Неоднородное напряженное состояние морского льва

• Автор: Сухоруков, Константин Константинович
• Шифр специальности: 11.00.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 294 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ В КОНТЕКСТЕ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ ЛЬДА
1.1. Пространственно-временные особенности распространения и строения морских льдов
1.2. Неоднородность физико-механических свойств морского льда
1.3. Динамическая структура морского ледяного покрова
14. Роль и место экспериментальных методов исследования в задачах динамики морского льда
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕОДНОРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА
2.1. Аналитический обзор существующих методов и средств измерения внутренних напряжений морского льда
2.2. Основы теории взаимодействия датчиков напряжений со льдом
2.3. Приближенная теория плоского датчика
2.3.1. Постановка задачи
2.3.2. Точность измерения
2.3.3. Оценка коэффициентов концентрации
2.3.4. Оценка влияния температуры
2.3.5. Оценка остаточных и начальных напряжений
2.3.6. Погрешность измерения и пути ее снижения
2.4 Об измерении двумерного напряженного состояния морского льда
2.5. Измерительный комплекс
2.5.1. Конструкция и технические характеристики первичных датчиков
2.5.2. Многофункциональное автономное программно-аппаратное обеспечение
2.5.3. Калибровочные испытания
2.6. Выводы
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДРЕЙФУЮЩИХ ЛЕДЯНЫХ ПОЛЯХ АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ
3.1 Микромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда
3.1.1. Методика и условия экспериментальных исследований
3.1.2. Области льда переменной толщины
3.1.3. Области неизостатического равновесия льда
3.1.4. Термоградиентные зоны ледяного покрова
3.1.5. Области разрывов льда
3.2 Макромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда
3.2.1. Общая характеристика условий и методика экспериментов
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований
3.3 Структура поля внутренних напряжений в ближней зоне силового взаимодействия
3.3.1. Аппаратура и методика
3.3.2. Результаты экспериментов
3.3.3. Обсуждение результатов
3.4 Структура внутренних ледовых напряжений в дальней зоне

3.4.1. Сплошное ледяное поле
3.4.2. Несплошной ледяной покров
3.5. Выводы
ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ
РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
4.1.Лабораторные исследования релаксации напряжений элементарных объемов льда.(Я
4.2. Физическое моделирование процесса механической релаксации льда в масштабе полунатурных экспериментов
4.3. Натурные исследования масштабных эффектов релаксации внутренних напряжений морского льда
4.3.1. Время релаксации напряжений
4.3.2. Скорость релаксации напряжений
4.4 Обсуждение экспериментальных результатов
ГЛАВА 5. ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА
5.1 Экспериментальные исследования влияния различных физических и геометрических ограничений на термонапряженное состояние льда
5.1.1. Лабораторные опыты
5.1.2. Полунатурные исследования
5.2. Напряженное состояние морского льда при локальном изменении его термического режима М.
5.2.1. Методика и результаты экспериментальных исследований
5.2.2. Реологическая модель термонапряженного состояния льда /Р.?.
5.2.3. Прогностическая модель термонапряженного состояния льда
5.3. Масштабные эффекты термонапряженного состояния морского льда
5.3.1. Структура поля внутренних термических напряжений
5.3.2. Пространственно-временная связь термических и механических напряжений №
5.3.3. Расчет термических напряжений и их сопоставление с экспериментальными данными
5.3.3.1. Термические напряжения в дрейфующих ледяных полях
5.3.3.2. Термические подвижки и давление припайного льда
5.4. Выводы
ГЛАВА 6. МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
6.1. Макроскопическое деформированное состояние морского льда
6.2. Макроскопическое напряженное состояние морского льда
6.3. Эмпирическая связь внутренние силы - деформация льда
6.3.1. Общий анализ связи полей внутренних напряжений и деформаций
6.3.2. Двумерный физико-статистический анализ
6.3.3. Регрессионная связь
6.4.Эмпирические реологические модели морского льда
6.4.1. Мезомасштабное напряженно-деформированное состояние ледяного покрова
6.4.2. Напряженно-деформированное состояние ледяного поля
6.5. Выводы

