Исседование напряженно – деформированого состояния льда, находящегося под действием динамической нагрузки

Ткачева А.В.,

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН

г. Комсомольск-на-Амуре, Россия

Abstract: using the theory of small elastic strains and the difference of the numerical method, a mathematical model of the ice-breaking device in the form of a catamaran. We solve the spatial problem of deformation of ice icebreaker attachment.

Введение. С появлением ледяного покрова на реках эксплуатация водного транспорта становится невозможным, а наземный транспорт еще не способен пройти по хрупкому льду. Решением этой проблемы может стать использование ледоразрушающего устройства, которое очистит фарватер ото льда и предотвратит затирание суден во льдах.

В работе строится математическая модель процесса деформирования ледяного покрова, ледокольной приставкой в виде катамарана. Целью работы является исследования напряженно – деформированного состояния (НДС) льда, находится под действием динамической нагрузки.

Описание устройства. Рассмотрим ледоразрушающее устройство, защищенное патентом [1]. В носовой оконечности судна 1 (рис.1) при помощи креплений 2 устанавливают ледокольную приставку 3, перед которой в ледяном покрове 4 создают его свободную кромку. Приставку 3 выполняют в виде плавучей емкости, в диаметральной плоскости которой устанавливают форштевень 6, наклоненный под углом к горизонтальной поверхности. По бортам – боковые ножи 5 с углом и наклоненные к горизонту под таким же, но отрицательным по отношению к форштевню углом. Благодаря такой геометрической форме форштевня и боковым ножам при их контакте со свободной кромкой в ледяном покрове, между ножами 5 будут возникать сжимающие усилия. При достаточном расстоянии l между клиньями возникают усилия, приводящие кпотере устойчивости формы участка льда, заключенного между ножами. Отломанные участки льда притопятся наклонным днищем приставки, и его обломки раздвинутся под кромки образовавшегося канала.

Рис.1. Схема ледокольной приставки

Результаты исследования

При построении математической модели следует учитывать физические и механические свойства пресноводного льда [2]. Примем деформируемую среду (лед) упругой и изотропной. Используя теорию упругости для малых деформаций и численный метод [3], строится математическая модель устройства и приводится численное решение.

Расчеты проводились при следующих геометрических параметрах устройства: a - длина льда от клина до закрепленной части льда 16.5 м (рис. 2); - глубина внедрения клина в лед 2.1 м; - длина площадки контакта форштевня с ледяным покровом принята равной 0.3 м; - половина ширины форштевня 3.5 м; - расстояние от форштевня до клина 2 м; - ширина клина у основания принята равной 1.13 м; - ширина свободной кромки льда от клина до закрепленной части льда 1.1 м; с - расстояние от свободной кромки льда до края рассматриваемой области деформирования ледяного покрова, принято равным 7.1 м; угол между форштевнем и горизонтом 15°; угол острия клина 35°. Толщина льда 0.5 м. Время контакта системы нагрузок со льдом с.

Рис.2.Схема, поясняющая возникновения нарушений сплошности в ледяном покрове.

В качестве критериев нарушения сплошности согласно работы [2] принимаем , . На рис.2 представлены схемы нарушений сплошности возникающие в ледяном покрове при воздействии на него ледоразрушающей приставкой в виде катамарана.

По всей рассматриваемой области касательные напряжения не превосходят нормальные.

В окрестности внедрения клина имеет место максимальное растягивающее напряжение . С увеличением расстояния от клина напряжения уменьшаются и меняются на противоположные, это фиксируется на расстоянии 9 м.

В области расположения форштевня, сжимающие напряжения превосходят критериальные 1,8 м. , .

Максимальные растягивающие напряжения наблюдаются на расстоянии 3 м. от клина , , за ними следуют сжимающие напряжения , в этом месте образуется перегиб.

Проводя анализ НДС можно сделать вывод о том, что во всей исследуемой области деформирования льда будут иметь место несколько впадин и горбов, сглаживаемых в направлении к периферии.

Библиографический список:

1. Патент РФ №2229415.Устройство для разрушения ледяного покрова/ Горкунов Э.С., Колмогоров В.Л., Козин В.М., Одиноков В.И. Бюл..№15. Опубл. 27.05.2004

2. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Металлы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. С. - 232.

3. Сергеева А. М., Одиноков В. И. Моделирование экологически безопасного способа разрушения ледяного покрова.// Инженерная экология, 2009 №3 С.53-62.