Резонансный метод разрушения ледяного покрова тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ
|
Козин, Виктор Михайлович
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Владивосток
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1993
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ш^^йум дажшйссточного ш^мений ран "житуг шшсведаш и жталлурш - ^сшорш ш^ешооти трашпоргных сре^ш
нОЬИН Виктор Михайлович УдК 539.3
РЕЬОНАНСНд1Й МЕТОЦ раьрушейй. ладного ПОКРОВА 01.Ой.04 - меганика деформируемого твердого тела
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Ьладипостск - 1^3
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
' Экспериментальные исследования.
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.
Теоретические исследования.
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;
W" - прогиб льда; {f - ускорение силы тяжести; ;
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
ггШ- +
(2)
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:
(3)
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 :
+ &Г+А Ш, -' ■ (4)
• рг/х^вщ ,
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.
Параметры изготовленных моделей СВП
Водоиэ- Длина, Ширина, Площадь Интенсив- Суммар-
мешенйе, м м основа^ кость пая
кг ния, м давления мощ-
кПа ность
КВТ
2,1+6,1 0,23 0,19 0,044 0,47-1,36 0,044
3,5 71-96
250 400 460
0,36 0,35 0,130 0,26
0,50 0,50 0,25 0,79-3,77
3,20 2,60 8,30 0,30 14,7
5'10 1,60 7,25 °'54
5,10 1,60
7,25
0,610 44,1
Примечание
Буксируемая платформа (модель I)
модель СВП (модель 2)
буксируемая платформа (модель 3)
аппарат с динамическим поддержанием (модель 4)
модель СВП с программным управлением (модель 5)
модель СВП с ручным управлением (модель 5)
340 3,67 2,10 5,7 0,50 37,0 модель СВП
КиЛПИ-1
25 1,20 0,6 0,60 4,1 0,40
31 1,6 0,75 1,10 2,6 0,40
Параметры использованных СВП
Водоиз- Длина, Ширина, Площадь Давле- Суммар- Примеча-
мещение, м м ВП, м ние в ная мощ- ние
т подушке кПа ность квт
2,1 7,4 3,^6 23,1 0,89 117,6 СВП- "Тай-
фун-01"
1,8 6,9 3,2 22Д 0,60 95,0 СВП "Ге-
пард"
20,5 17,0 7,4 112 1,78 1750 ДШК "Скат"
120 30 13 350 3,33 15000 ДКВП '"Мурена
Лабораторные опыты проводились в ледовом бассейне Нижегородского политехнического института, опытовом бассейне и аэродинамической трубе переменной плотности (АТПЛ) Комссмольского-на-Амуре политехнического института. Параметры бассейнов приведены в таблице 3.
Параметры бассейнов
Таблица 3.
Тип бас- Длина, Ширина, Глубина, Максим, сейна, м диаметр, м скорость трубы м буксиров-
ки, продувки , м/с
Тип бук- Дополни-
сировоч- тельное
ной сис- оборупо-
теми ванне
Ледовый НГПИ
Опытовый КнАПИ
Опытовый КнАПИ
АТПП
15 1,5
45
16
4,2
0,7
3,5 1,5
1,0 \
3,0 0,5
40
Динамо-метричес-кап,гравитационная
Динамометрическая
второе дно
течзо-весы
В техническое обеспечение вхопили такке норч'оний букеяр я малый артиллерийский корабль - пял обеспечения воом&чзгоетц пос-прокзвопстра ледового поля; вертолет - плй получение пространст--венной картины разрушения льна.
'Контрольно-измерительная аппаратура и технологическое оборудование.
Проведение экспериментов по возбуждению ИРВ в условиях разрушавшегося ледяного покрова потребовало изготовления специальных датчиков и технологической оснастки, приспособления иъ;пускае;,:ътх приборов для работы на льду в нетрадиционном применении. Все оборудование было сгруппировано в специальные измерительные комплексы, которые были разделены на сле.пушке группы:
а) аппаратура к оснастка пля проведения лабораторного эксперимента на модели сплошного ледяного поля;
б) контрольно-измерительные приборы пля проведения испытаний в натурных условиях;
в) измерительная аппаратура для постановки опытов с искусственным битым льдом в опытовом бассейне;
г) технологическая оснастка пля определения параметров ледовой обстановки и физико-механических свойств льда.
В табл. 4-6 приведена краткая информация об использованном и изготовленном оборудовании.
Таблица 4.
Аппаратура и оснастка для проведения лабораторного эксперимента
Наименование
Тип или марка
Назначение
1. Эхотахокардиограф "РИТМ"
2. Интегрирующий усилитель
3. Прибор быстродействующий самопишущий
ЭТК-03 Измерение скорости из-
менения пе^Ьормаций модельного льда
00 026 Интегрирование электри-
ческого сигнала от ЭТК-03
Н 3031 Регистрация колебаний
льда
1В
Пролоялгенио табл. 4»
Наименование
Тип или марка
назначение
4.
