Комплексное теоретико-экспериментальное исследование поведения льда при ударных и взрывных нагрузках

• Автор: Орлова, Юлия Николаевна
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 189 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ ЛЬДА
ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ УДАРНОГО И ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛЬДА
1.1 Математическое описание сжимаемых пористых упру-
гопластических сред
1.2 Уравнение состояния для пористого твердого тела
1.3 Уравнение состояния льда, воды, продуктов детонации
1.4 Критерии разрушения
1.5 Начальные и граничные условия
1.6 Формы записей основных уравнений для осесимметричного случая
1.7 Численный метод расчета процессов ударного и взрывного нагружения льда
1.7.1 Уравнения для случая осесимметричной постановки
1.7.2 Метод расчета контактных границ. Алгоритм скольжения
1.7.3 Алгоритм построения свободной поверхности
1.7.4 Алгоритм создания упорядоченной контактной границы
1.7.5 Алгоритм эрозии расчетных элементов
1.7.6 Алгоритм сглаживания контактной границы при больших 53 деформациях
1.7.7 Блок-схема расчета
1.8 Выводы по разделу
2 ТЕСТОВЫЕ РАСЧЕТЫ
2.1 Задача о распаде разрыва (соударении двух цилиндров)
2.2 Задача о соударении стального цилиндра с жесткой стенкой
2.3 Задача о взрывном нагружении льда
2.4 Задача об ударе ледяного цилиндра по тонкой алюминиевой пластине
2.5 Физико-механические характеристики льда и других материалов
2.6 Выводы по разделу
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕДРЕНИЯ КОМПАКТНЫХ
УДАРНИКОВ В ЛЕДЯНУЮ ПРЕГРАДУ
3.1 Расчет процесса внедрения цилиндрического ударника в лед
3.2 Расчет процесса внедрения сферического ударника в лед
3.3 Обсуждение результатов расчетов

3.4 Выводы по разделу
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕДРЕНИЯ УДЛИНЕННЫХ
УДАРНИКОВ С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ ГОЛОВНЫХ ЧАСТЕЙ В ЛЕДЯНУЮ ПРЕГРАДУ
4.1 Расчет процесса внедрения ударника с оживальной головной ча-
стью в лед
4.2 Расчет процесса внедрения ударника с конической головной ча-
стыо в лед
4.3 Расчет процесса внедрения ударника с плоской головной частью
в лед
4.4 Обсуждение результатов расчетов
4.5 Выводы по разделу
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССОВ УДАРНОГО И ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛЬДА
5.1 Экспериментальное исследование поведения льда при ударных и
взрывных нагрузках
5.1.1 Эксперименты по внедрению сферического стального ударника в лед
5.1.2 Эксперимент по взрывному нагружению речного льда
5.2 Исследование процесса внедрения крупно-габаритного ударника
в лед
5.2.1 Физическая постановка задачи
5.2.2 Расчет процесса внедрения крупно-габаритного ударника
в лед при низких скоростях
5.3 Исследование процесса взрывного нагружения льда на воде
5.3.1 Расчет взрывного нагружения льда на воде
5.4 Выводы по разделу
Заключение
Список используемой литературы и источников

Введение
Известно, что более 30% земной поверхности покрыто льдами. Основные запасы льда на Земле составляют около 30 млн. км3, и сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км). Значительная часть территории нашей страны покрыта льдами, поэтому интерес к изучению этого древнейшего природного материала в ближайшее время вряд ли будет угасать [1]. Несмотря на процессы глобального потепления ледовый «пояс» вокруг Антарктиды увеличивается со скоростью 2% в десятилетие, а в Арктике сокращается примерно на 5,3%. К таким данным пришли ученые из Королевского метеорологического института Нидерландов (К№у11) под руководством Р. Бин-танджа (К. ВМаща), проанализировав данные полевых и спутниковых наблюдений за последние два десятилетия. При этом площадь морских льдов за тот же период выросла на 200 тысяч км2.
Российская Федерация входит в пятерку ледовых стран, ведущих борьбу за контроль над запасами углеводородов и драгоценных металлов, которые находятся на континентальном шельфе. Проблема ледяных заторов возникает каждую весну с началом речной навигации. Ежегодно на реках европейской части России, в Сибирском и Дальневосточном Федеральных округах образуются ледяные заторы, длина которых может достигать 150 км. Зимой там с помощью льда укрепляют полотно зимних автотранспортных магистралей («зимников»). Единственным способом доставки грузов зимой в некоторые отдаленные регионы нашей страны являются ледовые переправы рек и озер.
Увеличение добычи природных ископаемых в районах вечной мерзлоты предполагает развитие инфраструктуры на Крайней Севере и в Заполярье: дорог, промышленных и гражданских строений, грузовых портов в акваториях замерзающих морей и новых гидротехнических сооружений. Для этого применяют различные демпферы, армируют ледяные поверхности стальными тросами и ребрами жесткости, забиваются специальные сваи. Новые эффективные методы упрочнения и армирования льда для создания льдогрунтовых композитов позволяют их

1 8^
2 дх:

а -^7 - производная по Яуману определяемая формулой
<58 у
“ Бу £^к - в]к £^к
(1.7)

ск, ас.
Параметр X тождественно равен нулю при упругой деформации, а при пластической определяется с помощью условия текучести Мизеса
/2 = X 5'/ = 2 {Тз ^т) ’ ’ (1>8)
где ат _ динамический предел текучести
1.2 Уравнение состояния для пористого твердого тела
В ряде работ [101] развивается подход, согласно которому определяющие соотношения дополняются уравнениями, характеризующими усредненное поведение микроповреждений в виде микропор сферической формы, способных при определенных условиях развиваться в микротрещины.
Такой подход используется и в настоящей работе, т.к. он отражает физическую суть явления. С учетом этого неоднородную пористую среду будем рассматривать как двухкомпонентный композиционный материал, состоящий из твердой фазы - матрицы и включений - пор. Кроме этого, будем считать, что поры в материале матрицы распределены равномерно по всем направлениям.
Удельный объем пористой среды V представим в виде суммы удельного объема пор V и удельного объема матрицы I' : V = V + К„. Пористость
р л р л
материала можно охарактеризовать объемной долей пор ^, либо параметром а,