Математическое моделирование процессов формирования ледовых воздействий, вызывающих абразию сооружений шельфа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Помников Егор Евгеньевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ АБРАЗИЮ СООРУЖЕНИЙ ШЕЛЬФА

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЯ 2012

Владивосток - 2012

005044055

Работа выполнена на кафедре механики и математического моделирования Дальневс сточного Федерального Университет

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Беккер Александр Тевьевич

Официальные оппоненты: Козин Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор, Институт Машиноведения и металлургии, Дальневосточного отделен и; РАН, Заведующий лабораторией Механики деформируемого твердого тела

Макарова Наталья Валентиновна

кандидат технических наук, Институт автоматики г процессов управления Дальневосточного отделена РАН старший научный сотрудник, лаборатории меха ники необратимого деформирования

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью «Научно

исследовательский институт природных газов и газо вых технологий - Газпром ВНИИГАЗ», г. Москва

Защита состоится 30 мая 2012 года в Ю00 часов на заседании диссертационного сове1 ДМ005.007.02 в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отд| ления РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ауд. 510, е-ша1 dm00500702@iacp.dvo.ru, тел./факс (423)231-04-52

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессс управления Дальневосточного отделения РАН.

Автореферат разослан 28 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Дудко Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из приоритетов мировой тенденции расширения границ освоения запасов углеводородов является освоение шельфовых месторождений замерзающих морей. Более 85% общих ресурсов нефти и газа российского шельфа сосредоточено в арктических морях. Поэтому проблема оценки ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа является актуальной. Ее разработкой в настоящее время заняты многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране.

Существуют различные нормативные документы, в которых определяется расчетное (экспериментальное) значение ледовой нагрузки. Однако практический опыт эксплуатации показывает, что есть вероятность потери несущей способности конструкции (элемента конструкции) в результате повреждений в опасных сечениях от сравнительно умеренных воздействий большой повторяемости.

В результате динамических воздействий поверхность сооружения, контактирующая со льдом, постоянно подвергается ледовой абразии, что многократно ускоряет коррозию и разрушение материала конструкции. Величина ледовой абразии зависит от большого количества факторов, основными из которых являются контактное давление, длина пути истирании и сопротивление материала ледовой абразии.

Большинство исследований в области ледовой абразии сосредоточено на изучении самого процесса разрушения материала конструкции, но в них не рассматривается интенсивность воздействия льда на поверхность конструкции.

Результаты долгосрочных исследований ледяного покрова и его воздействий позволяют сделать вывод, что проблема абразии морских ледостойких платформ (МЛП) может быть разделена на две части. С одной стороны, глубина абразии определяется интенсивностью и продолжительностью ледового воздействия, а с другой стороны, она обусловлена способностью материала конструкции сопротивляться истирающим воздействиям.

Целью работы является разработка методики расчета глубины ледовой абразии сооружений континентального шельфа в зоне переменного уровня.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выполнен аналитический обзор факторов, влияющих на процесс ледовой абразии; уточнена общая имитационная модель воздействия дрейфующего ледяного покрова; разработана математическая модель абразионного воздействия различных типов ледяных образований на сооружение; выполнена верификация математической модели на основе экспериментальных (натурных) данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются следующие методы: математическое моделирование; теория вероятностей и математическая статистика; физическое моделирование.

Новизна работы заключается в разработке модели взаимодействия сооружения с различными типами ледяных образований с учетом планово-высотного и временного распределения ледяного воздействия в зоне истирания, а также в уточнении общей имитационной модели воздействия дрейфующего ледяного покрова в части определения мгновенной прочности льда.

Практическое значение работы: разработанная верифицированная методика может быть применена для расчета глубины ледовой абразии морских инженерных сооружений; результаты работ использованы в отчете «Ice abrasion test», выполненном НПО «Гидротекс» по контракту с Aker Engineering & Technology; разработанная методика и компьютерная программа расчета применены при проектировании и строительстве нефтедобывающей платформы для месторождения Аркутун-Даги по проекту «Сахалин 1 ».

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общепринятыми апробированными исходными положениями; верификацией теоретической модели по данным натурных наблюдений.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на 20-ой международной конференции «Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC)» -Luleâ, Sweden, 9-12 июня 2009; 20-ой международной конференции «International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE)» - Beijing, China, 20-26 июня 2010; 9-ой международной конференции «Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS)» -Busan, Korea, 14-17 ноября 2010; 21-ой международной конференции ISOPE - Maui, Hawaii, USA, 19-24 июня, 2011; научных семинарах кафедры гидротехники ДВФУ (ДВГТУ) (2008-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из глоссария, списка обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы; содержит 148 страниц текста, 109 рисунков и графиков, 11 таблиц, 168 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель, задачи и новизна полученных результатов, их эффективность и возможные области использования.

В первой главе приведен общий анализ работ, посвященных полевым, экспериментальным и теоретическим исследованиям в области изучения ледовой абразии.

Проблемой оценки интенсивности ледовой абразии гидротехнических сооружений на протяжении последних тридцати лет занимаются научные центры во всем мире: в Японии - Y. Itoh, H. Saeki (1989-1994), в Канаде и США - V. Malhotra (1988), G.C. Hoff (1989), в Норвегии - J. Janson (1988), S. Huovinen (1990), В. Fiorio (2002), в России - А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, С.Д. Ким (2005-2008), С.А. Вершинин (2004-2006).

Результаты долгосрочных исследований ледяного покрова и его воздействия позволяют сделать вывод, что проблема абразии оснований гравитационного типа (ОГТ) может быть разделена на две части:

• проблема ледовой нагруженное™ (ледовых воздействий, вызывающих абразию);

• проблема сопротивления материала конструкции истирающему воздействию.

Большинство исследований были ориентировано на изучение сопротивления

материала на образцах в лабораторных условиях, а также на изучении воздействия льда на инженерные сооружения в полевых условиях.

