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。     

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。     

海冰与锥体抗冰结构动力作用的数值模拟

结合渤海海冰的实际情况,应用显式动力分析软件LS-DYNA模拟海冰和海洋平台锥体抗冰结构相互作用的弯曲断裂过程。模拟结果展示出和现场观测一致的弯曲断裂过程,海冰断裂长度和冰力分布符合现场实测数据结果。平台结构所受最大冰力出现在环向裂纹出现时;通过分析不同冰速对断裂长度、冰力和平台响应的影响可以发现断裂长度对冰速变化并不敏感,对海冰破碎周期有明显的影响。     

冰区海上单桩风机振动响应与控制

针对冰区海域风机结构冰激锁频振动问题,深入开展其冰激振动响应分析,提出基于三维摆式阻尼器的冰区风机振动控制方法。基于M??tt?nen-Blenkarn自激振动理论,采用APDL开发冰区风机自激振动分析程序;基于叶素动量理论,考虑Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正,利用MATLAB编程计算获得风机叶片空气动力载荷;针对NREL 5 MW海上单桩风机结构,考虑我国渤海海域一年一遇冰情,开展不同方向冰-风组合工况下的振动响应分析,给出风机结构发生锁频事件的冰速范围,并对有、无三维摆式阻尼器的风机塔筒响应进行对比分析,结果表明:单桩风机发生锁频事件对应的冰速范围为0.01～0.06 m/s,冰-风同向时,风机发生冰激锁频所对应的冰速范围最大,塔筒结构响应最大;三维摆式阻尼器能够显著抑制冰-风载荷联合作用下的塔筒面外和面内振动响应,从而大大提高其服役的安全性。该研究成果可为冰区服役风机结构的安全运行提供技术支持。     

冰-车-桥系统耦合振动分析

为了研究桥梁结构在车辆和冰荷载共同作用下的振动反应,提出了冰-车-桥系统耦合动力分析框架。在该框架中,每辆车都被视为一个多自由度的运动系统,桥梁结构采用有限元方法进行建模,利用罚函数定义了车轮与桥面之间的接触关系,实现了各子系统之间的接触与交互作用。基于自激冰力模型得到了依赖于冰与结构相对速度的桥梁结构自激冰力,构建了冰-车-桥系统的耦合动力方程,进而开展了冰-车-桥系统耦合振动分析及行车安全评估。研究结果表明：桥梁竖向振动反应随车速的增加而增大,桥梁横向振动反应则受到了冰荷载的控制;车辆的竖向反应主要依赖于车-桥之间的相互作用力,车辆的横向反应则受冰与桥梁之间相互作用力的主导,车辆与桥梁的交互作用受到了车速和冰速的双重影响;快冰速会增大车辆的横向接触力,降低车辆的最小侧滑抗力,不利于行车安全;冰荷载作用下桥上车辆的前轴车轮比后轴车轮更容易发生侧滑;所提出的冰-车-桥系统耦合动力分析框架可为冰荷载作用下跨海桥梁的行车安全评估提供参考。     

考虑初始缺陷的平整冰-锥体结构碰撞数值模拟

基于非线性有限元数值方法,对含初始缺陷的平整冰与锥体结构碰撞场景进行了模拟。将标记为初始缺陷的实体冰单元从平整冰模型中删除,并将黏聚单元插入到实体冰单元之间。在实尺度下对平整冰与锥体碰撞场景进行了数值模拟,分析了平整冰的断裂破坏模式并预报了锥体所受冰载荷,并将数值模拟结果与不考虑初始缺陷的数值模拟结果进行了比较。分别分析了初始缺陷分布位置和含量对锥体所受冰载荷的影响。结果表明,初始缺陷对于平整冰的断裂破坏模式和冰载荷均有重要的影响。     

多跨覆冰导线脱冰振动模型风洞试验研究

覆冰导线脱冰可能造成金具、导线和杆塔等构件受力破坏,也可能会引起导线闪络、烧断等电力事故。设计了1∶50的三跨覆冰导线的缩尺模型,采用熔断集中荷载的方法模拟导线脱冰,共七种工况研究三跨导线中脱冰量、脱冰跨位置、覆冰厚度和风速等参数不同时,导线的冰跳高度、导线张力和绝缘子轴力变化规律。结果表明:边跨脱冰将引起比中间跨脱冰更大的竖向振动,跳跃高度增大了近7%,导线张力也有明显增大;在风荷载作用时,导线脱冰振动会受气动阻尼影响,跳跃高度和振动周期都有所减小,导线张力和悬垂绝缘子的轴力随着风荷载增大而增大。     

