冰温度膨胀力的有限元分析

《冰温度膨胀力的有限元分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、水利学报2005年3月SHUILIXUEBAO第36卷第3期文章编号:0559-9350(2005)03-0314-07冰温度膨胀力的有限元分析黄焱，史庆增，宋安(天津大学建筑工程学院，天津300072)摘要：本文在对冰温度膨胀力的作用机理作简要分析的基础上，将有限元方法引入到冰温度膨胀力的计算中，对工程中常见的两类边界条件(即固定约束和摩擦约束)下的冰温度膨胀力进行了计算。通过对计算结果的分析，得到以下结论：从与现场实测数据的比较来看，有限元计算的结果比较合理，可以在设计中应用；冰盖一侧固定约束、另一侧摩擦约束时，冰作用于固定约束边上的膨胀力会产生高度的

2、应力集中；两侧都是摩擦约束的膨胀力远小于其它约束时的冰膨胀力；温升率对直立墙上冰膨胀力沿冰厚分布的影响远大于对斜坡的影响。关键词：冰盖；温度膨胀力；有限元；固定约束；摩擦约束中图分类号：P731.15文献标识码：A高纬度地区的河流每年都有很长的封冻期，我国松花江一个水文年中的封冻期长达四个半月。在封冻期，冰盖因温度变化引起的膨胀力是对水工建筑物的主要作用力。冰膨胀力指冰盖在温升影响膨胀时，受到建筑物的约束而对其产生的作用，又称温度膨胀力。很多情况下，冰的温度膨胀力对船只以及水工建筑物会造成严重的危害，已成为困扰高纬度地区水工建筑物设计人员的重要问题之一。冰

3、的力学特性十分复杂，影响因素很多，使得冰温度膨胀力的估算存在很多不稳定或不确定因素。目前，设计人员依据的仍是[1]一些经验公式，例如前苏联的《波浪、冰凌和船舶对水工建筑物的载荷与作用》规范等。谢永刚曾提出一种冰层平均膨胀压力的估算方法，是以实际观测数据为依据的经验公式，尽管这种估算方法在实际应用中比较便利，但不能脱离数据获取的特定环境条件和规律。经验公式在实际应用中，常因公式所依据的环境条件与实际应用时的环境条件不符，以及公式中一些待定参数在实际中很难确定，导致估算精度大幅度[2]降低。DonaldCarter和DevinderSodhi以薄冰板的弹塑性分

4、析为基础，提出了一种估算由水位的变化、冰下水流和冰上气流的拖曳作用以及热膨胀效应导致的静冰压力的方法，但这种方法仅适用于冰层较薄的情况，并且以冰体发生弯曲破坏为基础，对于大多数直立形式的水工结构并不适用。对于冰温度膨胀力问题的研究，目前仍存在以下两个难点：现场观测受到技术条件的限制，很难得到广泛的准确的测试数据；由于冰体本身的复杂特性(尤其是海冰)，冰层内温度场的计算和冰体变形的理论描述均处于摸索阶段。岳[3][4]前进等基于冰的蠕变特性，对冰温度膨胀力的作用机理进行了探索。KongWL等对冰盖内温度场的分[5]布形式进行了分析研究，并提出了一种计算冰层内

5、温度场随外界温度变化情况的方法。史庆增等将层合板理论引入冰层温度应力的分析求解中，提出了一种求解对边约束冰层温度膨胀力的新的理论模型和计算方法，并对海冰进行了计算。本文将有限元方法引入冰温度膨胀力中对单层淡水冰盖进行分析，并对水工建筑物中常见的形式进行具体计算。1冰温度膨胀力的作用机理及有限元分析冰是一种复杂的材料，大量研究表明，冰本身的结构特性、强度特性、动力特性以及破坏形式均具有收稿日期：2004-02-11基金项目：国家自然科学基金资助项目(50179022)作者简介：黄焱(1978-)，男，天津人，博士，主要从事海洋环境条件与结构相互作用研究。1水

6、利学报2005年3月SHUILIXUEBAO第36卷第3期高度的复杂性和对外界条件的敏感性，其中，温度是对冰力学特性产生影响的重要因素，最直接的体现就[4][6～10]是冰随温度的变化而产生的膨胀效应，这一效应对河冰或海冰无一例外。温度膨胀力主要与冰盖的热力状况(冰温、温升率等)、冰盖的约束条件、冰盖厚度及其动态等有关。[11]研究温度应力最直接的方法是采用温度加载法，Monfore曾将冰样的两端约束，控制冰的温升率，获得不同温升率时的冰温度膨胀力曲线，但这种方法不易控制冰温升率和端部约束，难于保证测试精度和建立一般性本构方程。需要说明的是，考虑到我国水工

7、结构上常见的冰盖温度膨胀力问题，本文将只对单层淡水冰盖进行分析，其他形式冰情况的分析将在后续的研究中进行。粘弹性材料应变速率与温升率有对应的关系，温度变化引起的材料变形可表示为ε=α·Δθ(1)式中：ε为冰的线应变；Δθ为温度增量；α为材料的温度膨胀系数，对于淡水冰来说，α一般可取为常[3～5，7，8]值。式(1)两边对时间求导可得ε&=α⋅θ&(2)式中：ε&为应变速率；θ&为温升率。由式(2)可知，冰的温度变化率与应变速率为线性关系。所以，冰温度膨胀力的大小受温升率的控制。在结构、冰层和外部环境之间的热传导过程中，冰层内部的温度变化主要由表面气温变化引

8、起。冰层[2]的温度场T(x,y，z,t)不仅是x，y，z的函数，