На основании проведенного анализа исследований были обобщены основные факторы, влияющие на ледовую абразию: контактное давление при взаимодействии льда и сооружения; путь взаимодействия (истирания) между сооружением и ледяным полем в зоне контакта; прочность и температура льда; скорость относительного перемещения при взаимодействии; сопротивление материала и его компонентов истиранию.

Процесс математического описания интенсивности воздействия льда на инженерные сооружения континентального шельфа осложнен высокой неоднородностью как физико-механических свойств ледяных образований, так и высокой степенью пространственно-временной неоднородности самого ледяного покрова в процессе перемещения (дрейфа) ледяных образований.

В настоящее время существуют различные нормы и правила (СНиП, ВСН, DNV, ISO, API), в которых определяется расчетное (экстремальное) значение ледовой нагрузки с точки зрения внезапного отказа сооружения при взаимодействии с ледяным образованием. Однако ни один из этих документов не дает возможности учесть все воздействия ледяных образований за период эксплуатации. Одним из способов определения режима эксплуатационной нагруженное™ (интенсивность воздействия за весь период эксплуатации) является имитационное моделирование. Имитационная модель должна описывать неоднородность в различных масштабах: в глобальном (возможные параметры ледяного покрова в районе строительства для конкретного сезона), в местном (возможность взаимодействия ледяного образования с опорами сооружения или, проще говоря, вероятность попадания и время существования подобной ситуации) и в малом масштабе (конкретное значение ледовой нагрузки на сооружение в конкретный момент времени, давление и длина пути взаимодействия в малые временные интервалы).

Во второй главе предложена математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки, расчета длины пути абразии и величины ледовой абразии от различных типов ледяных образований.

Для обоснованного определения контактного давления и длины пути истирания необходимо иметь математический аппарат для расчета ледовой нагрузки, величина которой зависит не только от свойств льда, но и от модели разрушения льда на контакте «лед-сооружение». Длина пути истирания определяется процессами дрейфа ледяных образований и их взаимодействием с опорой сооружения. Хорошо обоснованной теории

разрушения материала на контакте на данном этапе исследования нет, так как оба материала (и лед, и бетон) обладают довольно большой степенью неоднородности. Расчет ледовой абразии должен учитывать и воздействие льда на сооружение, и сопротивление ледовой абразии.

На основе принципов имитационного моделирования была уточнена общая ими таг/ионная модель взаимодействия ледяного покрова с сооружением. Модель основаш на численном формировании функции распределения параметров ледового режима у имитации всех возможных ситуаций, характеризуемых случайным сочетанием значениР входных параметров. В результате численного моделирования и имитации всех расчетных ситуаций за весь период эксплуатации сооружения определяются вероятностные характеристики ледовой нагрузки, контактного напряжения в ледяной плите, длины пу™ взаимодействия, длины пути истирания и глубины истирания материала корпуса конструкции.

При разработке общей имитационной модели взаимодействия ледяного покрова с сооружением были приняты следующие допуи\ения\

1. Ледяной покров представляет собой совокупность ледяных образований равномерно распределенных по площади акватории, характеризующихся следующим} параметрами: толщиной И, скоростью дрейфа по направлениям V, диаметром Б температурой I, сплоченностью N.

2. Параметры ледяного покрова являются независимыми случайными величинами \ представлены в виде помесячных гистограмм распределения, построенных на основе многолетних рядов наблюдений в конкретном районе морских акваторий.

3. Время расчетной ситуации определяется по формуле

'к =Р(Ук) Р(Ок) Р(1гк)-Р(Тк) Р(Ык) Р(гк)-15, (1:

где Р(Ук), Р(Ък), Р(Тк), Р(Ык), Р(2к) - вероятности появления исходных параметра

скорости дрейфа льда, размеров льдин, толщины и температуры льда, сплоченности I колебания уровня соответственно; гг - время расчетного месяца из ледового сезона Время существования ситуации возможного взаимодействия ледяного образования < учетом вероятности попадания льдины в сооружение может быть определено пс

следующей формуле: /с = ¡к . ■ 10, где с1 - диаметр сооружения; Бк - диамет{

10-йк

льдины; Ык - сплоченность в расчетной ситуации.

4. Выделяются три основные группы возможных воздействий от движущихс; ледяных формирований на сооружение в зависимости от их размеров:

- нагрузка от битого льда с размером ледяных образований (Ок<4сГ);

- нагрузка от обломков ледяных полей с размерами ледяных образованиГ

(^<0(<500м);

- нагрузка от ледяных полей (0р>500м).

Для описания механизмов кинематического процесса механического взаимодействия между льдинами и процесса разрушения ледяных полей на контакте с сооружением использовался дискретный подход. При взаимодействии сооружения с ледяной плитой могут наблюдаться следующие характерные случаи: А. Взаимодействие сооружения с битым льдом или обломками ледяных полей; В. Внедрение ледяного поля опорами сооружения; В.1 Внедрение блока льда и торможение его перед сооружением; В.2 Внедрение блока льда и увеличение скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины; В.З Внедрение блока льда и скол ледяной плиты, взаимодействующей с сооружением; С. Остановка ледяного поля перед сооружением; С.1 Остановка блока льда; С.2 Остановка блока льда и увеличение его скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины; О. Потеря устойчивости блока льда; Е. Наличие чистой воды перед сооружением.

Любой сценарий взаимодействия позволяет определить основные параметры, необходимые для расчёта эксплуатационной погруженности, а именно - длину зоны взаимодействия, размеры зоны взаимодействия и место ее приложения, силу на контакте «лед-сооружение», перемещение ледяного образования относительно сооружения. Основную трудность в расчете представляет определение времени и длины пути взаимодействия ледяной плиты с бетонным основанием МЛП. Для реализации этой задачи используется закон сохранения импульса и теорема об изменении кинетической энергии ледяного поля.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути абразии от ледяных полей.

