больших скоростях дрейфа льда происходит переход от ломки ледяного поля изгибом к ломке сжатием или срезом, и исследуется влияние скорости на силу ломки, из условия реализации именно этого типа разрушения льда. Как показали теоретические и экспериментальные исследования Мяаттанена /66/, при определенных условиях можно ожидать эффекта перехода к другому типу разрушения льда с ростом скорости дрейфа. Однако, эти условия не являются типичными для большинства регионов, в которых предполагается установка ледостойких сооружений. В методе, разработанном Ю. Алексеевым и М. Карулиной, предложено ввести некоторые коэффициенты, позволяющие учесть влияние скорости дрейфа льда на геометрические параметры нагромождений перед сооружением, и, тем самым, косвенным образом учесть ее влияние на глобальную ледовую нагрузку. В целом же разработанный метод не выходит за рамки статического приближения. Как показали данные целого ряда модельных исследований, в том числе проведенных в ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова /22, 14/, глобальная нагрузка на конусные конструкции существенно зависит от скорости дрейфа льда В реальном диапазоне скоростей дрейфа натурного льда - до 1.5-2.1 м/с - глобальная ледовая нагрузка может возрасти примерно в 2 раза по сравнению со значением, полученным при скоростях дрейфа, близких к нулю. Поэтому последний из перечисленных выше признаков, по сути, является существенным недостатком традиционных расчетных методов. Разработка нового расчетного метода, лишенного этого недостатка, применительно к ломающим вниз конусам составила одну из основных задач, решенных в диссертационной работе. В отличие от многолетнего тороса, когда все образование может рассматриваться как некоторое монолитное тело, однолетнее торосистое образование традиционно схематически представляют состоящим из трех частей: консолидированной части, киля и паруса тороса (рис. 1.4). В соответствии с таким упрощенным представлением разработаны и расчетные схемы для оценки воздействия на сооружение от торосистых образований, используемые в настоящее время отечественными и зарубежными специалистами. Во всех существующих расчетных моделях предусмотрено разделение суммарной ледовой нагрузки от воздействия
Обработка результатов экспериментов. Построение регрессионных моделей
Составляющая проталкивания слоя льда по наклонной поверхности не зависит от времени, а определяется лишь толщиной слоя льда углом наклона конусной поверхности и коэффициентом динамического трения льда об обшивку конструкции. Некоторые отклонения ее величины от значения, определяемого по формулам (3.33), могут быть обусловлены увеличением толщины слоя льда на поверхности конуса (фактическая толщина слоя льда превышает /г. вследствие наслоения блоков льда) или уменьшением высоты наползания блоков льда (фактическая высота подъема блоков меньше h(y)).
Поскольку процесс наслоения льда носит локальный характер, и при одновременном действии влияние этих факторов на изменение нагрузки взаимно компенсируется, то отклонениями значений составляющих силы проталкивания можно пренебречь.
Независимость составляющей проталкивания льда от времени еще раз подтверждает правомерность допущения об одновременном достижении всех составляющих глобальной ледовой нагрузки своих максимальных значений.
На основе изложенного алгоритма разработана компьютерная программа (язык программирования СИ), позволяющая оценить значения действующих на конусную конструкцию глобальной ледовой нагрузки и ее отдельных составляющих, а также проследить изменение этих значений с ростом скорости дрейфа льда. На основании этих расчетов могут быть построены кривые зависимости вклада каждой компоненты нагрузки от скорости дрейфа. Пример таких расчетных кривых для конусной конструкции с углом наклона граней 35 приведен на рис. 3.12 и 3.13. Видно, что при малых скоростях дрейфа льда (в рассматриваемом случае - до 0.1 м/с) доля инерционной составляющей, связанной с разворотом блоков льда, в суммарной силе незначительна. Глобальная ледовая нагрузка в основном (почти на 90%) определяется силой ломки льда и в значительно меньшей степени (примерно на 10%) - силой, необходимой для проталкивания слоя льда по наклонной поверхности. В отличие от традиционных расчетных схем (Ралстона, Невела, Кроасдейла), учитывающих эти две составляющие глобальной ледовой нагрузки, 0.2- 0.3 скорость, м/с разработанный метод позволил получить зависимость суммарной силы от скорости дрейфа льда. В рассмотренном расчетном примере сила ломки ледяного поля, а вместе с ней и глобальная ледовая нагрузка, быстро возрастает (примерно в 1.5 раза) при увеличении скорости дрейфа льда от О до 0.1 м/с. При дальнейшем росте скорости дрейфа сила ломки меняется гораздо менее интенсивно, но начинает быстро возрастать инерционная составляющая глобальной нагрузки. Ее доля в рассматриваемом случае при скорости 0.5 м/с составляет 25%.
