Обоснование способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Себин Андрей Сергеевич

• Себин Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Себин Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННАЯ ПРАКТИКА ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУДОВ СО ЛЬДОМ

1.1 Физико-механические параметры льда, разрушаемого судном

1.2 Ледовые опытовые бассейны

1.3 Физические модели ледяного покрова

1.4 Методы получения критериев подобия ледяного покрова

1.4.1 Метод сил

1.4.2 Методы, основанные на анализе уравнений

1.4.3 Методы, применявшиеся для получения критериев подобия композитной модели ледяного покрова

1.5 Формулирование целей и задач исследования

1.6 Резюме

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ СУДОВ В СПЛОШНОМ ЛЬДУ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИТНОЙ МОДЕЛИ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

2.1 Определение адгезионной прочности соединения льда и полиэтилена высокого давления при нормальном отрыве

2.2 Приведённая толщина композитной модели

2.2.1 Модель, составленная из одного слоя гранул сферической формы

2.2.2 Модель, составленная из нескольких слоёв гранул сферической формы

2.3 Функциональное подобие

2.4 Резюме

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ МОДЕЛИ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1 Исследование параметров разрушения композитной модели ледяного покрова в малом ледовом опытовом бассейне НГТУ

3.1.1 Технология проведения опытов и экспериментальное оборудование

3.1.2 Технология обработки полученных данных

3.1.3 Анализ полученных результатов

3.2 Экспериментальное исследование разрушения композитного ледяного покрова больших глубин проморозки

3.3 Определение условий моделирования параметров процесса разрушения ледяного покрова в модельных испытаниях судов с использованием композитной модели

3.4 Резюме

4 МОДЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СУДОВ В КОМПОЗИТНОЙ МОДЕЛИ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

4.1 Определение параметров моделирования

4.2 Технология проведения модельных испытаний, лабораторное оборудование

4.3 Эксперименты по буксировке моделей судов

4.4 Анализ результатов экспериментов по буксировке моделей

4.5 Новая конструкция композитной модели ледяного покрова

4.6 Резюме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Параметры диаграмм разрушения натурного ледяного покрова

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Материалы к экспериментальному исследованию процесса разрушения композитной модели ледяного покрова в малом ледовом опытовом бассейне НГТУ им. Р. Е.

Алексеева

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Зависимости параметров диаграмм разрушения композитной модели

ледяного покрова от глубины проморозки гранул

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Кривые подобия параметров диаграмм разрушения композитной модели

ледяного покрова

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Пакет программ на ЭВМ обработки результатов экспериментов по

разрушению композитной модели ледяного покрова

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Материалы к модельным испытаниям судов в композитной модели

ледяного покрова

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Методика проведения модельных испытаний судов с применением

композитной модели ледяного покрова

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Акты о внедрении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова»

ВВЕДЕНИЕ

Нарастающие темпы промышленного освоения Арктики, а также создание новых транспортно-логистических систем, пролегающих через участки Мирового океана, покрытые льдом, обуславливают наблюдаемое увеличение потребностей судоходных компаний в судах ледового плавания и ледоколах. Конкурентная деятельность, направленная на их удовлетворение, побуждает инженеров-судостроителей и исследователей к поиску новых подходов к созданию морской и речной техники. На текущий момент проектирование судов и морских инженерных сооружений, эксплуатирующихся в ледовых условиях, является нетривиальной инженерной задачей ввиду недостаточной изученности процессов взаимодействия этих объектов со льдом, а также многообразия их устройства и сценариев функционирования, что дополнительно усложняет построение теоретических моделей, лежащих в основе различных методик. Анализ современных научно-исследовательских работ в данной области показывает, что наиболее надёжным способом прогнозирования ледовых качеств проектируемого судна является физический модельный эксперимент в опытовом бассейне.

Современные ледовые опытовые бассейны - большие, сложные инженерные сооружения, стоимость проведения исследований в таких лабораториях в настоящее время остаётся довольно высокой, что серьёзно ограничивает возможности инженеров к созданию новых форм корпусов судов, практически исключает проведение научных исследований, при этом точность прогнозирования ледового сопротивления как правило оказывается ниже, чем у стандартных экспериментов в не ледовых бассейнах. Причины этого кроются в используемых подходах к моделированию процесса разрушения ледяного покрова, а также в недостатках применяемых материалов лабораторного льда.