В случае В рассматривается центральный, полностью неупругий удар, когда вся кинетическая энергия приравнивается к работе контактной силы на пути внедрения опоры в лед. Методика определения скорости внедрения льда, а следовательно, времени и длины пути взаимодействия ледяной плиты, основана на теореме о кинетической энергии. Контактная сила определяется согласно общепринятым нормативным методикам.

Длина пути взаимодействия ледяного поля с опорой на /-ом шаге определяется по формуле:

Ах1=Уг Дг, (2)

где Дг - шаг моделирования льдины по времени, с.

Изменение скорости внедрения льда с учетом силы течения можно записать в виде

(3)

V Мм

где - сила на контакте «лед-сооружение» на ьом шаге расчета; — сила трения от течения.

После остановки и сброса нагрузки (случай С) картина циклически повторяется по мере поступления новых льдин. При этом расстояние между блоком льда, остановившимся перед опорой, и следующей льдиной оценивается по формуле

¿,+1 = Ц -УкМ + Дг,

(4)

где Ц - расстояние между приближающейся льдиной и крайним стоящим перед опорой ледяным образованием, м; Ук - скорость дрейфа льдины в к-ой ситуации.

В случае, если льдина соприкоснулась со стоящим перед опорой блоком льда, число льдин в системе увеличивается на единицу, полагается равным Ь0, и цикл повторяется.

Расчет продолжается до тех пор, пока время расчета / станет равным времени расчетной ситуации с учетом вероятности столкновения ледяного образования с опорой сооружения гс.

Ширина зоны контакта для ледяных полей принимается равной диаметру опоры: с1гЬ=с1, тогда длина зоны контакта для ледяных полей принимается равной длине дуги с1к=0,5лс1, где (1 - диаметр опоры, м.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути абразии от обломков ледяных полей.

При взаимодействии обломков ледяных полей размером от 4(1 до 500м с опорой сооружения с целью упрощения математической интерпретации принимаются следующие допущения:

1) предполагается, что кинетической энергии ледяного образования достаточно для внедрения опоры в лед, тогда ледовая нагрузка определяется как сила от воздействия движущегося ледяного поля на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн;

2) щирина зоны контакта принимается равной (1гь=<1/4 (как наиболее вероятная величина контактной зоны), тогда длина зоны контакта определяется по формуле

где (1 - диаметр опоры сооружения, м.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути взаимодействия от битого льда.

Для уточнения величины зоны контакта за счет добавления в систему новых ледяных образований принимается, что при взаимодействии сооружения с битым льдом свободное ледяное поле движется равноускоренно вдоль цилиндрической опоры сооружения по окружности радиусом (радиус поворота).

В этом случае угловая скорость со при движении от (р-0 до (р=п/2 изменяется в соответствии с законом равноускоренного движения по окружности. Центростремительную силу движения ледяного образования определяют из уравнения

(5)

М0У,2 2 ю

8(0).

¿0 Л

(6)

При взаимодействии ледяного поля с опорой сооружения ледовая нагрузка от силы обжатия (центростремительной силы движения ледяного образования) не должна превышать нагрузку от внедрения опоры в ледяное поле на ширине зоны взаимодействия контакта, т.е. Fp<Fbp. Если условие выполняется, то есть ледовой нагрузки недостаточно для внедрения опоры сооружения в ледяное образование, тогда необходимо увеличить ширину зоны контакта dr¡„ и расчет продолжается до тех пор, пока Fp станет равным Fhp (Ff=Fhp).

В противном случае (если условие Fp<F¡,p не выполняется) за расчетную нагрузку от битого льда принимается сила обжатия ледяного образования F¡=Fp.

Длина зоны контакта определяется как длина дуги при условии, что drb является ее хордой по формуле

dk=d- arctan^^-j. (7)

Математическая модель определения глубины истирания.

Длина пути истирания 4 в каждой расчетной ситуации позволяет определить интересующее нас значение пути скольжения ледяного поля относительно опоры сооружения, которое распределено по синусу

= X sin а, (8)

где а - угол между румбом и точкой на опоре, для которой рассчитывается глубина истирания, Х-длина пути взаимодействия, м.

Распределение давления на контакте опоры с ледяными образованиями формируется за счет ледовой нагрузки в зоне разрушения ледяного поля, которое образует контактную зону. Контактное напряжение при его равномерном распределении определяется по формуле

F

V*

где F - сила взаимодействия ледяного образования с сооружением, определяемая согласно предложенному выше алгоритму; h¡ - толщина ледяного покрова с учетом скола, м.

Учитывая принятое распределение давления на контакте и общепринятое разделение результатов наблюдений за скоростью дрейфа льда по 8 румбам, для определения максимальной глубины абразии в точке в расчет принимается пять направлений дрейфа

для учета всех неблагоприятных направлений воздействия льда для рассматриваемой точки, что важно при проектировании ледозащитного пояса.

На основании проведенных лабораторных исследований образцов бетона различного состава предлагается следующий вид эмпирической зависимости для определения удельной глубины абразии бетона 5 (мм/км):

¿ = ! = /(«7„,Г), (10)

где Д - средняя глубина абразии, мм; Ь - длина пути абразии, км; - контактное напряжение в ледяной плите, МПа; Т - температура льда, °С.

Глубина абразии на \-м шаге вычисляется зависимостью

Учитывая изменчивость /, и о;, на каждом 1-м шаге, определяется общая глубина абразии

А = Е А,- = X«V,- = Е'ТО-и , (12)

где 8- эмпирическая модель для конкретного типа бетона, определяемая на основании экспериментальных исследований.

В третей главе выполнена косвенная верификация - численный эксперимент и сопоставление результатов с исследованиями других авторов, приведены результаты исследования математической модели, выявлены зависимости ледовой абразии от различных факторов. В работе также представлены результаты прямой верификации с использованием данных натурных наблюдений.