Результаты выполненных расчетов указывают на значительный рост суммарной ледовой нагрузки с увеличением скорости дрейфа льда. Поэтому для регионов с динамичным ледяным покровом недопустимым будет принятие статических решений в качестве прогнозируемых значений ледовой нагрузки.
Разработанная теоретическая модель оценки глобальной ледовой нагрузки на ломающий вниз конус была протестирована с использованием данных экспериментальных исследований. Как отмечалось выше, объем опубликованной информации о проведенных в ледовых опытовых бассейнах модельных исследованиях с конусами, ломающими лед изгибом вниз, весьма ограничен. Наиболее полные сведения о результатах таких испытаний приведены в работах Р. Фредеркинга и Й. Шварца /54/, а также М. Лау и Ф.М. Вильямса /64/. Первая серия модельных исследований выполнена в ледовом бассейне Гамбургского гидродинамического центра (HSVA) в 1978 году, вторая - в канадском Институте Морской Динамики (IMD) в 1988 году. Опубликованные результаты испытаний не могут быть впрямую сопоставлены с расчетными значениями ледовой нагрузки по следующим причинам: — отсутствие информации о полученном в эксперименте модуле упругости моделированного льда; — в опубликованных материалах не приведены временные зависимости продольной и вертикальной сил, действующих со стороны льда на конус, а также отсутствует описание процессов, происходящих при взаимодействии конструкции со льдом. Модуль упругости льда, в соответствии с формулой (3.9), определяет продольный размер обломков, образующихся при разрушении ледяного поля изгибом. Значение модуля упругости моделированного льда существенно зависит от технологии приготовления ледяного поля (значения могут отличаться в 10 раз). Поэтому в расчетах в качестве модуля упругости приняты некоторые значения, исходя из обеспечения соотношения параметров E/af «3000, характерного для натурного льда. Описание физических процессов взаимодействия необходимо для того, чтобы убедиться, что разрушение ледяного поля происходило вследствие изгиба ледяной пластины, и что имела место одновременная ломка ледяного поля по ширине конструкции. Именно эти пиковые значения ледовых сил должны выбираться из получаемой в эксперименте временной зависимости силы для сопоставления с результатами расчетов.
Сопоставление результатов расчетов по разработанной схеме и данных экспериментальных исследований
Полученное на основе использования метода статистического моделирования максимальное значение глобальной ледовой нагрузки, встречающееся 1 раз в 100 лет для рассмотренной конструкции типа SPAR в ледовых условиях характерных для Штокмановского ГКМ составляет 16.7 МН и достигается при следующих величинах физико-механических свойств льда и скорости его дрейфа: толщина льда 1.47 м; прочность льда на изгиб 1395 кПа; 1 д$дн«- скорость дрейфа льда 0.995 м/с. Анализ полученных результатов показывает: 1. вероятностная оценка глобальной ледовой нагрузки с учетом влияния скорости дрейфа льда значительно превосходит величину ледовой нагрузки (9.3 МН), получаемой на основе использования традиционных расчетных схем (Невела, Ралстона), не учитывающих "скоростные "эффекты; 2. величина ледовой нагрузки встречающейся 1 раз в 100 лет для системы случайных величин, состоящей из малого числа случайных факторов, достигается при значениях этих величин имеющих практически максимальное значение; 3. среднее значение глобальной ледовой нагрузки составляет 14.4 МН, что также превосходит значение, получаемое с использованием традиционных схем расчета. Необходимо отметить, что формальное применение метода Монте-Карло для моделирования взаимодействия л едо стойких сооружений с дрейфующими ледяными образованиями предполагает использование точечных оценок физико-механических свойств льда (толщины и прочности), в то время, как напряженно-деформированное состояние ледяного поля при изгибе носит пространственный характер и все существующие методы расчета ледовых нагрузок базируются на допущении об однородности свойств и постоянности толщины ледяного поля. Исходя из этого, необходимо осознавать некоторую неадекватность численно моделируемых и реально происходящих процессов. Для корректного учета пространственной неоднородности льда естественного происхождения возможны два подхода: использовать интегральные оценки физико-механических и геометрических характеристик ледяных образований, осредненные по области, сравнимой с размерами взаимодействующего сооружения; рассматривать в постановке задачи о взаимодействии сооружения поле льда, имеющее переменную толщину и прочность. Основные результаты выполненной работы: 1. Выполнен анализ существующих и широко используемых методов расчета ледовой нагрузки ледостоикие инженерные сооружения при взаимодействии их с дрейфующими ледяными образованиями. Произведен анализ их основных положений, выявлен основной не учитываемый при расчетах фактор - скорость дрейфа льда. Сформулирована задача разработки схемы расчета глобальной ледовой нагрузки, позволяющая учесть эффекты связанные с влиянием скорости перемещения льда на величину ледового усилия. 2. Спланирован и проведен в условиях ледового опытового бассейна ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова модельный эксперимент по изучению основных физических процессов происходящих при взаимодействии с у ледяными образованиями (ровное ледяное поле и однолетний торос) конических сооружений, разрушающих лед изгибом вниз. На основе эксперимента, проведенного для моделей, имеющих разные углы наклона образующей: построена физическая модель основных процессов при взаимодействии конических сооружений как с полем ровного льда, так и с однолетним торосистым образованием; выполнено измерение усилий, возникающих на моделях сооружений, при различных условиях проведения эксперимента (толщина и прочность на изгиб льда, скорость движения модели); выполнен многофакторный регрессионный анализ зависимости горизонтальной составляющей глобальной ледовой нагрузки от физико-механических свойств льда, геометрии конструкции и скорости относительного движения льда и модели. На базе разработанной физической схемы построена математическая модель, позволяющая более полно, по сравнению с существующими методами, учесть реально происходящие физические процессы. В частности, предлагаемая модель взаимодействия учитывает влияние скорости дрейфа льда на величину ледовой нагрузки, что не принималось во внимание в используемых ранее моделях. Такой учет приводит к существенному (до 30%) увеличению глобальной нагрузки по сравнению с традиционным подходом.
