春季河冰流凌对桥墩撞击作用计算模型的研究

采用LS-DYNA显示动力分析软件就流冰对桥墩撞击力的计算机仿真模型进行了研究。提出了河冰的简化本构关系模型;建立了桥墩与流冰接触撞击的有限元分析模型。探讨了接触类型与算法、冰排网格密度、接触区域桥墩网格密度对桥墩撞击力计算结果的影响,并与实测结果进行了对比。得出如下结论：流冰及接触区域的桥墩可采用solid164单元;河冰材料可采用线弹性模型,最大拉应力失效准则;ASTS自动面面接触类型及对称罚函数接触算法就流冰对桥墩撞击力模型是适合的;与桥墩接触的近区冰排单元大小及接触区域桥墩网格密度对撞击力均有较大影响,应注意单元尺寸的合理选择。研究结果为流冰对桥墩撞击力的计算提供了新的方法,对完善流冰撞击力的计算方法具有理论价值及现实意义     

河冰细观模型构建中细观参数的选取

为从细观尺度对河冰开裂过程进行数值模拟分析,需要构建准确可靠的河冰细观计算模型。河冰细观模型构建需要确定细观冰结构参数,即冰晶粒尺寸、分布及冰晶边界、晶粒间初始缺陷;还需要细观冰材料参数,即晶粒各向异性、晶粒弹性模量、冰晶断裂强度、冰晶边界的力学性能。分析总结了河冰细观模型参数的选取方法,提出了参数的取值范围、量化方法及关系式,并通过黄河冰实例,对数值模拟结果与试验结果进行了对比,两者比较吻合。这些研究结果可直接用于河冰细观模型的构建。     

ANSYS在流冰对桥墩撞击仿真中应用

现场实测了呼玛河流冰撞击力及流冰作用下墩顶横桥向位移;在试验研究的基础上,运用ANSYS软件,对流冰与桥墩撞击力进行了数值模拟,通过实测结果和计算结果的分析表明,计算结果与实测结果吻合较好,用ANSYS进行该类仿真分析可行。     

黑龙江防凌爆破试验研究

炸药爆破冰盖或冰坝是防凌减灾的重要手段,确定爆破坑半径同炸药用量、冰盖厚度等相关影响变量的关系是有效实施爆破的前提。通过黑龙江上游江段现场防凌爆破试验研究,提出了防凌爆破的可靠方法和关键技术,建立了表达黑龙江冰凌爆破中冰盖厚度、冰下水深、炸药用量同爆破坑半径之间关系的公式。新公式预报的爆破坑半径值和实测值平均相对误差在8.5%以内。同已有的研究成果比较,本文论证了冰下水深对爆破坑半径的影响,所提出的爆破坑半径公式不仅适应于冰盖厚度小的河流,也适合高寒地区冰盖厚、强度大、水深浅的天然河流,且预报精度较高。研究成果应用到2015—2016年开河前黑龙江上游漠河江段防凌爆破中,确保该江段开河期间未发生冰塞和冰坝凌汛灾害。     

基于数字图像相关方法的黄河冰断裂性能研究

河冰的断裂性能是衡量河冰承载力、模拟和预测开河的重要参数。为明晰黄河冰的断裂性能,基于数字图像测量技术(Digital Image Correlation,DIC)开展了黄河冰的三点弯曲梁试验,分析了不同条件下试样的断裂形态,研究了温度和加载速率对黄河冰断裂韧度的影响。研究结果表明:DIC方法适用于黄河冰断裂试验的研究;黄河冰试样的断裂形态主要受到晶体形态的影响,试样的破坏形式以Ⅰ型断裂为主;黄河冰断裂韧度随着加载速率的增加而降低,随着温度的升高而减小,但在试验给定温度范围内降幅较小;提出了黄河冰断裂韧度与温度、加载速率的关系式,为极限荷载作用下河冰断裂过程的分析及冰荷载断裂参数的选用提供了依据。     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型。研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤。实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式。     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究

为研究河冰在复杂应力状态下的力学性质及破坏准则,对淡水柱状冰在恒定轴向加载速率(0.4 mm/min)下,分别进行温度-6、-12、-18和-24°C,围压500、1000和1500 kPa的常规三轴压缩试验。得到天然淡水柱状冰三轴压缩应力应变曲线,三轴压缩广义剪应力峰值与温度及围压的关系,以及三轴压缩能量耗散特征,并利用莫尔库仑准则分析温度和围压对河冰强度参数的影响规律。结果表明:在所选试验条件下,柱状冰主要发生单剪破坏和延性破坏;在恒定温度条件下,广义剪应力峰值随围压的增大呈现近似线性增加;在恒定围压条件下,广义剪应力峰值随温度的升高呈现近似线性减小;根据莫尔库仑理论解释柱状冰破坏准则,在4种试验冰温下,其内摩擦角分别为21°、45°、42°和52°,黏聚力分别为1191.6、513.2、861.6和933.4 kPa;从能量特征角度考虑,柱状冰三轴压缩耗散的能量随着围压的增大有逐渐增加趋势。     

Comprehensive two-dimensional river ice model based on boundary-fitted coordinate transformation method简

River ice is a natural phenomenon in cold regions, influenced by meteorology, geomorphology, and hydraulic conditions. River ice processes involve complex interactions between hydrodynamic, mechanical, and thermal processes, and they are also influenced by weather and hydrologic conditions. Because natural rivers are serpentine, with bends, narrows, and straight reaches, the commonly-used one-dimensional river ice models and two-dimensional models based on the rectangular Cartesian coordinates are incapable of simulating the physical phenomena accurately. In order to accurately simulate the complicated river geometry and overcome the difficulties of numerical simulation resulting from both complex boundaries and differences between length and width scales, a two-dimensional river ice numerical model based on a boundary-fitted coordinate transformation method was developed. The presented model considers the influence of the frazil ice accumulation under ice cover and the shape of the leading edge of ice cover during the freezing process. The model is capable of determining the velocity field, the distribution of water temperature, the concentration distribution of frazil ice, the transport of floating ice, the progression, stability, and thawing of ice cover, and the transport, accumulation, and erosion of ice under ice cover. A MacCormack scheme was used to solve the equations numerically. The model was validated with field observations from the Hequ Reach of the Yellow River. Comparison of simulation results with field data indicates that the model is capable of simulating the river ice process with high accuracy.     

开河期冰坝预测方法研究进展

对国际上现有各种冰坝预测模型进行分析比较,并讨论了各自的优缺点。认为现有的大多数模型是针对某一特定河段建立的,没有一种模型具有明显优势;各种模型的预测结果均具有较大取伪误差,模型中参数选择具有任意性。提出了进一步的研究方向:为了减小预测误差,应增加模型中的变量,并采用统计方法如逐步回归法确定模型变量;为了评价预报结果的可靠性,应对预测误差(包括取伪误差和弃真误差)进行定量分析;对冰坝形成及溃决的机理应进行深入研究。