Частотомер посчеишй
5лектрон-
5. 3 л 6 к тр о ,ш! ! ïcmu4 сский эталонны"! стол
6. Двухчооршшптные самописцы
7. "олель сплошного льда
8. Нолель битого льда
9. Буксировочная система типа Фруяа
1С. Гравитационная буксировочная система
43-34Д
IT032
пластикат
полиэтилен
высокого
давления
Измерение скорости булс'нровки модели
Тарировка Э'ПС-03
- Запись профиля ИГВ
'Ъпелиро! шие ИГЗ в сп.;~шном льду
Мзде шире ¡ание волн в битом льду
иэготсвле- Буксировка модели с на постоянной скорости
Буксисовка модели с постоянным ус/днем
Таблица 5.
Контрольно-измерительные приооры для натурных испытаний
Наименование
Характеристика, тип
Назначение
I. Динамометр Лот
3. Дедомерная рейка
4. Кино-фотс-видео~ аппаратура
о. Напоромер
6, Термометр метеорологически;'.
7. С ? и смич еский лат^чк
i . Доли;.еровскиЧ измори'. е."ь скорости
ДПУ 0,5-2,0 изготовлен
ШП-52, ДН'Кр-ХОО
ТМЗ-З
СВ-5' переоборудован)
изготовлен
Определение тяги воздушных, винтов
Замеры глубины акватории
Замеры толшкны льда, снега,высоты торосов
Визуальная регистрация параметров битого льда и золн
Определение давления в ВП СВП
Определение температуры воздуха
Запись параметров ИГВ
Измерение скорости СВП
Таблица 6. Технологическая оснастка
Наименование
Характеристика, тип
Назначение
1. Рычажное устройство
2. Релаксометр
3. Пресс с усилием 10кН
изготовлено изготовлен
Определение предела прочности льда
Определение времени релаксации льда
Определение предела прочности льда в зависимости от скорости нэгрукения
Методики проведения экспериментов.
Способ физического моделирования ИГВ в ледяном покрове в лабораторных условиях был предложен автором в 1952г. Его сущность заключается в использовании в качестве молельного материала упругих пленок. Принципиальная возможность такого подхода подтверждена соответствующими наблюдениями за поведением льда в натурных условиях и экспериментами.
На основе положений теорий подобия получены следующие формулы пересчета моделируемых параметров:
£н _ _ _ Л* „ . __ 21 __ р_ а3 (5)
Ем Нм ~ ¿„ V» Тм 'р ' Р„ р '
где Е - модуль упругости льда; И - глубина волы;
Л- - длина ИГВ; А - линейный размер; Т - характерный промежуток времени; „н" < п" - индексы, относящиеся к натурному у, модельному параметрам; уЗ - модуль геометрического подобия.
Следует отметить особенность предлагаемой методики. Если в опытовах бассейнах модуль геометрического подобия выбирается в »а»тл*9сти от разчерог самого бассейгга, го н предлагаемой - ли-, иейчн'' масштаб определяется модулем упругости »/атерипта, зьг'ран-чзго и л я моделирования ледино" пластины. После чего опечнпяатся
2С
соразмерность полученного масштаба с размерами бассейна. Заметим также, что полученные соотношения справедливы лишь при моделировании упругого поведения ледяного покрова.
В ледовом бассейне размерами * & * Н ~ /5 х * О/? н опыты проводились с целью исследования влияния ледовых условий, в частности,глубины воды,ограничения форватера по ширине на закономерности формирования и распространения ИГВ. Для получения поля льда использовались естественные низкие температуры, т.е. эксперименты проводились на тонком льду натурального состава с естественными физико-механическими свойствами.
ИГВ в бассейне возбуждались путем перемещения по льду распределенной нагрузки. Для этого использовались динамометрическая буксировочная система бассейна, обеспечивающая необходимую скорость буксировки. Использование подвесного дна позволяло получить необходимое мелководье.-
Натурные и крупномасштабные модельные эксперименты проводились и период 1980-1992г. При проведении испытаний целью ставилось:
- получение экспериментальной зависимости толщины разрушаемого льда от параметров нагрузки и ледовых условий;
- исследование закономерностей разрушения ледяного покрова в условиях изгпбно-гравитациснного резонанса;
- исследование ледоразрушаюдей способности нагрузки при нестационарных режимах движения;
- изучение интерференционных процессов при групповом движении нагрузок;
- исследование влияния локальных разрушений и наличия свободной кромки на эффективность РМРЛП.
Опыты начинались с равномерного и прямолинейного, движения. В качестве нагрузки использовались модели СВП и натурные десантные корабли на воздушной подушке (КВП). Эксперименты начинались на тонком льду с последующим ростом толщины ледяного покрова до предельной, т.е. до такой толщины, когда судно в указанном режиме и при движении с резонансной скоростью переставало разрушать лед. После чего исследовались нестационарные процессы. При этом СВП двигалось с ускорением, торможением, разворотом, по криволинейной траектории, с пульсацией давления в воздушной подушке с определенной частотой и резкой посадкой на пнище. По мере достижения предельной толщины льда для данных режимов эксперименты повторялись
при групповой работе супов. Установив предельную толщину льпа при парном движении (фронтом и в кильватер), исследовалось влияние локальных разрушений во льду на ¡эффективность резонансного метода. Для этого под лед закладывались и затем подрывались фугасные заряды. Количество зарядов и проходов СВП определяло характер разрушений.
