Резонансный метод разрушения ледяного покрова тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Работа выполнена в институте машиноведения и металлургии Дальневосточного отпеления Российской Академии наук.

Официальные оппоненты: поктор физико-математических наук,

профессор Г.И.Быковцев; Заслунекный деятель науки и техники РФ, поктор технических наук, профессор Н.В.Барабанов; поктор технических наук, профессор Н.А.Тарануха.

Ведущее предприятие - Нижегородский государственный

технический университет ( г.Нижний Новгород 1

Защита диссертации состоится " 16 " января__1991г.

р__10_часов на заседании специализированного Совета ДО

02.06.07 в институте автоматики процессов управления ДБО РАН по адресу: 690032, г.Владивосток, ул.Рапио, 5, ИАПУ ДВ0 РАН, ауп.

С писсертанией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять ученому секретарю по указанному адресу.

Автореферат разослан " 5 " декабря___199^.

Ученым секретарь епеииализирсраннсго совета Д002.06.'07 у, /

п.^.-м.н., профессор — ^ А.А.Буренин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОТИ

Актуальность темы. Разрушение лепяно.го покрова с целью продления навигации имеет важное' наропсхоэяйственное значение. Сезонность речного и уменьшение грузооборота морского флота в зимнее время приводит к перегрузке других видов транспорта. Особенно остро проблема продления навигации стоит на Севере, Сибири и Дальнем Востоке. Все большее значение приобретает борьба с леповкми затруднениями на внутренних водных путях, т.к. заторы, зажоры и пр. ежегодно наносят большой ущерб.

Имеющийся ледокольный флот не способен в полной .мере решить задачу гарантированного разрушения льда. Ограниченная лепопрохо-димость на мелководье, большие энергетические затраты ледоколов на разрушение ледяного покрова и др. заставляют совершенствовать существующие и искать принципиально новые способы борьбы со льдом. В этом направлении перспективы открываются в связи с использованием резонансных аффектов в механике разрушения льда.

Цель работы. Исследование закономерностей разрушения ледяного покрова, резонансным метопом, т.е. путем возбуждения в ледяном покрове движущейся нагрузкой нзгибно-гравктацпонных волн (ИГЗ) с резонансной частотой. Разработка зависимостей я рекомендаций для практической реализации резонансного метопа в реальных ледовых 2/словиях,

Научная новизна. Поставленная в работе проблема ранее не ставилась, т.к. разрушение ледяного покрова вследствие его резонансных колебаний рассматривалось как нежелательное. Основной целью известных исследований было определение безопасных нагрузок п режимов движения транспортных средств по летшюму полю, использующемуся в качестве несущих платформ, автозимников, взлетно-посадочных полос и переправ. В диссертации поставлена противоположная задача, при репешш которой получены параметры ПГВ, приводящие к гарантированному разрушению ледяного покрова, а также характеристики нагрузок, возбуждающие такие волны. Иссдедова

ны закономерности разрушения льда при возбуждении ПГВ ограниченной в плане нагрузкой. Получена взаимосвязь между толщиной разрушаемого льда и параметрами нагрузки с учетом ледовых условий.

Достоверность. Полученные результаты основаны на использовании в качестве исходного классического уравнения колеба ний пластины на упругом основании поп воздействием внешних нагрузок. Достигнуто совпадение теоретических результатов исследований как с опытными данными автора, так и других экспериментов. Выводы и зависимости проверялись на мелко- и крупномасштабных моделях, на натурных объектах с использованием искусственного и естественного льда в полевых условиях.

Применение и практическая значимость работы, Показаны возможности и эффективность разработанного метода разрушения ледяного покрова. Предложены рекомендации по совершенствованию технологии выполнения ледокольных работ резонансным методом. Определена рациональная область применения метода. Разработана и нашла применение инструкция по использованию кораблей на воздушной подушке (КЕП) для разрушения ледяного покрова резонансньял методом. Начиная с 1588г. ежегодно КВП типа "Скат" и "Мурена'' используются для вскрытия водоемов с целью более раннего открытия навигации и расконсервации судов.

Полученные результаты используются в научно-исследовательских и хоздоговорных работах, выполняемых в Нижегородском, Дальневосточном а Комсомольском-на-Амуре политехнических институтах, институте машиноведения и металлургии ДВО РАН. Настоящая работа заинтересовала и Главное Управление навигации и океанографии, что выразилось в заказах на выполнение хоздоговорных работ. Теоретическая часть диссертационной работы вошла в лекционный курс по теории корабля, читаемый в Комсомольском-на-Амуре политехническом институте для студентов кораблестроительного факультета, а конечные выводы -в инструктаж для командиров КВП, задействованных при выполнении ледокольных работ резонансным методом.