Одним из способов решения этой проблемы является композитная модель ледяного покрова. Этот материал позволяет проводить исследования в бассейнах с небольшими размерами чаши, а также использовать для своего приготовления естественный холод окружающий среды, что в совокупности значительно снижает стоимость получения поля модельного льда. Однако, применение композитной модели ограничивается отсутствием исследований процесса её разрушения, а также методов моделирования с её помощью движения судна в сплошных льдах, методик пересчёта результатов модельных испытаний на натуру.

Стоящие перед нашей страной на сегодняшний день задачи по созданию круглогодично функционирующей морской транспортной системы на основе Северного морского пути, освоение месторождений полезных ископаемых, расположенных как на шельфе арктических морей, так и не далеко от побережья, промышленное освоение арктических территорий, защита

границ и суверенитета РФ на северном направлении, защита экосистемы арктической зоны, сохранение конкурентоспособности российских арктических технологий напрямую зависят от уровня развития морской техники, способной работать в тяжёлых ледовых условиях крайнего севера. Ввиду стоящих перед российскими судостроителями вызовов и задач настоящее исследование позволит создать новые инструменты разработки образцов морской техники, повысить доступность ледовых опытовых бассейнов для проведения научных исследований.

Степень разработанности темы исследования. Информационной базой данного исследования являются труды российских и зарубежных учёных в области физического моделирования ледовой ходкости судов, теории подобия, разрушения ледяного покрова. В их числе работы Ю. А. Шиманского, Л. М. Ногида, В. В. Лаврова, В. А. Зуева, Е. М. Грамузова, Ю.

A. Двойченко, В. Б. Белякова, Д. А. Семёнова, К. Е. Сазонова, Б. П. Ионова, П. П. Кобеко, Н. И. Шишкина, Ф. И. Марея, Н. С. Иванова, Д. Ф. Панфилова, В. И. Каштеляна, И. И. Позняка, А. Я. Рывлина, Д. Е. Хейсина, И. А. Степанюка, Н. В. Черепанова, К. П. Тышко, В. В. Богородского, В. П. Гаврило, И. С. Песчанского, М. В. Кирпичёва, А. Г. Назарова, В. А. Веникова, Г. С. Варданяна, G. W. Timco, R. M. W. Frederking, J. Schwarz, R. U. F. von Bock und Polach, G. Ziemer, D. S. Spencer,

B. D. Pratte, S. Narita, K. Hirayama, A. Nortala-Hoikkanen, K. U. Evers, P. Jochmann, E. Enkvist, S. Makinen, J. Wilkman, J. E. Zufelt, R. Ettema, L. Ilves, R. Jalonen, S.-R. Cho, J.-H. Kim, K. Choi, M. Lau, J. Wang, C. Lee и др.

Цель работы. Обоснование способа определения характеристик ледовой ходкости судов с помощью модельных испытаний в композитной модели ледяного покрова.

Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести анализ мировой практики модельных испытаний судов в ледовых опытовых бассейнах, сравнить известные материалы модели льда, определить их достоинства и недостатки, определить параметры, наилучшим образом характеризующие процесс разрушения натурного ледяного покрова, которые должна воспроизводить модель, провести анализ применимости различных методов теории подобия к моделированию с использованием композитной модели ледяного покрова, сформулировать требования к разрабатываемой модели;

- обосновать способ определения условий физического моделирования движения судов в сплошном льду с использованием композитной модели ледяного покрова;

- провести экспериментальное исследование процесса разрушения композитной модели ледяного покрова различных конструкций, выявить определяющие параметры этого процесса, описать феноменологию, определить условия моделирования;

- выполнить проверку полученных условий моделирования с помощью испытаний эталонных моделей ледоколов, разработать методику проведения модельных испытаний судов в опытовом бассейне с использованием композитной модели ледяного покрова. Методы исследования. В данной работе были использованы методы теории подобия, сравнительного анализа, теории множеств, теории систем, метод экспериментального исследования, методы статистического анализа, физического моделирования, методы расчёта ледового сопротивления судов.