Оценка глобальной ледовой нагрузки на различные варианты платформы для освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения
В результате выполненных расчетов по разработанному аналитическому методу, реализованному в виде компьютерной программы, выполнены сопоставительные расчеты и произведен анализ их результатов.
На основе разработанной схемы происходящих физических процессов взаимодействия показана необходимость учета влияния киля тороса на процесс ломки консолидированного слоя.
Предложено описание киля тороса на основе модели дискретных элементов, позволяющей выйти за рамки ограничений традиционного представления киля тороса в виде сыпучей среды, таких как статический подход, плоский случай, сплошность и однородность среды. Разработано математическое описание киля торосов с привлечением указанной модели.
С помощью реализованного в виде компьютерной программы метода расчета динамики киля тороса впервые выполнены расчеты сил при выполнении сдвигового теста и теста на продавливание киля тороса, результаты, которых сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными.
Показана возможность использования разработанной модели киля тороса для учета дополнительных эффектов взаимодействия ледостойкого инженерного сооружения с торосом и его консолидированным слоем. На основе дискретно-элементного подхода поставлена и численно решена задача о сопротивлении внедрению поворачивающегося участка консолидированного слоя. 7. Предложена схема расчета нагрузки на ледостойкое инженерное сооружение при взаимодействии его с однолетними торосистыми образованием, позволяющая учесть не рассматриваемые ранее эффекты взаимодействия киля и консолидированного слоя. Выполнены расчеты и результаты сопоставлены с данными экспериментальных исследований в ледовом опытовом бассейне ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и результатами, полученными с использованием традиционных расчетных схем. Показано, что учет реально происходящих физических при взаимодействии с однолетним торосом процессов дает увеличение нагрузки в отдельных \ 8. Разработанная методика определения глобальной ледовой нагрузки использована: для статистического моделирования величины глобальной ледовой нагрузки на один из возможных вариантов ледостойкой платформы для освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения; для анализа нагрузки на 2 варианта платформы для Штокмановского ГКМ. Вместе с тем, проведенные теоретические и экспериментальные исследования выявили необходимость дальнейших изучений во многих направлениях, связанных с проблемой прогнозирования ледовых нагрузок на инженерные сооружения. Среди них наиболее актуальными представляются следующие: накопление и анализ экспериментальных данных и результатов натурных наблюдений о зависимости физико-механических свойств льда от скорости нагружения; уточнение значений коэффициентов математических моделей составляющих глобальной ледовой нагрузки (в основном это относится к гидродинамическим силам); учет влияния наличия снега на коэффициент трения надводного нагромождения о надвигающееся на сооружение поле и на картину взаимодействия; влияние неровностей нижней поверхности ледового покрова на коэффициент трения подводного нагромождения о лед; адаптация разработанной математической модели для сооружений, разрушающих лед изгибом вверх; развитие модели киля на основании использования дискретных элементов с целью более полного моделирования взаимодействия сооружения и киля тороса при их взаимодействии; разработка менее ресурсоемкого алгоритма расчетов по дискретно-элементной модели; дальнейшая верификация дискретно-элементной модели на основе последующего накопления экспериментальных данных (модельных и натурных) о динамике киля тороса; создание на основе выполнения массовых расчетов по разработанным методикам определения глобальной ледовой нагрузки инженерных методов расчета; разработка способа учета влияния пространственной неоднородности ледяных образований на величину ледовых нагрузок.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета глобальной ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения конической формы при разрушении однолетних ледяных образований изгибом вниз