К аза щ а т у в и н о с я г с я:

- результаты экспериментальных исследований резонансных эффектов в механике разрушения ледяного покрова;

- результаты экспериментально-теоретических исследований наполнен-но-пеформкрованного состояния (НДС) ледяного покрова с различными ледовыми и граничными условиями при воздействии на него динамических нагрузок в условиях изгибно-гоавитациокного резонанса (игр);

- технология выполнения ледокольных работ резонансным метопом.

Апробация р а б о т ы. По результатам работы сделано более 30 псклапсв на семинарах, научно-технических конференциях и международных симпозиумах.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 47 работах. Всего по теме диссертации опубликовано 86 работ, в том числе одна монография и 22 изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РА ЮТЫ

Важное значение вопросов динамики ледяного покрова для практической деятельности вызывает большой интерес ученых к этой проблеме. Поэтому теория изгибно-гравитационных волн (ИГВ) довольно хорошо разработана. Значительный вклад в яти исследования внесли: В.В.Богородский, Л.М.Бреховский, А.Е.Букатов, В.П.Таврило, С.С.Гэ-руикевич, Н.Н.Зубов, В.А.Зуев, К.Е.Иванов, П.П.Кобеко, В.Н.Кра-сяльников, Ю.М.Крылов, И.С.Песчанский, В.Г.Савченко,* В.Н.Смирнов, В.А.Спичкин, А.Д.Сытинский, В.П.Трипольников, Д.Е.Хейсин, Л.В.Черкесов, А.П.Крсри, М.Эвинп, К.Ханкинс, Ж.Келлер, Ж.Робин, В.А.Сквай-ер, Т.Такидзава, Д.Е.Невел и пр.

Глубокая изученность теории ИГВ позволяла исследователям предсказать не только возникновение во льду явлений резонанса, опасны;; с точки зрения эксплуатации ледяного покрова, но и начать проработки по его использованию для нужд лепотехники. Однако впервые резонансный метод разрушения льда начал использоваться за рубежом только с 1975г., когда канадцы случайно обнаружили способность амфибийных судов на воздушной подушке (СВЩ разрушать лед путем возбуждения ИГВ.

У нас в стране с явлением резонансного разрушения льда впервые столкнулись водители на Ладокской трассе "Дорога жизни", когда автомашины на резонансных скоростях проваливались поп лед. При этом прочность льда не вызывала сомнений, т.к. рядом с образовавшейся майной с меньшими скоростями проходили более загруженные • машины. Позясе сотрудниками ААНИИ высказывалось предположение о возможности использования ОВП для реализации резонансного метопа разрушения льда после испытаний в 1962г. СВП "Сормович" на Волге. Появление значительных деформаций льда при движении по нему нагруз-

ки отмечалось и в процессе испытаний первых отечественных СВ11 проф. В.И.Левкова в 1932г. Аналогичные результаты были установлены и в 1924г. при эксплуатации леновых железнодорожных пэреправ. Однако этим фактам не придавалось значения,« работы в этом направлении не проводились.

Сущность резонансного метода разрушения ледяного покрова (РМРЛП) заключается в следующем. При движении по льду нагрузки в последнем развивается система ИГВ. Если скорость нагрузки близка к минимальной фазовой скорости этих волн, то возникает резонанс, т.е. амплитуды колебаний лепяного покрова резко возрастают и лед при определенных параметрах нагрузки начинает разрушаться с минимальными энергозатратами.

Резонансный метоп разрушения льда может осуществляться любым транспортным средством, обладающим способностью перемешаться по ледяному покрову с достаточной скоростью и возбуждающим необходимую для разрушения льда амплитуду ИГВ. С точки зрения эффективного использования и безопасности эксплуатации при осуществлении РМРЛП наиболее пригодны амфибийные суда на воздушной подушке (СВП). В связи с этим практическое приложение полученных в работе результатов рассматривалось для этого класса транспортных средств.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 11 НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

За рубежом одними из первых инструментальных наблюдений за ИГЕ были исследования в 1951г., проведенные в процессе экспедиций на ледяных полях в море Бофорта с целью геофизического анализа. У нас в стране впервые наблюдения за ИГВ, возникающими от воздействия ветра, были проведены СД .Еернитейном в 1928г. на р.Волга. Регулярные исследования как у нас, так и за рубежом начали проводиться лишь с 50-х годов. Основным объектом наблюдений в отт работах являются длинные гравитационные волны естественного происхождения; нзгибкие волны, вызванные ударом, взрывом или разломом льда, а также акустические поля. Это исследования А.Крери, К.Ханкинса (19601963г.), Г.Робина (1963г.), В.Н.Смирнова (1967г.) и др.