Объектом научного исследования являются методы и способы экспериментального изучения движения судов в сплошном льду в опытовом бассейне.

Предметом научного исследования является композитная модель ледяного покрова, служащая для имитации поля сплошного льда при проведении модельных испытаний судов в опытовом бассейне.

Данная работа соответствует паспорту научной специальности 2.5.17 «Теория корабля и строительная механика» п. 10 в части «Методы и средства проведения натурных и лабораторных экспериментальных исследований по различным направлениям прочности и теории корабля» и п. 14 в части «Ледопроходимость корабля - задачи о взаимодействии корпуса корабля и движителей со льдом».

Научная новизна работы заключается в следующем:

• исследован процесс разрушения композитной модели в экспериментах, проведённых по схеме «центральный пролом»; по схеме, имитирующей прокладку канала судном во льдах; при проморозке всех слоёв гранул сферической формы: диаметром 20 мм (1 слой), диаметром 10 мм (1 и 2 слоя), мелких гранул средним диаметром 3 мм (1, 2, 3 и 4 слоя);

• предложен способ определения условий моделирования параметров ледовой ходкости судов при движении в сплошном ровном ледовом поле;

• проведены испытания по буксировке моделей судов в композитной модели ледяного покрова по разработанной методике;

• предложена новая конструкция композитной модели ледяного покрова, составленной из гранул в форме усечённого конуса;

• создана теория расчета некоторых физико-механических свойств композитной модели ледяного покрова;

• также элементы новизны содержат: проведённый анализ известных методов определения условий моделирования ледяного покрова при проведении модельных испытаний судов, разработанная методика испытаний моделей судов, пакет программ на ЭВМ, предназначенный для анализа результатов экспериментальных исследований разрушения ледяного покрова, способ получения многослойной композитной модели ледяного покрова.

Практическая значимость. Разработан практический метод моделирования ледяного покрова при проведении модельных испытаний судов в опытовом бассейне. Результаты исследования могут быть использованы при разработке новых форм корпусов ледоколов и судов ледового плавания, проведении научных исследований как фундаментального, так и прикладного характера, а также при обучении студентов кораблестроительных специальностей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментального исследования разрушения композитной модели ледяного покрова, представленные в виде диаграмм и феноменологического описания;

- обнаруженные взаимосвязи между силовыми, кинематическими, энергетическими параметрами диаграмм разрушения композитной модели ледяного покрова и её геометрическими характеристиками: глубиной проморозки, диаметром и формой гранул, количеством слоёв укладки;

- способ определения условий моделирования ледяного покрова при проведении модельных испытаний судов в опытовом бассейне на основе метода функционального подобия;

- закономерности, позволяющие определить условия, при которых возможно достижение подобия движения судна в сплошных льдах при использовании композитной модели ледяного покрова, представленные графически;

- способ расчета некоторых физико-механических свойств композитной модели ледяного покрова;

- методика проведения испытаний моделей судов с использованием композитной модели ледяного покрова, методика анализа результатов исследований разрушения ледяного покрова, реализованная в виде пакета программ на ЭВМ, способ получения многослойной композитной модели ледяного покрова;

- новая конструкция композитной модели ледяного покрова, составленная из гранул в форме усечённого конуса.

Достоверность. Полученные теоретические результаты основаны на разделах теории подобия. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается использованием апробированных измерительных устройств и лабораторного оборудования. Полученные критерии подобия основаны на результатах опытов по крупномасштабному разрушению натурного льда, позволяющих в наибольшей степени учесть все стадии этого процесса. Границы применимости разработанной в результате диссертационного исследования методики, а также достоверность получаемых с её помощью результатов определяются проведёнными испытаниями в опытовом бассейне эталонных моделей ледоколов, имеющих опубликованные натурные характеристики ледовой ходкости.