Для исследования влияния этих факторов на величину ледовой абразии были выполнены полнофакторные численные эксперименты с использованием разработанного алгоритма и программы расчета.

Ниже приведены основные выводы из анализа результатов численного эксперимента, которые согласуются с результатами исследований таких авторов, как Н. 8ае1а, В. Копо, .Гапвоп, Р. Нага.

Для ледяных полей и для обломков ледяных полей с понижением температуры скорость ледовой абразии уменьшается. Для ледяных полей характерно увеличение скорости ледовой абразии с понижением температуры, что обусловлено большими размерами ледяных полей.

Для битого льда при увеличении сплоченности скорость абразии увеличивается. При сплоченности N=1 баллов скорость абразии минимальна, при увеличении сплоченности до N=9 баллов наблюдается ее резкое увеличение с последующей стабилизацией процесса, т.е. при сплоченности /¥=9-МО баллов изменение скорости абразии незначительно.

В то время как для ледяных полей при сплоченности N=l¥) баллов наблюдается минимальная скорость ледовой абразии с резким увеличением при ¿V=10 баллов.

Для обломков ледяных полей сплоченность влияет на скорость ледовой абразии незначительно.

Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при малых размерах ледяных образований (Z)=1m) и максимальной сплоченности льда, а минимальная скорость характерна для больших ледяных полей при минимальной сплоченности льда.

Для ледяных образований до 500 м (битый лед и обломки ледяных полей) с увеличением толщины льда скорость абразии увеличивается, в то время как для ледяных полей с увеличением толщины льда скорость абразии уменьшается. При сплоченности N=10 баллов для всех ледяных образований характерно увеличение скорости абразии с увеличением толщины льда. Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при максимальных размерах ледяных полей и максимальной толщине льда, а минимальная характерна для тех же размеров ледяных полей и минимальной толщины льда.

Для всех типов ледяных образований при увеличении скорости дрейфа льда скорость абразии увеличивается, при этом с увеличением сплоченности и уменьшением скорости скорость абразии уменьшается. Закон изменения скорости ледовой абразии в зависимости от скорости дрейфа льда нелинейный и близок к параболе.

Для всех типов ледяных образований при увеличении размеров ледяных образований скорость ледовой абразии увеличивается.

Анализ результатов лабораторных исследований в рамках работ, выполняемых по проекту «Сахалин 1» для месторождения Аркутун-Даги компанией Гидротекс, были проведены лабораторные испытания образцов бетона, отобранных из маяков Oulu2, Oulu3 и Raahe, расположенных в Ботническом заливе. В конструктивном отношении маяки представляют собой гравитационное железобетонное сооружение с диаметром основания приблизительно 7,4 м. Выбор маяков был обусловлен тем, что за 54 года эксплуатации этих маяков они постоянно подвергались абразионному воздействию.

Описание ледовых условий в Ботническом заливе

Северная часть Ботнического залива покрыта льдом 160-210 дней в году, средняя часть - 185 дней. Наибольшая продолжительность этого периода (220-245 дней) наблюдается в Ботническом заливе в районе рассматриваемых маяков.

Средняя толщина льда невелика (0,1-0,3 м), но в суровые и очень суровые зимы она может увеличиваться до 1 м.

Расчетные параметры гидрометеорологического и ледового режима в районе маяка Raahe были предоставлены компанией «Aker Solution» и специально обработаны для использования их в программе ICESTRIN. Исходные данные представляют собой гисто-

граммы помесячных (январь-май) распределений основных расчетных параметров, к которым относятся сплоченность дрейфующего ледяного покрова; толщина ровного льда; скорость дрейфа ледяных полей; колебания уровня моря.

Результаты расчета

Вычисления глубины ледовой абразии маяка ЯааЬе были выполнены при помощи разработанной программы ГСЕБТЯШ. Эмпирическая модель ледовой абразии была получена путем лабораторных испытаний образцов бетона, взятых с маяка на 1.5 м выше среднего уровня моря.

На рис. 1 приведены результаты расчета и натурных измерений ледовой абразии на маяке ЯааЬе.

Юг Север

-2,5

О 10 20 30 40

Глубина ледовой абразии, мм

— натурные наблюдения — рассчитанные значения Рис. 1. Величина ледовой абразии по различным направлениям

Следует отметить, что форма распределения рассчитанной глубины ледовой абразии по высоте практически совпадает с наблюдаемой. На основании этих сопоставлений можно сделать вывод, что точность вычисления глубины ледовой абразии разработанной математической модели достаточно велика. Таким образом, расчетные и наблюдаемые глубины ледовой абразии являются сопоставимыми величинами.

о ю 20 зо да

Глубина ледовой абразии, мм

В четвертой главе приведен общий порядок расчета и пример расчета ледовой абразии для сооружения, установленного в условиях Охотского моря.

Исходными данными для расчета являются параметры сооружения (диаметр сооружения й, форма опоры т) и параметры ледяного покрова (гистограммы сплоченности льда, размеров льдин, толщины льда, прочности льда, скорости льда по восьми румбам и колебания уровня).

Общий порядок расчета

1. Осуществляется моделирование ледового режима перебором входных параметров /г, В, Ы, Т, V, 7, таким образом, чтобы охватить все расчетные ситуации, т.е. все возможные сочетания параметров.

В результате к-ого сочетания параметров имитируется конкретная расчетная ситуация ледового режима со следующими параметрами: Ик, Ок, Ык, Тк, Ук , 2к. Кроме того, определяются вероятности их появления Р(Ук), Р(Ок), Р(Ик), Р(Тк), Р(Ык), Р(2к).

2. Определяется время существования к-ото сочетания параметров ледового режима 1к с учетом вероятностного сочетания параметров по формуле (1).