ГЛАВА 7. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА ПРИ РАЗРУШЕНИИ
7 1 Особенности процесса разрушения морских ледяных полей в контактной зоне при взаимодействии друг с другом или с препятствиями Ш
7.1.1. Режимы взаимодействия и структура активной зоны
7.1.2. Пространственно-временная структура предельных напряжений в контактной зоне
7.1.3. Особенности контактных напряжений при смятии льда £*?
7.1.4. Общий характер взаимодействия ледяного поля неоднородной структуры с вертикальным сооружением
7.2. Предельные квазистатические взаимодействия в системе стамуха-грунт-припайАА.
7.2.1. Методика экспериментальных исследований
7.2.2. Особенности процесса силового взаимодействия стамухи с припаем
7.2.3. Модель системы стамуха-припай
7.2.4. Модель системы стамуха-грунт и условия всплытия стамухи Ш
7.2.5. Выводы
7.3. Особенности напряженно-деформированного состояния дрейфующего льда при макроразрывах
7.3 .1. Локальный процесс разрушения ледяного поля
7.3 .2. Глобальный механизм разрушения ледяного поля
7.3.3. Предельное макроскопическое напряженное состояние морского ледяного покрова.
7.3.4. Качественная модель механического состояния морского льда при разрушении и критерий поврежденности
7.3.5. Физическая, геометрическая и энергетическая интерпретации критерия поврежденности льда
7.4. Эволюция напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении
7.4.1. Напряженное состояние морского льда при макроразрывах характерного масштаба
0.1 км
7.4.2. Механизм формирования напряженного состояния морского льда при макроразрывах характерного масштаба 1км
7.4.3. Напряженное состояние морского льда в условиях активных динамических процессов в масштабе 10 км
7.4.4. Особенности деформированного состояния морского льда в условиях пространственной неоднородности дрейфа, соизмеримой с масштабом 100 км
7.4.5. Масштабная инвариантность процесса перестройки напряженно-
деформированного состояния морского льда при разрушении
ТА.6. Выводы
ГЛАВА 8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ МОРСКОГО ЛЬДА
8.1. Метод мониторинга напряженного состояния и поврежденности ледяного покрова
8.2. Активные методы теплового воздействия на морской лед применительно к снижению его механической прочности
8.2.1. Распределенные тепловые источники
8.2.2. Сосредоточенные источники тепла
8.3. Новый метод пассивного воздействия на морской лед и управления его термонапряженным состоянием с помощью радиационно-конвективных экранов (РКЭ)
8.3.1. Обоснование выбора способа пассивного воздействия

Так как после вмораживания датчика в лед в его окрестности длительное время сохраняется значительное остаточное напряжение (Ааост), по разности сигналов до (А<ттм) и после (Ао*изи) обуривания можно судить только о суммарной величине напряжений оь и
А (Гост
Аойзм- Асу*ШЛ1 ~ оь + АсУост
В связи с тем, что в ледяном покрове имеет место плоское напряженное состояние, оценить АсГост можно с привлечением дополнительного плоского датчика с идентичными характеристиками, вмороженного рядом с первым и ориентированного нормально к горизонтальной площадке. После разгружения второго датчика определяется величина
А СУост
А (Тост ~ А<Т2ост А (У'2шм ~ А О*2шм ,
где индекс 2 выделяет значения характеристик второго датчика. Таким образом:
Оо (Аойзм~ Ао*Шц) - (Ассизи ~ Ag*2изц)
2.3.6. Погрешность измерения и пути ее снижения
Проведенное исследование показывает, что при измерении давления льда с помощью датчика напряжений погрешность показаний во многом определяется геометрией датчика и физико-механическими свойствами среды. Применительно к упругому поведению льда анализ возможного нарушения поля механических напряжений около датчика может быть сделан на основе выражений (2.3.15) и (2.3.16). Для снижения концентрации напряжений в точке измерения необходимо стремиться обеспечить примерное равенство эффективного модуля датчика и модуля Юнга льда: Е0 « Е„ . Так как в естественном ледяном покрове Ел меняется в зависимости от плотности, солености и температуры льда, в качестве расчетной величины модуля упругости целесообразно выбирать его значение, соответствующее средним характеристикам физических свойств льда. В этом случае ошибка измерения будет определяться диапазоном возможных вариаций Е„ . Как следует из рис.2.3.2 эта ошибка может быть снижена путем минимизации отношения ширины датчика к его диаметру (d/D = min). Предполагая в соответствии с работой [В] для зимних условий дрейфующего льда диапазон изменений модуля Юнга от 3 до 7 ГПа, можно найти, что для d/D =0.25 и Е<> = 5 ГПа возможная погрешность измерения находится в пределах от -6 % до +4 %.
При проведении длительных измерений необходимо учитывать влияние колебаний температуры льда на точность показания датчика. Выше было показано, что для этого вида погрешности основное значение имеет эффект дифференциального температурного расширения. Наибольшая ошибка появляется при температуре плавления льда, где коэффициент а„ максимален. Благоприятным здесь может явиться тот факт, что температурные зависимости ал и Е„ имеют разные знаки. Следовательно, в соответствии с формулами (2.3.25) и (2.3.26) рост ошибки отсчета при повышении температуры должен частично компенсироваться уменьшением модуля Юнга льда. В соответствии с принципом термомеханической аналогии можно предположить, что упругие эффекты концентрации термонапряжений вокруг датчика развиваются аналогично процессам концентрации чисто механических напряжений, описываемых формулами (2.3.15) и (2.3.16). Отсюда вытекает, что для снижения погрешности измерения, обусловленной различиями коэффициентов теплового расширения датчика и льда, также справедливо требование минимизации отношения d/D.
На промежуточной стадии перехода льда от упругого состояния к пластическому, необратимые пластические деформации появляются прежде всего в малой концевой зоне датчика (1-я пластическая зона ‘Ь’на рис.2.3.3). Вследствие этого часть краевых напряжений снимается, приводя к соответствующему снижению эффективной площади приемной площадки датчика. Этот эффект эквивалентен уменьшению отношения d/D и,