Апробация работы. Результаты работы были доложены:

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Арктика: прикладные и фундаментальные задачи ледотехники», г. Биробиджан, ПГУ им. Шолом-Алейхема, 2024 г.;

- на Седьмой международной научно-практической конференции «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС-2013), Международный военно-морской салон, г. Кронштадт, 2023 г.;

- на Всероссийской научной конференции «Моря России: вызовы отечественной науки», г. Севастополь, МГИ РАН, 2022 г.;

- на Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов «Научно-технологическое развитие судостроения», г. Санкт-Петербург, КГНЦ, 2019 г., 2021 г.;

- на Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения Р. Е. Алексеева «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», г. Нижний Новгород, НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2021 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Научно-технические вопросы освоения Арктики 2020: настоящее и будущее», САФУ им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск, 2020 г.;

- на Международных научно-технических конференциях по промышленному инжинирингу и современным технологиям «FarEastCon-2019» и «FarEastCon-2020», ДВФУ, г. Владивосток, 2019 г., 2020 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Вода. Газ. Тепло - 2020», республика Беларусь, г. Минск, БНТУ, 2020 г.

По теме диссертации опубликовано 29 работ, получено два патента российской и евразийской патентных организаций на способы испытаний моделей судов и сооружений в композитной модели ледяного покрова, состоящей из нового типа гранул, разработанных автором, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, предназначенной для автоматизации обработки результатов экспериментов по разрушению композитного модельного льда.

Полученные результаты использованы в российских исследовательских проектах, выполняемых при участии автора диссертации:

• Гранты Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-08-00820 «Разработка способа физического моделирования разрушения ледяного покрова с применением модели льда из гранул полиэтилена высокого давления», № 20-58-53049 «Влияние движущейся с малой скоростью системы распределённых давлений на разрушение ледяного покрова»).

• Гранты Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ (НШ-2485.2020.5 «Нелинейная динамика морских волн в прибрежной зоне: от натурных измерений до полномасштабного моделирования»; НШ-70.2022.1.5 «Нелинейные гидрофизические процессы прибрежной зоны: фундаментальные аспекты,

инструментальные наблюдения, вычислительные эксперименты и практические приложения»).

• Научно-исследовательская работа в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (задание № FSWE-2023-0004 «Нелинейная волновая динамика прибрежной зоны в условиях меняющегося климата и антропогенного воздействия»).

• Грант Российского научного фонда № 22-19-00376 «Экспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом».

Настоящая диссертационная работа выполнялась под руководством заведующего кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. А. Зуева и проректора по научной работе НГТУ им. Р. Е. Алексеева А. А. Куркина. Автор выражает им свою глубокую признательность за большую помощь и создание благоприятных условий для выполнения работы. Автор также считает приятным долгом выразить благодарность доценту Ю. А. Двойченко, участвовавшему в обсуждении результатов и сделавшему ряд полезных предложений и советов, без которых эта работа не была бы представлена в таком виде. Автор благодарен инженеру К. Д. Блинову за помощь, оказанную при проведении экспериментов.

СОВРЕМЕННАЯ ПРАКТИКА ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУДОВ СО ЛЬДОМ

1.1 Физико-механические параметры льда, разрушаемого судном

Достоверное определение физико-механических параметров льда и параметров разрушения ледяного покрова судоходных водоёмов очень важно, так как при разработке физической модели они являются натурными данными, что в не малой степени определяет успешность прогнозирования ледового сопротивления судна по результатам модельных испытаний.

Одним из важнейших параметров является плотность льда, определяющая уровень действующих гравитационных и инерционных составляющих сил ледового сопротивления движению судна. Анализ результатов многолетних измерений плотности морских льдов приведён в [163]. Все зафиксированные значения лежали в диапазоне рл = 0,72 -^0,94 т/м3, а при

солености 5 %о и температуре -10 С для льда без пузырьков воздуха рл = 0,84 -^0,925 т/м3, что

обычно принимается в качестве эталонных натурных значений при моделировании [137]. Это исследование также показало, что на увеличение плотности значительное влияние оказывает увеличение солёности, т. е. объёма рассола между кристаллами.

В модельных испытаниях морских инженерных сооружений, а также судов с большими углами наклона батоксов в районе ватерлинии в качестве критерия подобия может использоваться прочность льда на сжатие. В исследовании ИБАСЕ [150] приведён анализ известных экспериментальных данных, показана зависимость величины напряжений от скорости деформации. Кроме этого, в качестве натурных данных могут быть использованы результаты работы [164], где приведены эмпирические формулы при небольшом диапазоне скоростей деформации.

