冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载

基于现场原型结构测量,研究了冰与柔性直立结构作用产生挤压破坏过程形成的交变冰力。结果发现:随着冰速的增加,可以出现三种不同冰力形式并分别引起结构准静态振动、稳态振动和随机振动响应。进一步对形成不同冰力模式的机理进行了分析,提出了随着冰速变化,冰与结构相对速率变化导致结构近场冰可以出现塑性破坏、裂纹损伤破坏与纯脆性破坏三种破坏模式,并解释形成交变荷载过程。     

窄锥结构的最不利动冰力

破坏模式效应是锥体结构动冰力的主导的综合效应。过渡型弯曲破坏峰值冰力最大,周期性最强,对冰速敏感,是最不利破坏模式,可产生最不利动冰力。通过1个案例、4个分析模型和1个数值模型论证了这一破坏模式效应假设。据此提出了一个窄锥动冰力函数,给出了3个参数的表达式。算例结果显示,在过渡破坏条件下预测的动冰力接近实测值。     

冰激桥墩振动室内模型试验研究

鉴于模型试验是研究冰激结构振动特点和机理的一种非常有效的方法和手段,本文以某桥墩为背景,通过一修正的动冰力模型试验相似律设计了一桥墩模型,应用DUT-1模型冰,模拟了不同冰速下冰-桥墩动力相互作用过程,并实测了冰力和桥墩各测点处的响应。进而得到了一些有价值的试验现象和试验结果,这将为寒冷区域实际冰工程的建设提供一定的借鉴意义,同时可为冰激结构振动的发展提供探索性的意义,也能够在一定程度上完善室内冰激振动模型试验。     

破冰船在层冰中运动的数值模拟方法

为研究破冰船在层冰中运动的特点与海冰的破坏方式,该文建立了包含冰载荷、敞水阻力、螺旋桨推力与舵力的六自由度动力学方程。考虑海冰的弹性弯曲对破冰力的影响,引入海冰的二次断裂与动态弯曲破坏准则,提出了更加精确、完善的船-冰动态接触模型。在此基础上,对瑞典破冰船Tor Viking Ⅱ在层冰中的直航与回转运动进行了数值模拟,并与全尺寸试验数据对比,验证了数值模拟结果的合理性。结果表明:模拟运动轨迹与真实运动轨迹相符,最大回转直径的相对误差仅为3.32%,因此本文建立的数值模拟方法能够真实地模拟破冰船在层冰中的运动。     

三维自由弯曲技术及变形区长度优化数值模拟研究

目的 开展自由弯曲变形区长度优化研究,获得外径为15 mm、壁厚为2 mm的6061-T6铝合金管材的最优A值。方法 从三维自由弯曲成形技术的基本原理及控制程序入手,基于有限元分析方法,利用ABAQUS仿真软件对管材三维自由弯曲成形过程进行数值模拟,研究成形过程中管材弯曲变形区的受力过程变化,分析变形区长度(A)对弯曲成形结果的影响规律。基于最优的变形区长度,对制冷系统管路中的6061-T6铝合金复杂空间弯曲构件进行仿真模拟及实际成形试验。结果 试验成形构件尺寸与模拟成形构件尺寸相近且均接近设计尺寸,试验成形构件最大壁厚减薄率不超过9%,最大截面畸变率不超过5%,具有较好的成形质量。结论 目标构件的有限元模拟及成形试验验证了变形区长度优化结果的准确性。     

单壁碳纳米管的力学性能、断裂和屈服行为与其几何形貌的关系

采用分子动力学模拟研究了单壁碳纳米管的力学特性与其长度、直径及手性的关系.在施加拉伸或压缩载荷时,不同直径的单壁碳纳米管表现出明确的力学性能变化.锯齿型和扶手椅型碳纳米管的拉伸性能与其长度无关,而对于手性碳纳米管来说则稍有变化.所有类型碳纳米管的压缩特性,主要是刚度和临界压应力均随碳纳米管长度的变化而改变.断裂模式因结构不同而异,屈服过程产生纽结、波浪状结构、柱状屈曲、弯曲和扭曲等.     

