冰的韧脆转变行为研究及其工程应用

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1、大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定"，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：垂丑旦导师签名：型年上月马日大连理工大学硕士研究生学位论文1绪论1．1工程背景在冰区建立的结构，要考虑结构在冰荷载下产生的失效问题。目前，工程上比较关心的结构上的冰荷载主要可以分为两种：一种是作用在结构上极值静冰力

2、。确定了极值静冰力，可以确定结构需要具备多大的静刚度以及强度，保证结构不会被推倒。另一种是作用在结构上的冰力随时间的变化情况，即动荷载形式，也称交变冰荷载。交变的冰荷载可以引起结构的振动。只有确定了动冰力的形式，大小以及周期情况，才可以对结构的振动响应准确评估，确保结构不会因为发生较大振动而破坏。在抗冰结构的设计发展上，我国在渤海地区进行海上油气田开发的历史并不短，在60年代就建造了海洋平台。由于当时没有冰区结构设计的经验，导致了海冰推倒平台的事件Ⅲ。如1963年库克湾两个简易平台被海冰推倒了。70年代在芬兰波斯尼亚湾发生了多起灯塔被极值静冰力推倒的。1969年冬季我国“海二井"的生活

3、、设备和钻井平台在极值静冰力推力下倒塌。1977年，“海四井"的烽火台也被海冰推倒位3在70年代埕北油田的开发中，又因为没有考虑到渤海湾亚极区的特点而完全采用高纬度地区的设计经验，导致了海洋平台设计的过于保守，直接影响到油田的开发成本。80年代辽东湾海洋平台设计中开展了比较系统的冰荷载研究，海冰参数选取及结构形式都比以前有了很大的改进，使得平台结构的抗静冰力能力设计的比较合理，但是由于考虑到经济性而设计的平台较柔，平台的冰激振动问题就变的更为突出。因此，如何使得冰区结构既能满足抗静冰力又能抑制冰激振动问题的要求，就成了目前广大学者关注的焦点。目前，由于冰与结构相互挤压破坏的复杂性，在极

4、值静冰力与交交冰力引起的冰激振动方面，人们并不明白极值冰力与交变冰力产生的机理，以至于存在着一些争议而无法建立准确的力学表达式。为此，广大学者在实验室进行了冰的压缩试验，试验结果表明，冰在压缩状态下具有应变速率的敏感性和韧脆转变的性质，随着加载速率的增加，冰从韧性逐渐向脆性转变D1。岳等提出冰的极值静冰力以及动冰力的产生原因与冰的韧脆转变行为有关，但由于缺乏对冰材料破坏机理的进一步研究，目前观点还未被广大学者所接受。因此，研究冰的韧脆转变行为成为揭示冰力产生原因的关键。另外，在工程材料的运用上，将冰的研究成果推广到一般材料的应用上，可为材料的失效分析，优化设计，强韧化等提供先进有效的理

5、论依据。本文主要在研究冰在挤压状态下的韧脆转变行为的基础上，来揭示极值冰力产生的与交变冰力产生的条件及原因，为建立相应的力学模型打下基础，服务于工程实际。冰的韧脆转变行为研究及其工程应用1．1．1极值静冰力极值静冰力主要关注的是直立结构是否会被推倒的问题，目前己成为国际海洋工程界与学术界关心的热点。但，由于对冰挤压破碎机理的认识不够，目前得到的冰力计算方法多是基于早期现场试验数据回归得到的经验公式。Loset等(1999)H嘲，Wright(1998)∞1对现有的冰力计算方法进行了整理与综述。总结认为现有的各种冰力计算公式都承认结构尺寸、冰厚，冰强度，冰速度等参数是影响作用在直立结构上

6、冰力大小的主要因素。但现有的各个冰力公式之间计算结果相差很大，最大甚至相差15倍。综合分析目前国际国内有关冰与直立结构挤压破坏的极值静冰力计算模型，在公式构成的形式上倾向于的表达式为：F=aDhac(1．1)其中，D为挤压面宽度；h为冰厚；o。为冰单轴抗压强度；口为影响冰力的各项因素的修正系数。它可能代表一个综合修正系数，也可能代表一个分项修正系数。关于极值静冰力的计算目前存在的问题主要是同时破坏与非同时破坏的争议。所谓非同时破坏是指冰和结构接触面上各个局部方向的破坏，不同步的，有先有后，只有和结构发生接触破坏的点才对冰力有贡献。同时破坏理论认为，结构接触面上各处的局部冰力是同时达到最

7、大，同时发生破坏。同时破坏与非同时破坏直接导致的结果就是上述式中口值的不同。对于非同时破坏，研究者认为由于非同时破坏效应的存在(Ashbyetal，1986)口1，结构上(尤其是宽大结构)的名义冰压力将随着冰与结构接触面积的增大而减小。Sanderson(1984)，Blanchet等(1996，1998)阳枷，Wright(1994)n们等从现场试验得到的数据中，都发现了这种现象的存在。他们根据各自的发现，建立了相应的冰力计算公式。由于这些冰