Исследования вязкости разрушения морского льда проводились Урабе [172] и Тимко [162], показана зависимость её величины от скорости деформаций, объема рассола и размера кристаллов.

Большинство современных теоретических подходов рассматривает лёд как абсолютно упругий изотропный материал, деформация которого подчиняется закону Гука и характеризуется величиной модуля упругости. При проведении модельных испытаний значения этого параметра в соответствии с рекомендациями Международной конференции опытовых бассейнов (МКОБ) [130] могут быть определены двумя способами: при центральном нагружении неразрушенной ледяной пластины или в опыте по облому консольной балки-клавиши, выпиленной непосредственно в исследуемом поле льда (рисунок 1.1.1).

В первом случае искомая величина может быть получена из решения Герца [130], в том случае, если измерения прогибов производятся в месте приложения нагрузки:

E =

3 1 -¡2 ГF^2

16 kh

v wj

(1.1.1)

где F, Н - величина приложенной нагрузки; k = рвg - коэффициент упругого основания; рв, кг/м3 - плотность воды; h, м - толщина льда; w, м - измеренный прогиб льда; ¡1 - коэффициент Пуассона, его величина обычно не измеряется и принимается равной 0,3 [110; 167].

Если измерения прогибов происходили не в точке приложения силы, значение модуля деформации может быть получено в виде численного решения уравнения изгиба пластины на упругом основании с использованием функций Бесселя [88]. Результаты решения этим способом совпадают с результатами, полученными с помощью формулы (1.1.1) [130].

Измерения модуля деформации морского льда таким способом обычно не проводят, так как он слишком затратный. Его использование ограничивается лишь измерением характеристик моделей льда в опытовых бассейнах. Для измерения этого параметра натурного льда чаще всего проводят опыт по облому балки-клавиши (рисунок 1.1.1). Он вошёл в рекомендации по проведению экспериментов Международной конференции опытовых бассейнов (МКОБ) и Международной ассоциации гидравлических исследований (МАГИ) [121; 149]. К достоинствам этого способа следует отнести возможность совмещения опытов по определению модуля деформации и предела прочности на изгиб. Искомая величина без учёта влияния воды будет определятся по выражению [87]:

4Fl3

Рисунок 1.1.1 - Стандартный опыт по облому консольной балки («клавиши») на плаву

E = ■

bh3w

(1.12)

где I, Ь, м - длина и ширина консоли; w, м - прогиб свободного конца. Размеры балки могут

быть выбраны по рекомендациям: Ь = И, I = (8^8,5)к [52]; I = 10^ [139]; Ь = (1 ^2)к,

I = ( 7 ^10) к [87] по рекомендациям МАГИ. Если размеры образца отличаются от

рекомендуемых, модуль упругости может быть определен из уравнения изгиба балки. В этом случае при проведении эксперимента прогибы измеряются в пяти точках по длине консоли, их интерполяция позволяет определить положение нейтральной оси для вычисления граничных условий соответствующего дифференциального уравнения [114; 130].

Результаты экспериментальных исследований морского льда демонстрируют малую стабильность значений этого параметра, поэтому в качестве натурных значений для настройки материала модели ледяного покрова используется достаточно широкий диапазон отношения модуля упругости к пределу прочности на изгиб: Е^и = 2000■8000 [161]. В монографии [123]

приведены результаты анализа данных значительного количества экспериментальных исследований упругих свойств различных материалов, в том числе и льда. Получено, что модуль упругости морского льда солёностью 5 %о при температуре -10 °C равен 3-5 ГПа, что даёт Е/ <ги = 4500 ■ 7500 [137].

Лёд представляет собой специфический природный материал, находящийся в момент взаимодействия с судном при температуре близкой к точке плавления. Измеряемые его прочностные характеристики сильно зависят от температуры образца, который подвергается испытанию. При этом температура верхней поверхности ледяного покрова приближается к температуре воздуха, а нижняя - к 0 °C. По этой причине МКОБ рекомендует проводить испытания механических параметров натурного и модельного льдов только методом «in situ», т.е. не вынимания образец из воды. По различным причинам среди всех типов экспериментов, проводимых на малых образцах, наиболее приемлемым оказывается опыт по облому консольной балки-клавиши (рисунок 1.1.1), а параметром прочности - критическая величина изгибных напряжений <ги.