3. На каждом /'-ом шаге имитационного расчета моделируется процесс механического взаимодействия ледяных полей с опорой морских инженерных сооружений с толщиной /гь размерами ледяных полей Г)ь сплоченностью Ык, температурой ледяного покрова Тк, прочностью Як и скоростью Ук, а также учитывается процесс колебания уровня моря 7.к. Рассматриваемый процесс имеет продолжительность 1к.

В результате моделирования процесса взаимодействия можно получить значения ледовой нагрузки Т7, и длину перемещения ледяного покрова при взаимодействии с сооружением X, - длина пути взаимодействия.

4. На основе полученных данных моделируется процесс истирания материала конструкции. В результате получают контактное напряжение в ледяной плите сг,,длину пути истирания и глубину истирания материала конструкции S¡ с учетом колебания уровня моря.

5. Процесс повторяется до полного перебора всех возможных сочетаний значений параметров ледового режима.

В результате моделирования могут быть получены параметры эксплуатационной нагруженности.

Методика расчета была апробирована на ледостойкой стационарной платформе для Аркутун-Дагинского месторождения (проект «Сахалин 1»), которое представляет собой железобетонное четырех опорное основание гравитационного типа с размерами кессона в плане 132,6 х 100 м, устанавливаемое на месторождении на глубине 33,6 м.

Ледовый режим северо-восточного шельфа о. Сахалин является одним из самых

тяжелых и сопоставим с арктическими морями. Средняя продолжительность ледового периода в северо-западной части моря составляет 260 суток, у побережья о. Сахалин -до 200, на юге - до 120 суток. Общий суммарный дрейф льда через точку акватории для

условий Охотского моря может достигать 4000 км/год.

Результаты расчетов показали, что бетонное основание платформы Аркутун-Даги может подвергаться достаточно сильному истирающему воздействию от дрейфующего ледяного покрова. Графическое изображение поверхности изношенного материала за весь период эксплуатации (40 лет) показан на рис. 2 (чем светлее, тем больше глубина абразии).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В работе была предложена методика определения величины ледовой абразии сооружения дрейфующим ледяным покровом. Методика реализована в форме разработанной автором вероятностной модели формирования ледовой нагрузки и имитационной детерминированной модели механического взаимодействия льда с опорой МЛП, являющейся частью вероятностной модели формирования ледовой нагрузки. Модель основана на энергетическом подходе к определению ледовой нагрузки и описывается дифференциальным и балансовым соотношениями.

2. Разработан численный алгоритм общей вероятностной модели взаимодействия и программа расчета «1се81г1п».

3. Разработанная математическая модель позволяет определить эксплуатационную нагруженность сооружения (давление на контакте и длину пути взаимодействия для каждой точки за весь период эксплуатации сооружения) с учетом параметров сооружения и основных характеристик ледового режима района строительства.

4. Для изучения процесса формирования ледовой нагрузки в модели механического взаимодействия ледяных полей с МЛП в работе были выполнены численные эксперименты с помощью разработанной автором компьютерной программы. Численные исследования детерминированной модели показали ее работоспособность и позволили получить функциональную зависимость величины ледовой абразии от основных исходных параметров, которая может быть использована на предварительных стадиях проектирования.

5. Была проведена верификация модели на основании натурных данных, полученных с маяков, которые подвергались абразионному воздействию льда в течение 44 лет.

6. В качестве апробации методики выполнено моделирование конкретного объекта -морской ледостойкой платформы для Аркутун-Дагинского месторождения. Предложенная в работе методика ориентирована на прогноз разрушения элементов конструкции в процессе эксплуатации.

Рис. 2 - Результаты расчета глубины ледовой абразии

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные работы в изданиях, реферируемых базой Scopus

1. Bekker А.Т., Uvarova Т.Е., Pomnikov Е.Е., Gomolskiy S.G., Sabodash О.A., Kovalen-ко R.G., Prytkov I.G. Physical and Mechanical Properties of Modeling Ice for Investigation of Abrasion Process on Ice-Resistant Offshore Platforms // Proc. of the 20-th Int. Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE), Beijing, China, 2010. P. 1231-1237.

2. Bekker A.T., Uvarova Т.Е., Pomnikov E.E. The Registration of Temperature during Calculation of the Ice Abrasion // Proc. of the 9-th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symp., Bus-san, Korea, 2010, P. 226-229.

3. Bekker A.T., Uvarova Т.Е., Pomnikov E.E., Farafonov A.E., Prytkov I.G., Tyutrin R.S. Experimental Study of Concrete Resistance to Ice Abrasion // Proc. of the 21-th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE), Maui, Hawaii, 2011. P. 1044-1047.

Научные работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

4. Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Учет планово-высотной изменчивости истирающего воздействия ледяного покрова на морские инженерные сооружения // Научно-технический журнал ФГБОУ ВПО «МГСУ» «Вестник МГСУ». 2012. №1. С. 46-50.

Научные работы в других изданиях

5. Беккер А.Т., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Расчет усталостной прочности элемента конструкции от действия ледовой нагрузки // В сб. тр. междунар. конф. «Стихия Строительство Безопасность», Владивосток, Россия, 2008, с. 246-251.

6. Помников Е.Е. Расчет усталостной прочности элемента конструкции от действия ледовой нагрузки // Межвузовский сборник статей лауриатов конкурсов. Выпуск 11; Нижего-род. гос. архит.-строит, ун-т. Н.Новгород: ННГАСУ, 2009, С. 315-317.

7. Bekker А.Т., Uvarova Т.Е., Pomnikov Е.Е. Fatigue strength analysis of structural elements under ice condition // Proc. of the 20-th Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition POAC-09, Lulea, Sweden, 2009.

8. Помников Е.Е. Влияние формы ледяного образования на величину ледовой нагрузки // Материалы per. науч. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс», ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. С. 239-243.

9. Беккер А.Т., Гомольский С.Г., Сабодаш О.А., Коваленко Р.Г., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Физические и механические свойства модельного льда для исследования абразии морских нефтегазовых платформ // Тр. науч. конф. «Вологдинские чтения», «Архитектура и строительство». Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. С. 177-189.

