Многоцикловое и истирающее воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения

• Автор: Ким, Сергей Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.23.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 147 с. : ил.

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА

1.1. Проектирование морских гидротехнических сооружений с учетом

усталости материалов

1.1.1. Виды разрушений и основные механические свойства материалов

1.1.2. Факторы, влияющие на сопротивление усталости конструкции

1.1.3. Оценка расчетных характеристик эксплуатационной нагруженности

1.2. Методы описания воздействий ледяного покрова на сооружения

шельфа

1.2.1. Модели, описывающие дрейф ледяного покрова

1.2.2. Модели ледовой нагрузки

1.3. Истирающее воздействие ледяного покрова на СКШ

1.4. Выводы
2. РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ
2.1. Математическая модель механического взаимодействия ледяных
полей с сооружением
2.2. Исследование математической модели механического взаимодействия ледяных полей с сооружением
2.2.1. Исследование общей математической модели
2.2.1.1. Исходные данные
2.2.1.2. Результаты расчетов и их анализ
2.2.2. Приближенная математическая модель количества циклов нагружения МЛП ледяным покровом
2.2.2.1. Планирование численного эксперимента
2.2.2.2. Результаты расчетов и их анализ
2.3. Выводы
3. ИСТИРАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ОПОРЫ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
3.1. Математическая модель истирающего воздействия ледяного покрова
на сооружение (постановка задачи)
3.1.1. Зона сооружения, подверженная истирающему воздействию
ледяного покрова
3.1.2. Длина участка (пути) ледяного покрова, оказывавшего истирающее воздействие на сооружение
3.1.3. Распределение давления на контакте опоры с ледяными образованиями
3.2. Алгоритм и программа расчета взаимодействия системы
«ледяная плита - опора гидротехнического сооружения»
3.3. Исследование математической модели истирающего воздействия ледяного покрова на сооружение
3.3.1. Исследование общей модели
3.3.2. Приближенная математическая модель истирающего воздействия ледяного покрова корпуса сооружения
3.4. Выводы
4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА НАГРУЖЕНИЯ
СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ
4.1. Исходные данные
4.2. Результаты численного моделирования
4.2.1. Режим нагружения сооружения дрейфующим ледяным покровом
4.2.2. Истирающее воздействие ледяного покрова на сооружение
4.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
ПРИЛОЖЕНИЕ №2
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

взаимодействия льда с опорами ГТС шельфа, что полезно для оценки надежности сооружений с позиции постепенного отказа.
В малом масштабе оценка вероятностных характеристик ледовой нагрузки ведется с учетом непосредственно контактного взаимодействия льда с опорами МЛП, на основе теоретических и экспериментальных исследований этого процесса. Полученные характеристики ледовой нагрузки необходимы для динамического анализа инженерных сооружений.
Во-вторых, для упрощения математического описания ледового режима морских акваторий исследование действующего ледяного покрова разделяют на две составляющие. Первая включает только ровные ледяные поля, вторая - только крупные ледяные образования (торосы и т.п.). Такой подход соответствует общепринятому дифференцированному подходу к оценке надежности МЛП на постепенный и внезапный отказ.
В-третьих, в работе принято, что для расчета надежности МЛП по постепенному отказу достаточно учитывать воздействия только тех ледяных полей, которые в конкретных условиях эксплуатации МЛП создают циклический характер изменения ледовой нагрузки.
Использование принципов имитационного моделирования позволяет упростить модель за счет унифицированного математического описания элементов системы, конструируя общесистемные ситуации, ЭВМ как бы имитирует явления и события моделируемого процесса взаимодействия льда с опорой, за счет идентичности строения возможных сочетаний перемещений и скачков состояния. В связи с этим в моделях такого типа нет необходимости в детализации внешних условий, а достаточно основываться на гистограммах входных параметров, которые в работе используются в качестве исходных данных.
Модель механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП описывает процесс формирования режима нагружения на каждом шаге имитации формирования ледовой нагрузки.
Модель основана на численном формировании функции распределения параметров ледового режима и имитации всех возможных ситуаций, характеризуемых случайным сочетанием значений входных параметров. Для каждой ситуации выполняется расчет ледовой нагрузки, для чего используются две специально разработанные математические модели. Одна модель описывает кинематический процесс механического взаимодействия между ледяными полями и сооружением, а другая описывает процесс разрушения ледяных полей на контакте с сооружением и формирование ледовой нагрузки. При этом рассматриваются только те ситуации, при которых возникает процесс прорезания дрейфующего ледяного поля с сооружением, сопровождающийся циклическим характером разрушения льда.
Определение зависимости ледовой нагрузки от времени за перисд эксплуатации МЛП осуществляется на основе механической модели взаимодействия