Этот параметр является искусственным и получается в предположении о распределении напряжений по высоте поперечного сечения ледяной балки по линейному закону, что является допущением и выражается в своего рода «осреднении» действующих напряжений. Для настройки прочностных параметров модели используют натурные данные, например, в виде эмпирической зависимости [166]:

аи= l,76e~5'88^, (1.1.3)

где аи, МПа - предел прочности на изгиб; v - объёмная доля рассола. Эта функция является результатом анализа методом наименьших квадратов более 2000 точек ( R2 = 0,77 ), полученных различными исследователями, в предположении, что направление действия нагрузки (вниз или вверх) [176], а также скорость нагружения (в исследовавшемся диапазоне) [166] не оказывают существенного влияния на уровень фиксируемых напряжений.

Другой способ испытаний образцов натурного льда заключается в разрушении ледяных дисков, полученных из кернов, на кольцевой опоре. Этот способ получил широкое распространение в связи с простотой получения образцов. Критическая величина изгибных напряжений в этом случае будет определяться [87]:

2 ятк

т

+ (т +1) 1п ^-(т -1)-\

г 4 г 2

(114)

где т - величина, обратная коэффициенту Пуассона (т >> 3), Ьт - толщина пластины; гга -рабочий радиус пластины (внутренний радиус кольцевой опоры); г0 - радиус распределения нагрузки («пятна» нагружения).

Не смотря на простоту своей реализации, этот способ имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение в целях настройки физических моделей. Наиболее существенными являются: проведение опыта "ехвки", т. е. отдельно от ледяного покрова и воды, что искажает прочностные характеристики образца, зависящие от температуры окружающей среды, и, во-вторых, не соответствие толщины образца толщине льда.

Известно, что структура ледяного покрова не однородна по своей толщине (рисунок 1.1.2). На неё оказывает влияние множество факторов: изменение погодных условий в процессе ледообразования, постепенное стекание рассола вниз и распреснение верхнего слоя с образованием пустот, наличие пузырьков воздуха, захваченных из воды фронтом кристаллизации, включение снежного слоя на верхней поверхности в структуру льда, изменение характера процесса ледообразования, что оказывает влияние на размеры и ориентацию кристаллов, и т. д. В результате с уменьшением размеров испытываемого образца, различные дефекты и особенности его строения начинают оказывать всё большее влияние на процесс, в то время как разрушение льда судном происходит единовременно по всей толщине взаимодействующей с ним части ледового поля.

Полученные при проведении различных типов испытаний значения предела прочности на изгиб могут значительно отличаться друг от друга (рисунок 1.1.3). Хорошо известна тенденция к увеличению уровня критических напряжений с уменьшением размеров образцов. Это явление принято называть «масштабный эффект», в части измерения аи он описан в [52; 87]. Его можно наблюдать у многих хрупких материалов [96], что серьёзно ограничивает возможности их исследований, а также физического моделирования.

Не смотря на известное феноменологическое описание, современные теоретические подходы к определению предела прочности морского льда при разрушении его судном не предусматривают наличие масштабного эффекта. Лёд в этих моделях представляется однородным изотропным материалом, а критерием его разрушения служит определённый

Рисунок 1.1.2 -Ледовый керн [92]

=

уровень напряжений изгиба. Существуют различного рода корректировки значений предела прочности в зависимости от размера образца, например [87]:

ИкЕ^ и

с . = <

деф2

12\Е1

(1.1.5)

деф1

где индексы 1 и 2 обозначают параметры соответствующего образца; Едеф - модуль деформации; I, Ь, к - длина, ширина и толщина образца.

Очевидно, что при разрушении ледяного покрова судном площадь излома будет значительно больше, чем при разрушении ледяных балок или дисков. Тогда, как следует из графика на рисунке 1.1.3, в качестве натурных значений при моделировании необходимо принимать наименьшие <ги.