10. Помников Е.Е., Семенов В.В. Имитационная модель расчета ледовой нагрузки // Материалы per. науч. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс» ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 187-192.

11. Помников Е.Е., Сидельникова ЕЛ. Пример расчета глубины ледовой абразии МЛП для условий Охотского моря // Материалы per. науч. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс», ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 196-203.

12. Помников Е.Е., Шмыков А.А. Варианты конструкций платформ для освоения углеводородов на шельфе северных морей // Материалы per. науч. конф. «Молодежь и научно-

технический прогресс», ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 230-235.

13. Bekker А.Т., Uvarova Т.Е., Pomnikov Е.Е. Calculation of Ice Abrasion for the Lighthouses Installed in the Gulf of Bothnia // Proc. of the 21-th Conf. on Port and Ocean Engineering undei Arctic Condition POAC-11, Montreal, Canada, 2011.

14. Беккер A.T., Якобсен С., Ким JI.B., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Оценки опасносп ледовой абразии морских платформ в дальневосточных морях // Тр. 10-й Междун. конф. и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2011). СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. С. 262-265.

Авторские свидетельства

15. Св-во... № 2011619023 Свидетельство о государственной регистрации программы ш ЭВМ. Взаимодействие льда с сооружением (IceStrln 2.0 (Абразия) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. - Заявка № 2011617041 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18. И .11.

16. Св-во...№ 2011619024 Свидетельство о государственной регистрации программы нг ЭВМ. Программа для графической интерпретации результатов расчета (Construction 3D) / Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. - Заявка № 2011617043 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.11.11.

17. Св-во...№ 2012610822 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Программа для определения распределения прочности и температуры льда с учетом пространственно временной неоднородности (Прочность льда) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. - Заявка № 2011617042 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.01.12.

18. Св-во...№ 2012610822 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Программа для определения распределения прочности и температуры льда с учетом пространственно временной неоднородности (Прочность льда) Заявка № 2011617042 от 21.09.11; зарегистрирована, в Реестре программ для ЭВМ 18.01.12.

Личный вклад автора. Работы [6, 8] выполнены автором лично. В работах [1-4, 9-11, 13, 14] автор участвовал в обсуждении модели, разрабатывал численную схему и выполнил все необходимые расчеты. В работах [5, 7, 12] автор принимал участие в постановке задачи, в [8, 9] - в предварительном математическом моделировании технологического процесса.

Егор Евгеньевич ПОМНИКОВ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ АБРАЗИЮ СООРУЖЕНИЙ ШЕЛЬФА

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 27.04.2012 г. Формат 60*84/16_

Издано ДВФУ, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

Отпечатано в типографии № 2 ИПК ДВФУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

Усл.п.л. 1 Уч.-изд.л. 0.8 Тираж 100. Заказ 217

61 12-5/3638

Федеральное государственное автонимпое образовательное учреждение высшего профессионального образования «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ПОМНИКОВ ЕГОР ЕВГЕНЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ АБРАЗИЮ СООРУЖЕНИЙ ШЕЛЬФА

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор техн. наук, профессор Беккер Александр Тевьевич

Владивосток - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛОССАРИЙ...............................................................................................................4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................................8

Введение.....................................................................................................................10

Глава 1 Обобщение и анализ литературы по проблеме ледовой абразии

гидротехнических сооружений................................................................................16

1Л Экспериментальные исследования сопротивления ледовой абразии........17

1Л Л Полевые наблюдения и лабораторные испытания ледовой абразией.......18

1Л .2 Экспериментальные исследования ледовой абразии..................................29

1Л.З Установки для изучения сопротивления материала (бетона) ледовой абразии........................................................................................................................43

1.2 Теоретические исследования ледовой абразии............................................49

1.3 Выводы.............................................................................................................57

Глава 2 Математическое моделирование ледовых воздействий, вызывающих абразию материала конструкций сооружений.......................................................61

2.1 Методика расчета ледовой абразии...............................................................61

2.2 Общая имитационная модель взаимодействия ледяного покрова с сооружением..............................................................................................................63

2.3 Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути абразии от ледяных полей..................................68

2.4 Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути абразии от обломков ледяных полей................82

2.5 Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расчета длины пути взаимодействия от битого льда.........................84

2.6 Математическая модель определения глубины истирания........................88

2.7 Назначение зоны истирания...........................................................................90

2.8 Общий порядок расчета..................................................................................91

2.9 Выводы.............................................................................................................93

Глава 3 Анализ результатов.....................................................................................95

3.1 Косвенная верификация..................................................................................95

3.1.1 Постановка численоного эксперимента........................................................95

3.1.2 Численное моделирование интенсивности ледовой абразии.....................96

3.1.3 Численное моделирование скорости ледовой абразии...............................99

3.1.4 Анализ результатов расчета интенсивности ледовой абразии...................99

3.1.5 Анализ результатов расчета скорости ледовой абразии...........................100

3.2 Прямая верификация модели.......................................................................102

3.2.1 Методика экспериментальных исследований............................................102

3.2.2 Расчет глубины ледовой абразии.................................................................108

Глава 4 Примеры расчетов.....................................................................................113

4.1 Особенности ледового режима северо-восточного шельфа О.Сахалин. .113

4.2 Описание конструкции ОГТ.........................................................................114

4.3 Эмпирическая модель абразии для ледовой зоны ОГТ.............................115

4.4 Выводы...........................................................................................................117

4.5 Результаты расчетов на абразию и их анализ.............................................121

4.6 Выводы...........................................................................................................124

Заключение...............................................................................................................126

Список литературы..................................................................................................130

ГЛОССАРИЙ

Морской лед (Sea ice). Любая форма льда, встречающегося в море и образовавшегося в результате замерзания морской воды.