海冰与直立结构相互作用的离散单元数值模拟

在冰区油气开发中,海冰会导致海洋结构的强烈振动,并对结构累积疲劳损伤、上部油气管线和设备,以及操作人员健康构成很大的威胁。在海冰与直立海洋结构的相互作用中,冰荷载的幅值和频率一直是海冰工程研究的重要内容。该文针对海冰与直立海洋结构作用中的破碎过程,建立了海冰的离散单元模型。它将海冰离散为若干个规则排列且具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰单轴压缩试验对单元间的粘接强度进行确定;在此基础上对直立海洋平台结构的作用过程进行了数值计算,获得了不同桩径下的冰荷载和结构冰振响应,为冰区平台结构设计和现役海洋结构的疲劳寿命评估提供了参考依据。     

结冰厚度对盘管、普通冰球及蕊心冰球热阻的影响

蓄冷设备在制冰过程中,随着结冰厚度的增加,热阻增大。为了分析结冰厚度对蓄冰装置的影响,以传热理论为基础,通过结冰末期的热阻与结冰一半时热阻的对比,分析了三种蓄冰装置受结冰厚度的影响程度,并对这三种蓄冰装置做出了评价。     

基于增量谐波平衡法的覆冰输电线舞动分析

覆冰输电线的舞动是一种非线性振动。应用增量谐波平衡法推导了覆冰输电线的有限元分析模型及运动平衡方程,并对舞动方程进行了求解。该方程具有非线性平方及立方刚度项、平方及立方粘滞阻尼项。把振动过程分解成为瞬态的持续增量振动过程,迭代求出舞动频率及振幅,求得方程解的表达式。结合实例分析了输电线舞动的极限环现象和谐波项数的取值问题,与时程积分方法分析结果比较表明吻合较好。对风速增量进行了参数分析推导,算例表明不同风速下覆冰输电线舞动频率与振幅是不同的,在某个临界风速处会发生舞动分岔。     

Dynamic ice forces of slender vertical structures due to ice crushing

The dynamic ice forces and structure vibrations generated by crushing failure of ice sheet were investigated by full-scale tests conducted on a cylindrical compliant monopod platform in Bohai Bay, China. The load panels recorded three ice force modes distinguished by ice speed, which cause structure quasi-static, steady-state and random vibrations respectively. Based on the tests data, the physical process of dynamic ice forces in crushing failure was probed, by analysis of mechanical behaviour of ice under compressive loading related to relative loading speed of ice-structure interaction. It is proved that the three ice force modes takes place in loading speeds which make ice fail in ductile, ductile–brittle transition and brittle range respectively. In addition, the key problem from the structure design point of view involved in each ice force mode is discussed.     

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。     

锥体接触宽度对冰排弯曲破坏模式影响的有限元分析

冰排在锥体上发生的弯曲断裂形式按其裂纹扩展形成可分为径向开裂型和环向开裂型两种。利用三维有限元数值分析,对不同接触宽度的冰与锥体相互作用过程进行了数值分析,得到了不同接触宽度下的冰排环向应力和径向应力的分布规律;给出了冰排所存在的两种弯曲破坏模式转变的接触宽度判断依据;并对两种断裂形式的产生机理进行了分析。     

Experimental studies on shear failure of freeze-bonds in saline ice:: Part II: Ice-ice friction after failure and failure energy

This paper is the second of two papers that present and discusses the results from experiments where artificially created freeze-bonds made from saline ice were tested on direct shear with the freeze-bond oriented horizontally. It discusses the friction forces after freeze-bond failure and the failure energy.The friction force showed increasing linear trends with a non-zero intercept when plotted against the normal force. It shows that for low confinements Amonton's law is insufficient. For larger confinements the values of friction coefficient were in the range of previously reported measurements in ice-ice friction. A slightly decreasing trend of the frictional forces was found when the initial ice temperature increased.A Mohr-Coulomb type of model was proposed to model the ice-ice frictional stresses as function of the normal stresses. An empirical model was obtained to describe freeze-bond failure and subsequent deformation by introducing softening of the cohesion and angle of internal friction.The failure energy had similar trends to those observed for the freeze-bond shear strength when plotted against normal confinement, initial ice temperature and submersion time. Quadratic fitting to the data of failure energy as a function of freeze-bond shear strength allowed the estimation of the elastic shear modulus of the freeze-bond by applying a simple rheological model. The values found were between 2 kPa and 6 kPa which are very low compared with the shear elastic modulus for the ice blocks.     