黏聚裂纹阻抗的弯曲梁承载力

在混凝土类软化材料断裂研究中,裂纹端部损伤区被简化为具有黏聚应力分布的非线性裂纹,该黏 聚力对裂纹扩展有阻抗作用。裂纹体的应力强度因子是断裂力学标志载荷作用与几何构型因素的量化表达指标; 黏聚力形成的阻抗强度因子数值,与黏聚裂纹长度和材料极值拉伸应力存在数量关系。通过双K断裂判据,以 带切口的三点弯曲梁为断裂力学模型,分析了裂纹黏聚阻力对断裂过程的影响规律,计算该弯曲梁结构断裂试 样的最大承担载荷;其结果比较符合实验数据。     

不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法的影响因素

用嵌含有GTN延性损伤模型的ABAQUS有限元法,模拟研究了不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法中材料力学性能、弯曲角度和压头直径对弯曲试样塑性应变分布、延性损伤和裂纹起裂的影响规律,分析了其对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响。结果表明：随着试样弯曲角度的增大和弯曲压头直径的减小,试样拉伸面的塑性应变增加,试样越容易产生弯曲开裂;在晶间腐蚀弯曲评价标准中,当固定弯曲角度和压头直径时,对于塑性、韧性和抗断裂综合力学性能较低的不锈钢材料,在弯曲过程中材料本身会发生开裂;因此,需要考虑材料力学性能对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响;对于该研究中的典型的奥氏体不锈钢材料,当其弯曲断裂应变低于0．51左右时,在弯曲过程中材料本身会发生开裂,不宜用弯曲方法来评价其晶间腐蚀敏感性。     

大尺度圆锥结构的冰力计算

大尺度圆锥结构的冰力计算不同于小尺度圆锥结构的冰力计算,它必须考虑堆积冰的影响。Maattanen教授根据他在波斯尼亚湾Kemi-Ⅰ灯塔试验圆锥上所取得的经验,建立了大尺度圆锥结构冰力分析有限元模型。但在他的文献中,对许多关键性细节(如堆积尺度)都未给出明确表达。在本文中,作者以清晰的思路分析推导了该模型的这些细节,最后,应用该模型对JZ-93锥体平台作了冰载分析,分析结果得到设计部门的认可。     

海冰作用下平台结构自激振动的参数分析与响应的数值计算

本文依据Ｍａａｔｔａｎｅｎ的自激冰力模型,分析了冰和结构的各种参数对海冰作用下平台结构自激振动的影响;对不同动力特性的导管架平台结构简化模型,进行了海冰作用下结构自激振动响应的数值计算,发现了自激冰力和结构振动的一些特征,为进一步理解冰致平台结构自激振动现象,避免自激振动的产生及采取相应的控制措施提供了有益的结果。     

Measurements of correct ice adhesion forces to metal test plates in nano-scale by using SPM

To prevent many problems caused by ice adhesion, its control technology is required. To settle this technology, obtaining the correct ice adhesion force is a key point. However, ice adhesion forces obtained by current conventional methods are apparent values including a force breaking ice. Thus, authors developed a method to measure correct ice adhesion force and accurate ice diameter in a nano-scale by SPM and both for copper were measured. To construct a database to store the correct ice adhesion forces and diameters for various metals, first, the ice adhesion forces and the ice diameters for aluminum, titanium, carbon steel, and stainless steel are measured at −5°C by the SPM. Additionally, to easily compare our results with other works, shearing stresses of the metals are also given by the ice adhesion forces and ice adhesion areas. Validities of our results are proven by comparing them with the surface energies and other works.     

Model tests of ice forces on fixed and oscillating cones

A series of model tests has been carried out on downward breaking conical structures using low salinity model ice. Comparison with information in the literature showed that a downward breaking cone experiences lower ice forces than an upward breaking cone. Fixed cones of angles of 15, 30, 45 and 60 deg were tested in 50-mm-thick ice of 60 kPa flexural strength at velocities ranging from 0.01 to 0.5 m/s. The effects of thickness and flexural strength variations were also investigated. Horizontal forces were observed to increase with increasing velocity. Ice thickness variation was observed to have a stronger influence on the vertical forces than on the horizontal forces. Vertical and horizontal forces showed a decrease with decreasing flexural strength.Two test series were run with the 45 deg conical structure arranged so that it oscillated. Horizontal force reductions of up to two thirds were observed.     

破冰船冰区操纵性能离散元分析

针对浮冰区与平整冰区中航行船舶冰阻力与操纵性的预报问题,采用冰-水-船相互作用数值模型对“雪龙”船在浮冰区与平整冰区中的回转运动特性进行了数值分析。在数值模型中,采用具有黏结破碎特征的球形离散元模型来模拟冰盖的破坏过程,采用球体-三角形接触模型来模拟船-冰之间的碰撞过程,建立了考虑船舶桨力、舵力及水动力的六自由度操纵运动方程。在此基础上对船舶在不同厚度（1.2 m~1.7 m）、不同密集度（40%,60%,80%）浮冰区与不同厚度（0.8 m~1.2 m）平整冰区行进时的破冰阻力及回转特性进行了数值模拟。模拟结果表明:在相同厚度的浮冰区航行时冰阻力小于平整冰区航行的阻力值;浮冰区中回转圈直径约为敞水中回转直径的1倍~2倍;平整冰中回转直径约为敞水中回转直径的2倍~6倍。     