Волнообразные колебания ледяного покрова от действия импульсной нагрузки впервые записал Ы.Н.Каокин (1935г.) Однако он пришел к ошибочному выведу, утверждая, что при расчете прочности льда этими колебаниями можно пренебречь. Анализируя данные с волнообразны/ колебанияхледяного покрова при перемещении грузов, Г.Р.Брегман и Б.В.Проскуряков (1942г.) пришли к выводу о существовании некоторой скорости, превышение которой может привести к разрушению ледяного покрова. Необъяснимые с точки зрения статического воздействия нагрузки случаи пролома яьяа поя движущимися автомашинами и самолетами заставили обратиться к изучению волновых процессов К.Е.Иванова, П.П.Кобако, А.Р.Шульмана, И.С.Песчанского (1946г.). В.Ключарев и С.Изюмов (1945) установили увеличение несущей способности ледяного покрова при движении груза, масса которого была предельной при статическом нагружении. В.Н. Смирновым (1976г.) проводились эксперименты по исследованию распространения волн в ледяном покрове с целью определения физико-механических свойств льда.

Среди экспериментальных работ последних лет по исследованию ИГВ, возникающих при движении нагрузки, можно отметить работы Х.Е.Крайнера (1953г.), Е.Лекурта (1975г.), Т.Такипэавы (19771978г.), В-.Сквайера (1960-1985г.) и В.А.Зуева (1981-19В2г.).

Заметим, что зее экспериментальные исследования проводились на сплошном льду и при нагрузках ниже критических.

Теоретическая сторона проблемы наиболее интенсивно развивалась за три последних десятилетия. Впервые колебания плавающего ледяного покрова как тонкой однородной упругой пластины в 1887г. рассмотрел А.Гркнхикл, определивший зависимость фазовой скорости поверхностны/ волн от волнового числа. М.Юинг и А.Крери в 1934г. оценили влияние сжимаемости веды на распространение ИГВ, а в 1951г. М.Эвинг и Ф.Прс-сс рассмотрели распространение упругих колебаний в плавающей ледяной плите конечной толщины. Интерес к исследованиям динамики ледяного покрова значительно повысился в период второй мировой войны. Голушкевичем С.0.(1947г.) в связи с эксплуатацией дедовой трассы "Дорога жизни" были проведены значительные теоретические исследования: был проведен анализ влияния волновых движений воды на напряженно-деформированное состояние (НДС) ледяного покрова вследствие приложения ко льду подвижной и импульсной нагрузок. Анизотропия упругих свойств льда учитывалась Д.Андерсоном (1961г.), пред-ставивз; м ледяной покров как трансверсально-упругий слой. Д.Е.Хей-синкм (1967г.) рассматривалось воздействие различного рола динамических нагрузок на плавающий ледяной покров, а также ряд задач океанологического и акустического характера. Упругие волны в плавающей ледяной пластине, вызванные источниками колебаний, расположенными в воде или в воздухе, исследовались Ф.Прессом и М.Овингом (1951г.). В.Н.Красильикковьм и Д.П.Коузовым (1962-1953г.) были решены задачи о дифракции и рассеянии упругих волн во льду, о прохол;« пеиии изги^ных волн через торос, о возбуждении колебаний при образовании треиян в ледяном покрове. Исследовались нестационарные задачи (Д.Е.Хейсич. 1971г.), а также возбуждение и распространение колебаний льда при наличии потоков и развитой плотностной стратификации в воде, задачи о влиянии снежного покрова,продольного растяжения и с;:;атия на неустановившиеся ИГВ, неустановившиеся колебания дрейфующего в неоднородном море ледяного покрова (1979г.) (А.Е.Букатов, Л.В.Черкесов, 1970-1979г.) и пр. В линейной постановке асимптотический анализ пространственных установившихся волн, возникающих при равномерно;.* и прямолинейном движении области давления по изотропной упругой пластине, плавающей на поверхности слоя идеальней несжимаемой жидкости конечной глубины, проверен в работах С.Ф.Допечко < 1976г.>. Влияние вязкости воды на параметр?; ИГВ в