Припай (Fast ice). Морской лед, который образуется и остается неподвижным вдоль побережья, где он прикреплен к берегу, к ледяной стене, к ледяному барьеру, между отмелями или севшими на отмели айсбергами. Во время изменения уровня моря можно наблюдать вертикальные колебания. Неподвижный лед может образоваться естественным образом из соленой воды или в результате примерзания к берегу или припаю плавучего льда любой возрастной категории. Он может простираться на расстояние всего в несколько метров или на несколько сотен километров от берега. Неподвижный лед может быть более одного года по возрасту, и в этом случае он может быть определен соответствующей возрастной категорией (старый, двухлетний или многолетний). Если его толщина более 2 м над уровнем моря, он называется шельфовым льдом.

Дрейфующий лед/паковый лед (Drift ice/Pack ice). Термин, употребляемый в широком смысле и включающий любой вид морского льда, за исключением неподвижного, независимо от его формы и распределения. При высокой сплоченности, а именно 7 баллов и более, термин "дрейфующий лед" может быть заменен термином "паковый лед". (В прошлом термин паковый лед использовался для всех значений величины сплоченности.)

2. Возрастные характеристики льда

Однолетний лед (First-year ice) - Морской лед, просуществовавший не более одной зимы, резвившийся из молодого льда. Толщина его - от 30,0 см до 2,0 м. Может быть подразделен на тонкий однолетний лед (белый лед), однолетний лед средней толщины и толстый однолетний лед.

Многолетний лед (Multi-year ice) - Старый лед толщиной до 3,0 м и более, переживший таяние, существующий по крайней мере, в течение двух лет. Торосы еще более сглажены, чем у двухлетнего льда, и лед почти полностью, опреснен. Цвет его в местах, где он не заснежен, обычно голубой.

3. Встречающиеся типы плавучего льда (Occurrence of floating ice)

Сплоченность (Concentration) - Отношение площади поверхности покрытой льдом к общей площади морской поверхности, выраженное в десятых долях (10 - вся поверхность занята льдом, 0 - на поверхности не наблюдается льда).

Ледяное поле (Floe) - Любой относительно плоский кусок морского льда 20,0 м или более в поперечнике. Ледяные поля подразделяются по их горизонтальным размерам следующим образом:

Гигантские ледяные поля (Giant). Более 10,0 км в поперечнике.

Обширные ледяные поля (Vast). От 2,0 до 10,0 км в поперечнике.

Большие ледяные поля (Big). 500-2000 м в поперечнике.

Обломки ледяных полей (Medium). 100-500 м в поперечнике.

Крупнобитый лед (Small). 20-100 м в поперечнике.

Мелкобитый лед (Ice cake). Любой относительно плоский кусок морского льда менее 20,0 м в поперечнике.

АБРАЗИЯ. ТЕРМИНОЛОГИЯ.

1. Абразия берегов - разрушение морским волноприбоем берегов и прибрежных участков морского дна (ru.wikipedia.org).

2. Коррозия бетона - ухудшение характеристик и свойств бетона в результате вымывания или выщелачивания из него (ru.wikipedia.org)

-растворимых составных частей (коррозия первого вида);

-образований продуктов коррозии, не обладающих вяжущими свойствами (коррозия второго вида);

-накопления малорастворимых кристаллизующихся солей, увеличивающих объем его твердой фазы (коррозия третьего вида).

3. Эрозия бетона - это процесс истирания поверхности слоя бетона в результате абразивного воздействия потока воды, насыщенного мелкими частицами каменных материалов или от действия движущихся ледяных образований. Крупные фракции (валуны, булыжник или ледяные образования)

ускоряют процесс эрозии бетона, вызывая в результате ударных нагрузок местные повреждения в поверхности бетона (ru.wikipedia.org).

4. Ледовая абразия - воздействие дрейфующих ледяных образований на сооружение, вызывающее разрушение поверхности материала конструкции в опасной зоне истирания.

5. Истираемость - показывает стойкость материала к абразивному износу и оценивается потерей массы материала, отнесенной к единице его площади, или уменьшением толщины материала. Чем выше истираемость, тем менее износостоек материал.

РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ. ТЕРМИНОЛОГИЯ.

1. Затенение от действия ледовой нагрузки - это зона конструкции, где ледовая нагрузка незначительная, вследствие разрушения ледяного покрова опорами, стоящими ранее по направлению дрейфа льда.

2. Блок льда - одна или несколько льдин, взаимодействующих с сооружением.

3. Ширина зоны контакта - поперечный геометрический размер зоны контакта

4. Длина зоны контакта - длина периметра поверхности опоры в пределах ширины зоны контакта

5. Длина пути взаимодействия - линейный размер пути перемещения ледяного образование чере при взаимодействии с опорой.

6. Длина пути истирания - длина пути перемещения ледяного образования по поверхности опоры в пределах зоны контакта (или длина пути скольжения ледяного образования относительно опоры сооружения).

7. Единичная зона контакта - зона взаимодействия одного ледяного образования с опорой сооружения.

8. Глубина ледовой абразии - это изменение поверхности сооружения в результате абразионного воздействия льда. Измерение производится по нормали к касательной поверхности в точке на первоначальной поверхности сооружения.

9. Общая зона истирания конструкции - зона истирания корпуса конструкции от максимального уровня моря до минимального уровнея моря с учетом возвышения (для максимума) и заглубления (для минимума) максимальной толщины ледяного покрова от уровня моря.

10. Опасная зона истирания - тоже, что общая зона истирания.

11. Зона контакта - часть поверхности сооружения имеющая непосредственный контакт с ледяным образованием.

12. Относительная скорость истирания (взаимодействия) - это скорость скольжения ледяного образования вдоль точки на поверхности сооружения.

13. Интенсивность ледовой абразии - это изменение глубина ледовой абразии за единицу длины пути взаимодействия (мм/км).

