覆雪冰排与锥形结构相互作用进程研究

在寒冷海域海洋工程结构的设计中，控制荷载多为冰荷载，从而抗冰结构成为设计的主要方向之一，而能够导致冰排发生弯曲破坏的破冰锥形结构得到了广泛应用。国际冰工程界已针对冰排与锥形结构相互作用进程开展了一定规模的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如冰排的断裂长度、碎冰的堆积进程、冰荷载的准确估算方法、冰激锥形结构振动等。目前国际上最新的研究成果表明，冰排上是否有雪覆盖对上述问题具有重要的影响，但尚未有覆雪冰排与锥形结构相互作用进程研究开展的实例，进而覆雪情况对上问题具体的控制机理与影响水平还不得而知。本课题正是针对这一问题，通过现场取样测试、理论分析与物理模型试验相结合的方法，开展覆雪冰排与锥形结构相互作用进程的研究。本课题将研制出室内生成覆雪模型冰盖的试验技术，填补国际范围内冰工程模型试验在该技术上的空白，并最终通过系统研究，揭示覆雪情况对冰排与锥形结构相互作用进程的控制机理与影响水平。

在寒冷海域海洋工程结构的设计中，控制载荷多为冰荷载，从而抗冰结构成为设计的主要方向之一，而能够导致冰排发生弯曲破坏的破冰锥形结构得到了广泛应用。国际冰工程界已针对冰盖与锥形结构相互作用进程开展了一定规模的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如冰排的断裂长度、碎冰的堆积进程、冰荷载的准确估算方法、冰激锥形结构振动等。目前国际上最新的研究成果表明，冰盖上是否有雪覆盖对上述问题具有重要的影响，但尚未有覆雪冰盖与锥形结构相互作用进程研究开展的实例，进而覆雪情况对上问题具体的控制机理与影响水平还不得而知。本项目正是针对这一问题，通过调查研究、理论分析与物理模型试验相结合的方法，开展了覆雪冰盖与锥形结构相互作用进程研究。本项目首先基于现场取样测试结果，结合多年冰模型试验积累的模型冰生成与制备试验技术，成功地开发出覆雪模型冰盖的室内生成试验技术，并对覆雪冰排的物理力学性质进行系统的分析研究。在取得相关进展的基础上，对锥形结构前覆雪冰排破坏模式进行了理论分析，并根据分析结果制定了相应的试验方案。课题组在天津大学冰工程实验室内进行了包括多种雪厚、冰速、锥角以及锥体水线面直径在内的一系列模型试验，获得了大量宝贵的试验数据。项目以所有不同覆雪水平下锥体冰力时程曲线分析为基础，联系试验影像观测，结合已有的冰排破坏理论，归纳概括覆雪冰排断裂的模式及机理，构建了考虑冰排覆雪水平的锥体冰力幅值理论分析模型和冰激锥形结构振动动力分析模型。综合冰条件、覆雪水平、抗冰锥尺寸、碎冰块尺寸及分布演变规律等因素，最终构建覆雪冰排与锥形结构相互作用的数值模型。结合课题培养研究生8名。发表论文8篇，其中被SCI收录3篇，EI收录4篇。