考虑梁轴向约束效应的RC梁柱节点受力机理及抗震性能试验研究

钢筋混凝土（RC）框架梁受弯损伤会发生轴向伸长,周边构件（抗侧力构件、现浇板）对梁伸长的约束作用会在梁中产生不可低估的轴力,从而影响梁柱构件和节点的抗震性能以及结构的强震破坏模式。分析了梁中约束轴力对节点抗剪受力机理的影响,设计了6个1/2比例的RC梁柱子结构试件,采用可直接量测约束轴力的等效约束装置代替周边构件对梁伸长的约束作用,通过低周往复加载试验考察了梁轴向约束效应对节点抗剪需求、抗剪承载力以及损伤破坏模式的影响。结果表明,约束轴力对抗剪需求的影响比抗剪承载力的影响明显,梁轴向约束效应产生的轴力较大,且随梁弯曲变形的增大而增加。与无约束试件相比,考虑梁轴向约束效应的试件节点抗剪需求增大了1.14~2.22倍,节点区斜裂缝宽度较大,损伤情况更加严重。     

Numerical modelling of ice ridge keel action on subsea structures

The present paper describes a numerical simulation of the keel-structure interaction where the keel geometry, ice thickness and interaction speed present a scaling ratio of 1:20. The rubble is represented by a Drucker-Prager material with cohesive softening and no dilatation. The partial differential equations are solved with the non-linear Eulerian finite element method of Abaqus Explicit V6.8.2. The results are compared to physical experiments conducted in the ice basin of the Hamburg ship model basin (HSVA). Two identical cubic subsea structures were impacted into the unconsolidated keel portion of two ice ridges with different thermal properties. The results indicate that only slight dilatation occurs, and the models are able to estimate the rubble action and deformed shape. A progressive failure of the rubble occurs. The rubble action is influenced more by the friction angle than it is in punch tests, due to higher confinement at the failure surface.     

采用力偶型径向柱塞马达的新型调速回路特性分析与试验

针对变量泵-定量马达容积调速回路调速范围有限,变量泵-变量马达调速回路结构复杂的问题,故提出采用力偶型径向柱塞马达的新型恒转矩调速回路。该马达输出轴的径向力平衡,通过力偶输出转矩,马达的一个壳体内可以形成内、外两个马达;在输入压力和流量不变的情况下,通过不同的配流方式可以输出三种转矩和转速,更能满足多种工况需求;三级恒转矩调速回路在三种工作方式下产生不同的动态特性,内马达单独工作时的动态特性较好。利用AMESim软件进行仿真分析并搭建实验台对力偶型径向柱塞马达新型调速回路进行试验分析,试验数据验证了新型调速回路可增加系统的转速转矩范围,丰富了力偶型径向马达的应用领域。     

真空搅拌法流态冰制备特性的实验研究

本文设计了一套真空搅拌法流态冰制取装置,对冰浆的生成全过程进行了观测,通过实验研究了乙二醇添加剂、溶液体积、搅拌速度等因素对冰浆形成过程过冷状态的影响。结果表明:真空状态下冰浆的制取需经历溶液蒸发、沸腾、过冷及冰晶生成这四个阶段;冰晶生成瞬间系统的压力会发生突增,压力的升值即过冷结晶压差可用于表征过冷程度的高低;平均过冷结晶压差随乙二醇添加剂浓度的增大而减小,当乙二醇浓度从3%提高至6%时,过冷结晶压差从58.9 Pa降至49.4 Pa,降低了16.1%;溶液体积的增大会使平均过冷结晶压差减小,40 m L溶液的平均过冷结晶压差较20 m L溶液的平均过冷结晶压差下降了12.9%;搅拌速度对过冷程度几乎无影响。