输电线路导线断线试验及数值模拟分析

通过构建连续3档输电线路段,进行了不同导线型号、不同覆冰厚度的导线断线试验,测试了不同工况下跨中点导线张力及跨中点横向位移时程,计算了不同工况下试验线路段的阻尼比,确定了不同工况下导线张力的动力冲击系数。试验结果表明,离断线位置越近,冲击效果越明显;覆冰越厚,动力冲击系数越小,无冰时的动力冲击系数明显高于覆冰时的数值。随覆冰厚度的增加,断线前初始张力逐渐增大,断线残余静态张力与初始张力的比值逐渐增大;覆冰断线时第1峰值张力大都接近初始张力。有限元模型中采用试验识别确定的阻尼比,完成了不同断线工况下的数值模拟,各个断线工况的残余静态张力和第1峰值张力与试验值基本一致,最大误差分别为5.6%和12.9%。     

水中爆破破冰参数的优化试验

以内蒙古包头市黄河磴口段开河前冰盖为试验对象,采用2#岩石乳化炸药,集中药包型式,炸药量分别为8、10、12kg三种,在冰盖下部不同入水深度处进行水中爆破破冰。通过对试验点冰厚、药包入水深度和破冰效果的量测,得到了集中药包在相同药量下,药包入水深度与爆破破冰体积的关系。研究了相同重量的集中药包在不同入水深度条件下的破冰效果,得出了在炸药重量、药包入水深度等优化参数组合条件下,爆炸能量才能得到充分利用,爆破破冰效果达到最佳的结论。     

超声破穿冰块的方法

本文提出了超声破块的新方法，对冰块样品的实验表明，利用５Ｗ／ｃｍ＾２声强的超声可以达到３００ｍｍ／ｍｉｎ的破穿速度，作者介绍了这种实验方法，并认为：喷射声空化场的空化集中效应是超声破穿冰块的作用机制，最后，预测了这种超声破穿方法在冰处理工程上的应用。     

人行道上超声波清除压实冰雪机器人的设计与研究

目的 针对北方地区冬季人行道压实冰雪给行人带来的安全隐患,以及清除冰雪的劳动量大、效率低等问题,拟设计一款清除冰雪机器人。方法 受超声波体外碎石的启发,形成了“破冰在先,破除兼备”的新式超声波清除压实冰雪的观念,设计了一款采用超声波技术来破冰、推冰、除冰的小型超声波清除压实冰雪机器人,并对破冰装置进行模拟实验来探究其效果。结论 通过超声波破冰机构的模拟实验,该机器人破冰显著,操作方便,行动灵活,适用于人行道压实冰雪的清除,具有推广价值。     

A panel method for modelling level ice actions on moored ships. Part 1: Local ice force formulation

Model tests of a moored ship in level ice have been performed. The experimental setup made it possible to measure interaction forces between the ice and the ship's bow area. These kinds of measurements are for the first time reported in the literature.Methods for constructing local ice forces based on observations from the model tests are introduced. The ice-hull interaction is separated into ice breaking, rotation and sliding phases. It is assumed that breaking and rotation occur in the vicinity of the waterline and that the main sliding phase occurs under water. A simplified formulation for forces near the waterline caused by breaking and rotation of ice floes is based on four random variables. An algorithm to extract these variables from the measured data is given. Probability distributions are fitted to the random variables and the distributions are analysed with respect to effects of the mooring stiffness and the ice drift speed. The difference between the constructed and the measured ice forces in terms of mean values and standard deviations are small.A Coulomb friction model is assumed for the friction forces on the wet part of the bow. The friction coefficient is assumed to be stochastic and is extracted from the measurements. Even though the assumed friction model is simplified, it closely resembles the measured forces.The model is applied to study the dynamic response of a moored realistic hull in a separate paper.     

冰凌下水中延长药包爆破破冰的试验研究

结合典型实例,阐述了冰凌危害,指出黄河凌汛是最大的无讯潜伏灾难,必须加强研究遏制冰凌危害的有效科学方法。本文推导了冰凌下延长药包爆破破冰的药量计算公式,并在黄河冰凌爆破中进行了试验研究,取得了理想的效果。证明了所推导的药量计算公式是科学合理的,所应用的施工工艺也是可行的。试验的结果对于今后黄河冰凌爆破的进一步研究,有重要的现实意义。     

冰凌下水中延长药包爆破破冰的试验研究

结合典型实例,阐述了冰凌危害,指出黄河凌汛是最大的无讯潜伏灾难,必须加强研究遏制冰凌危害的有效科学方法。本文推导了冰凌下延长药包爆破破冰的药量计算公式,并在黄河冰凌爆破中进行了试验研究,取得了理想的效果。证明了所推导的药量计算公式是科学合理的,所应用的施工工艺也是可行的。试验的结果对于今后黄河冰凌爆破的进一步研究,有重要的现实意义。