зависимости от толщины льда исследовал А.И.Лебедев (1969г.). Исследования, посвященные оценке лепоразрушаюиих свойств нагрузки, движущейся с критической скоростью, впервые выполнены В.А.Зуевым (1977г.). Для случая мелкой воды км решена плоская запача по определению минимально необходимого павлення, достаточного пля возникновения во льпу предельных,напряжений. В.А.Тахтеевым и Н.Г. Храпаткм (1983г.) с помошыо вариационных принципов изучались ИГВ конечной амплитуды. В линс-йной постановке исследование свободных ИГВ в ледяном покрове при неравномерном,сжатии выполнено А.Е.Бу-катовым и А.М. Гончаровым (1909г.). Ь своих последних-работах Р.Хаскинг (1988г.)" рассмотрел реакцию ледяного покрова, представленного как вязко-упругая плита, на равномерно движущуюся сосредоточенную нагрузку.

Таким образом, многие частные вопросы пиитики ледяного покрова довольно полно изучены как отечественными, так и зарубежными исследователями.

Направления исследований проблемы.

Исследования возможностей РМРЛП и определение наиболее рациональных областей его применения проводились на основе экспериментально-теоретического анализа НДС ледяного покрова при пвижении по нему ограниченной в плане нагрузки в условиях изгибно-гравита-шюнного резонанса (ИГР). Анализ известных исследований в области динамики ледяного пиерова говорит о все более возрастающем интересе к данной проблеме. Однако вопрос о расчете НДС при ИГР остался неисследованным. Известные решения задачи об изгибе ледяного покрова под действием движущейся нагрузки дают бесконечна большие прогибы при резонансе, что не позволяет использовать их в инженерных расчетах. Это связано с несовершенством принимаемых в исследованиях моделей пластин и оснований, или ке идеализации и упрощений, которые позволяют получить зависимости, пригодные только для обшего анализа-поведения ледяного покрова. Устранить подобный недостаток можно путем учета вязкостных свойств льда. Поэтому в теоретических расчетах рассматривались вязко-упругие колебания ледяного покрова с целью учета диссипации энергии в колеблющейся системе. Параметры, характеризующие затухание колебаний льда, определялись из соответствующим образом поставленных и известных

опытов с ледяным постовом в естественных условиях.

Экспериментальные исслеяования проводились только в области • упругих деформаций льда, либо до момента трешинообразования, т.к. пальнейшее нагружение ледяного покрова в известных опытах было небезопасно. Поэтому для достижения поставленной цели эксперименты проводились до стадии полного разрушения ледяного покрова.

Своеобразный характер разрушения ледяного покрова резонансным методом требует разработки и новых критериев оценки ледоразрушага-тцих качеств возмущающих нагрузок. Не до конца выяснен тип реологической модели льда, которую следует принимать в теоретических расчетах. Задачи динамики ледяного покрова многогранны. В связи с чем,автор ограничился изучением влияния на леаоразрушамцую способность нагрузки ее интенсивности и скорости, ледовых условий,характеристик акваторий, физико-механических свойств льда и интерференции волновых систем.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Леп обычно рассматривается как .упругий изотропный материал, а для изучения его НДС привлекается аппарат теории изгиба упругих пластин. В действительности, ледяная пластина обладает анизотропией вследствие градиента температуры по толщине, различного хим. состава, ориентации кристаллов по слоям, наличия примесей и др. В вопросах волновых колебаний ^ти факторы учитываются путем рассмотрения трансверсалько-изотропной модели льда с последующим переходом к изотропной, но с приведенным модулем упругости. С учетом поставленной в работе задачи и выбранного критерия разрушения льда (см. ниже) такой подход в данном уровне исследований является приемлемым.

Соотношения между напряжениями и деформациями во льду носят вязко-упругий характер и зяеисят от режима чагружения. Учет отих свойств в условиях изгибно-грзвитационкого резонанса позволит избавиться от неопределенности в теоретическом решении и получить реальную картину НДС ледяного покрова в районе приложения нагрузки

Выполненные исследования показывают, что для описания волновых колебаний льда при И1Р можно принять закон деформирования упруго-запаздывающей среды Кельвича-Фойгта. Torna дифференциальное уравнение вязко-упр.угих колебаний ледяного покрова поя действием движущейся со скоростью нагрузки J-* в подвижной системе

координат ZVI/Z (рис. I) будет иметь вил

3 линейном приближении/?-/^. -/, //Д/^' где 6' - модуль упругости льда при изгиоё; /г- - толщина тпяногс покрова; fp - время релаксации деформаций;

Vf - плотность льда и воды; р - потенциал движения жидкости; pi> „ р - абсолютное твпонпе жидкости на нижнюю поверхность яьпа в статике и пинот'ике соответственно.