14 Скорость ледовой абразии - это изменение глубина ледовой абразии за единицу времени

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

к - номер расчетной ситуации i - номер шага расчета

dt - шаг по времени

ts - время сезона

tk- время расчетной ситуации

Р - вероятность столкновения ледяных образований с сооружением tc=P -tk - время расчетной ситуации с учетом вероятности столкновения d - диаметр сооружения щ- коэффициент формы опоры п - количество опор

т - количество расчетных точек на опоре, определяющих систему отсчета

(Ph - угол привязки расчетной точки к системе отсчета

hz - привязка расчетной точки по высоте к отсчетной системе

rumb - расчетное направление дрейфа льда

Vk - скорость дрейфа льда

V9 - относительная скорость истирания (взаимодействия)

Dk - диаметр ледяного образования

hk - толщина ледяного образования

Nk - сплоченность льда

Тк - температура льда

Z*; - уровень моря

Rk - прочность льда на одноосное сжатие

Pice - плотность льда

pw - плотность воды

Vice - угол внутреннего трения льда

Е - модуль упругости ледяного покрова

V - коэффициент Пуассона льда

С - коэффициент сцепления льда

L0 - начальное расстояние между ледяными образованиями

- расстояние между приближающимся ледяным образованием и крайним ледяным образованием в блоке льда на ьом шаге расчета.

А — площадь ледяного образования на ¡-ом шаге расчета

М~ масса ледяного образования на 1-ом шаге расчета

к] - толщина ледяного покрова с учетом скола

аа - расстояние между сооружением и блоком льда

ЕЪр - ледовая нагрузка при внедрении опоры в ледяное образование

Еср - ледовая нагрузка при остановки ледяного образования

Ер - ледовая нагрузка на многоопорное сооружение

ЕЪи - ледовая нагрузка при потере устойчивости ледяного покрова

- сила трения от течения на контакте «лед-вода»

Ер - сила обжатия опоры сооружения ледяными образованиями (битый лед)

<7р - контактное напряжение в ледяной плите (битый лед)

сгу - расчетное контактное напряжение.

с1Ьг - ширина зоны контакта

¿4 - длина зоны контакта

X - длина пути взаимодействия

4 а- длина пути истирания

ка - поправочный скоростной коэффициент абразии

д=/(а,Т) - интенсивность ледовой абразии

А=д-1к - глубина ледовой абразии

ВВЕДЕНИЕ

Одним из приоритетов мировой тенденции расширения границ освоения запасов углеводородов является освоение шельфовых месторождений замерзающих морей. Более 85% общих ресурсов нефти и газа российского шельфа сосредоточено в арктических морях. Поэтому проблема оценки ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа является актуальной. Ее разработкой в настоящее время заняты многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране.

Существуют различные нормативные документы, в которых определяется расчетное (экспериментальное) значение ледовой нагрузки. Однако практический опыт эксплуатации показывает, что есть вероятность потери несущей способности конструкции (элемента конструкции) в результате повреждений в опасных сечениях от сравнительно умеренных воздействий большой повторяемости.

В результате динамических воздействий поверхность сооружения, контактирующая со льдом, постоянно подвергается ледовой абразии, что многократно ускоряет коррозию и разрушение материала конструкции. Величина ледовой абразии зависит от большого количества факторов, основными из которых являются контактное давление, длина пути истирании и сопротивление материала ледовой абразии.

Большинство исследований в области ледовой абразии сосредоточено на изучении самого процесса разрушения материала конструкции, но в них не рассматривается интенсивность воздействия льда на поверхность конструкции.

Результаты долгосрочных исследований ледяного покрова и его воздействий позволяют сделать вывод, что проблема абразии морских ледостой-ких платформ (МЛП) может быть разделена на две части. С одной стороны, глубина абразии определяется интенсивностью и продолжительностью ледо-

вого воздействия, а с другой стороны, она обусловлена способностью материала конструкции сопротивляться истирающим воздействиям.

Целью работы является разработка методики расчета глубины ледовой абразии сооружений континентального шельфа в зоне переменного уровня.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выполнен аналитический обзор факторов, влияющих на процесс ледовой абразии; уточнена общая имитационная модель воздействия дрейфующего ледяного покрова; разработана математическая модель абразионного воздействия различных типов ледяных образований на сооружение; выполнена верификация математической модели на основе экспериментальных (натурных) данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются следующие методы: математическое моделирование; теория вероятностей и математическая статистика; физическое моделирование.

Новизна работы заключается в разработке модели взаимодействия сооружения с различными типами ледяных образований с учетом планово-высотного и временного распределения ледяного воздействия в зоне истирания, а также в уточнении общей имитационной модели воздействия дрейфующего ледяного покрова в части определения мгновенной прочности льда.

Практическое значение работы: разработанная верифицированная методика может быть применена для расчета глубины ледовой абразии морских инженерных сооружений; результаты работ использованы в отчете «Ice abrasion test», выполненном НПО Гидротекс по контракту с Aker Engineering & Technology; разработанная методика и компьютерная программа расчета применены при проектировании и строительстве нефтедобывающей платформы для месторождения Аркутун-Даги по проекту «Сахалин 1».

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общепринятыми апробированными исходными положениями; верификацией теоретической модели по данным натурных наблюдений.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на 20-ой международной конференции Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC) - Luleâ, Sweden, 9-12 июня 2009; 20-ой международной конференции International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE) -Beijing, China, 20-26 июня 2010; 9-ой международной конференции Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS) - Busan, Korea, 14-17 ноября 2010; 21-ой международной конференции ISOPE - Maui, Hawaii, USA, 1924 июня, 2011; научных семинарах кафедры гидротехники ДВГТУ (ДВФУ) (2008-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из глоссария, списка обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы; содержит 138 страниц текста, 109 рисунков и графиков, 11 таблиц, 143 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель, задачи и новизна полученных результатов, их эффективность и возможные области использования.

В первой главе приведен общий анализ работ, посвященных полевым, экспериментальным и теоретическим исследованиям в