В том случае, если в качестве тестового опыта для настройки параметров модельного льда организованы испытания малых образцов (например, облом консольной балки на плаву), то возникает необходимость

моделирования в том числе и

Площадь

Рисунок 1.1.3 - Результаты испытаний по разрушению образцов льда изгибом в экспедиции

«Кара Зима-2015» [65]: 1 - ледовые диски на кольцевой опоре; 2 - консольные балки на плаву; 3 - определение критических напряжений изгиба по параметрам свободной изгибно-гравитационной масштабного эффекта, так как основным волны, возбуждаемой ледоколом «Ямал» при объектом моделирования является не ломке ледовой кромки разрушение балки сосредоточенным

усилием, а разрушение ледяного покрова судном при прокладке канала. Данный подход не нашел своего применения в современной практике проведения ледовых модельных испытаний. Напротив, в качестве тестового опыта по рекомендациям МКОБ [130] в большинстве бассейнов используется разрушение консольной балки на плаву, а измеренные значения си сравниваются

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Себин Андрей Сергеевич, 2025 год

- •

о ; í s 3 10

hfr, мм

>4^=0.0002/1101

Krr=0.12

ж)

-Г" 8

10

12.5

10.0 -

б)

7.5

5.0 2.5 0.0

0.10

0.08

* 0.06 ч:

^ 0.04 0.02 0.00

г)

0.15

S 010 d

s

4 0.05 0.00

е)

£

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

и)

- * ••

• { •

• •

о : 1 5 £ 10

hfr, мм

— ,4 о-=0.0032/7

8

10

4 6

hfr, мм

- /W=0.0031/")I489

• «

У» •

•

0 L г 10

hfr, мм

Ktot= 0.7

>•

* • •

•

10

1.0

0.8 -

а 0.6 0.4

0,0

• * » ••

• • 4 ►

•

-

1 0 1 1 1 6 5 10

к)

1.0 0.8 ь 0.6

о.

ч.

* 0.4 0.2 0.0

< • •

•

ММ

л)

4 6 8 мм

10

м)

Рисунок В.2 - Параметры диаграмм разрушения композитной модели льда, составленной из полиэтиленовых гранул сферической формы 020 мм, уложенных в 1 слой, полученных при разрушении льда в канале (1 этап): а) - максимальная сила; б) - критический прогиб; в) -максимальный прогиб; г) - критическая работа разрушения; д) - работа закритического этапа процесса разрушения; е) - общая работа разрушения; ж) - коэффициент формы критической части диаграммы разрушения; и) - коэффициент формы всей диаграммы разрушения; к) - вклад критической работы разрушения в общий процесс; л) - коэффициент формы закритической части диаграммы; м) - длина закритической части диаграммы

а)

И/сг=5.08/т

0.256

4 б 8 10 12

h fr, мм

Wmax=7.627hfr263

25 20

s 15

*

03

Í10 5

0

• •

1 >__ • --•"* •

• i

1 0 ; 1 \ 1 5 3 10 1

в)

h fr, мм

Д)

Asupcr=0.0002h¡.m

10 12

Kcr= 0.75

1.0

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

• » -

• • * # к

•

0 i \ 5 8 10 1

12.5

10.0

7.5

è 5.0

2.5

0,0

б)

0.125

0.100

Дж 0.075

0.050

0.025

0.000

г)

е)

£

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

•

< • W •< •

•

0 ; i S 8 10 1

h fr, мм

Дсг=0.002 Э/]^.337

Ktot= 0.68

« 0 • ■ » *

è •

• 9 »

ж)

hfr, мм

И)

1.0 0.8

а 0.6 ч" 0.4 0.2 0.0

к)

1.0

0.8

Ь 0.6 о.

ч ">

* 0.4 0.2 0.0

4 6 8 мм

10 12

• Г

• • *

• »

0 2 6 3 10 1

л)

/7/г, ММ

2

£

15

10

0

• •

4 • • • • » •

О 2 4 6 8 10 12 м) V- мм

Рисунок В.3 - Параметры диаграмм разрушения композитной модели льда, составленной из

полиэтиленовых гранул сферической формы 020 мм, уложенных в 1 слой, полученных при

разрушении льда в канале (2 этап): а) - максимальная сила; б) - критический прогиб; в) -

максимальный прогиб; г) - критическая работа разрушения; д) - работа закритического этапа

процесса разрушения; е) - общая работа разрушения; ж) - коэффициент формы критической

части диаграммы разрушения; и) - коэффициент формы всей диаграммы разрушения; к) - вклад