Рис. I Расчетная схема воздействия нагрузки на ледяной покров

Снег и подледное течение влияют на параметры ИГВ. С учетом этих факторов и при нестационарном движении нагрузки уравнение (I) запишем так

гпе 2 ■> Ус,, Ас - коэффициент вязкости, плотность и толщина снежного покрова.

Для определения р-р0 используем интеграл Лэгранжа-Коти:

гпе + ; 1% + ; ] - скорость движения жидкос-

ти относительно неподвижной системы координат ¿С,^^, ; ис > ¿г0 - проекции скорости подледного течения на ¿£=/£г; О ) - поступательная скорость нагрузки.

Предварительная внутренняя напряженность ледяной пластины (при подвижках ледяных полей) также сказывается на интенсивности вынужденных колебаний льда. Для исследования эффективности РМРЯП в условиях растяжения - сжатия воспользуемся дифференциальным уравнением:

где : - сЖимагаше-растягивающие усилия, отнесен-

ные к единице длины ледяного покрова; $ - дельта-функция Дирака; Р - сосредоточенная сила.

Если размеры акватории или параметры нагрузки не позволяют возбудить ИГВ о интенсивностью, достаточной для разрушения льда,

то ледяной покров, как показали натурные опыты, может быть разрушен дополнительными динамическими усилиями, возникающими от периодического изменения движущейся нагрузки. Для исследования возможностей такого нагрунения рассмотрены нестационарные изгибно-гра-витационные колебания системы "лед-вода" при вынужденных вертикальные гармонических колебаниях нагрузки с круговой частотой :

где Р=Р0ехр(Ю)Ь); Рс = еопвЬ ; 6(±) - функция Хевисайда.

Решения уравнений (1)-(4) получены с помошью интегральных преобразований. По найденным значениям прогибов СУ с учетом деформации упругой и течением вязкой фаз льда определялся уровень напряжений в крайних волокнах ледяной пластины.

Влияние ледовых условий (ограничение акватории по ширине, близость береговой линии, наличие во льду свободной кромки, локальных нзодноропностей в виде майн и торосов) на возможности РМРЛП исследовалось путем численного решения уравнения (I). Интерференционные процессы при воздействии на лед нескольких' источников одновременно анализировались с помошью принципа суперпозиции.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теория волновых колебаний ледяного покрова пока еще не разработана настолько, чтобы дать все ответы на практические задачи разрушения льла изгибно-гравитацмочными волнами, для получения зависимостей, позволяющих определить взаимосвязь параметров нагрузки с толщиной разрушаемого льда в различных ледовых условиях проведен ряп экспериментов в натурных условиях с естественным ледяным покровом. С целью уменьшения трудоемкости экспериментальных исследований, обеспечения стабильности свойств объекта исследований и получения устойчивых результатов в работе широко испоп'.'о-заяся модельный эксперимент.

Моделирование ледовых условий носит условный характер, то объясняется принципиальной невозможностью удовлетворить в модельном эксперименте все,'л требованиям, вытекающим из теории подобия. Кроме этого, в натурных условиях характеристики ледяного покрова: толщина делового поля, физико-механические свойства льда, степень торосистости и заснеженное™, баяы-шеть, протяженность отдельных льдин и др. непрерывно меняются по ходу движения судна и не могут быть зафиксирована с достаточной степенью точности. Все это приводит к необходимости задаваться в модельном эксперименте осреднениями характеристикам. Поскильку прочностные свойства ледяного покрова значительно зависят от его толщины, в модельных испытаниях для выявления масштабного эффекта использовались полунатурные модели. Их испытания осуществлялись в начале ледостава на естественных акваториях. Была проведена серия опытов..«, в искусственном льду в опытовых бассейнах.

Техническое обеспечение экспериментальных исследований.

Возможности резонансного метода разрушения ледяного покрова изучались в лабораторных и полевых условиях. В соответствии с этим техническое обеспечение включало в себя комплекс моделей СВП слп опн-.овых бассейнов, крупномасштабных самоходных моделей и натурных КЩ. Их главные раомерения и параметры приведены в Табл. 1-2.