критической работы разрушения в общий процесс; л) - коэффициент формы закритической

части диаграммы; м) - длина закритической части диаграммы

Fmav=1.141/î

0.87

H/rr=5.838/i£-22S

a)

4 6 8 10 12

hfr, мм

B)

Asupcr= 0.0002 hfrm

0.06

* 0.04 et

0.02-

0.00

Д)

4 6 8 10 12

hfr, мм

- Kcr=0.7

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

• • » •

9 к

• •

о ; ■ 5 i 3 10 1

6)

0.10 0.08 * 0.06 0.04 0.02 0.00

r)

0.20

0.15 -

et

e)

y4

0.00

1.0 0.8 „ 0.6 0.4 0.2 0.0

8 10 12 hfr, мм

— ^=0.0026/?fV382

• • « • V » •

y' »

• »

•

0 L s 3 1 0 1

hfr, мм

- Atot=0.002^72

*

« • I • • -

»

• • , »

0 2 4 6 hfr, мм 10 11 - Ktot=0.66

ь

»

• % »

ж)

hfr, мм

И)

К)

1.0

0.8 ь 0.6

о.

* 0.4

0.2 0.0

•

1 »

• • •

»

о ; с 3 10 1

л)

/7Гг, ММ

м)

Рисунок В.4 - Параметры диаграмм разрушения композитной модели льда, составленной из полиэтиленовых гранул сферической формы 020 мм, уложенных в 1 слой, полученных при разрушении льда в канале (3 этап): а) - максимальная сила; б) - критический прогиб; в) -максимальный прогиб; г) - критическая работа разрушения; д) - работа закритического этапа процесса разрушения; е) - общая работа разрушения; ж) - коэффициент формы критической части диаграммы разрушения; и) - коэффициент формы всей диаграммы разрушения; к) - вклад критической работы разрушения в общий процесс; л) - коэффициент формы закритической части диаграммы; м) - длина закритической части диаграммы

Fmax=2 AAQhfr593

Wcr= 7.834/I£-344

í <o

u!

a)

100 80 60 40 20 0

40

30 i 20 10 о

в)

0.30

0.25

£ 0.20 ¿í

h 0,15

!

0,10

0.05 0.00

д)

• •

J.

Vi

|Г» •

•

0 2 ¿ 5 3

hfr, мм

Wmax-10.43h

0.404

• •

• • •• • j .

<1 • • •• • « •

•

1 о ; 1 ■ i 1 \ 6 3

hfr, мм

- Asupcr= 0.0013h¿534

■ ■

Я * ш/

r ■

■ Ф jf ■ »

i « ■

о ; 1 t 6 £

hfr, мм

ж)

s

S

20 15 LO

5 0

б)

1.0 0.8 Л 0.6

et

0.4 0.2 0.0

г)

2.0 1.5

*

li.o

о

0.5 0.0

е)

£

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

• «• • • • r

1 1 «X •

• *

1 0 2 <- 1 5 3

hfr, мм

Ao-=0.011/7¿"3

• •5

• ^

.у Xi

•

0 2 ¿ 1 s 3

hfr, мм

- Atot=0.012h£137

•

• •

»

о ; 1 5 3

hfr, мм

Ktot=0.6

» ÎÏM »

i 1 1 • * • 1

0 4 5 3

и)

hfr, мм

к)

1.0

0.8 § 0.6 0.4 0.2 0.0

20 15 10 5

1 > • % в» • ч •

а * • • т • « • •

• • • • •

4 6 8 мм

м)

0

1.0

0.8

Е 0,6 т

О 0,4

0.2 0,0

•• •

• • • • а •

* • • • • т < « . «

1 • т % * • - • • • • •

0 ; /1 Гг. ММ 3

хЮ^

0=2.52^™

■ ■ >

/

*

■ / ■

• * ■

п)

4 6 мм

л)

1.0

0.8

Ь 0-6

о.

. 1/1

^ 0.4 0.2 0.0

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

• •

V • * • л

• • • • •

< 4 • * * * • •

о ; 5 3

хЮ

ю

Ьгг, мм

— Е=2.0х10а^105

н)

0.6 2 0.4

0.2 0.0

■ у 1

А

■ / ■ ■ и ■