Выполнение ледокольных работ на разных глубинах и в непосредственной близости от берега позволило оценить влияние переменности глубины и отраженных от береговой черты волн на ледокольные качества СВП.
В опытах с крупномасштабными моделями СВП проводилось предварительное приготовление тонкого ледяного покрова. В сплошном льду толщиной 8-10см (такая толщина безопасна для нахождения людей) при помощи моторной лодки, портового буксира и малого артиллерийского корабля приготовлялась и очищалась от битого льда майна размерами 50x30м. После намерзания нового тонкого льда в образовавшемся естественном ледовом "бассейне" осуществлялись проходы моделей.
Исследование волнообразования в битом льду проводилось с целью определения общих энергетических затрат для возбуждения волн движущейся нагрузкой.
Моделирование волн во льду, разрушенном резонансным методом, дает возможность исключит*! из рассмотрения, составляющую энергозатрат, связанную с разрушением льда. В соответствии с этим отпадает необходимость считаться с пределом прочности и модулем упругости льда. Данное обстоятельство позволяет проводить модельные испытания в обычном (не ледовом) бассейне с применением материала, имитирующего лед, который удовлетворяет только таким требованиям теории подобия, как плотность и коэффициент трения. В качестве такого материала был использован полиэтилен высокого давления плотностью О^т/м0 и коэффициентом трения по полиэтилену 0,2, что очень близко к натурному льду. Результаты натурных наблюдений показывают, что соотношения протяженности и толщины обломков льдин при РМРЛП лежат в пределах 5-8. В соответствии с этим и выбранным масштабом размеры плиток льда составляли 10x10x2см. Форма плиток из соображений простоты укладки ледового поля и непринципиального влияния на интенсивность ИГВ была выбрана квадратной. В качестве движущейся по льду нагрузки использовалась модель СВП. Пересчет моделируемых параметров на натуру производился по закону подобия ©руда.
Энергозатраты на возбуждение волн в битом льду определялись через сопротивление буксируемой модели СВП. Для этого общее сопротивление разделялось на составляющие.
Полное сопротивление СВП состоит из аэродинамического Ха.11 гидродинамического Х3 в битом льду. Из компонентов аэродинами-ч^екрго сопротивления импульсная составляющая Xи определялась расчетным путем, а воздушное сопротивление - моделировани-
ем в аэродинамической трубе переменной плотности. Оставшаяся часть аэродинамического сопротивления за счет реакций струй Хр определялась в рамках исправленного гидродинамического сопротивления
Хг +хр
Волновая составляющая гидродинамического сопротивления рассчитывалась теоретически для модели и натурного супна. Оставшееся гидродинамическое сопротивление объединялось в единую группу остаточного сопротивления модели Хосг " ~ , которую и пересчитывали на натуру по кубу масштабного коэффициента.
Критерии оценки ледоразрушаюшей
способности ИГВ.
В существующих расчетных методах для определения разрушающих значений движущихся нагрузок используется уровень напряжений. При этом ледяной покров считается разрушенным, если напряжения превы-иаит соответствующие данному виду нагрукения пределы прочности льда. Такой подход дает удовлетворительные результаты до образования в ледяном покрове трещин, т.е. в случаях, когда для безопасного использования ледяного понрова в технических целях необходим некоторый запас несущей способности льда, а его разрушение рассматривается как нежелательное явление.
В рамках поставленной задачи такой подход неприемлем. Возникновение в сплошном ледяном покрове предельных напряжений, т.е. появление во льду сквозных трещин и даже их частичное рас!фытие не приводят к полной утрате его несущей способности. В натурных опытах установлено, что нагрузка, гарантирующая пролом льда, может в несколько раз превышать нагрузку, вызывающую появление трещин.
Причиной сохранения несушей способности ледяного покрова, разделенного трещинами на отдельные куски в области возникновения ИГВ наибольшей амплитуды,являются контактные напряжения на берегах трещин. Несмотря на нарушение сплошности ледяной пластины, кинематическая и силовая связь области растрескивания с кромками сплошного ледяного поля не позволяет распасться растрескавшемуся льду на отдельные куски. Несущая способность ледяного покрова будет полностью исчерпана, когда произойдет разрушение образовавшейся блочной конструкции и она не сможет нести нагрузку, превышающую силу плавучести её обломков.
Процесс нагружения ледяного покрова ИГВ приводит к трешинооб-разованиа с частичным "самоэалечивачием" трещин. При раскрытии трещин происходит смятие и скол острых кромок, а часть энергии ИГЕ затрачивается на преодоление сил трения при взаимном смещении и поворачивании обломков. Колебания ледяного покрова сопровождаются диссипацией энергии в воде, ледяной пластине и снежном покрове. Энергия ИГВ raime рассеивается в присоединенных массах воды, при частичном отражении и преломлении волн в трещинах, в вине акустического излучения, вследствие дифракции, интерференции и т.д. Теоретическая оценка этих энергетических затрат практически невозможна.. Из-за сложной геометрии разлома, густоты сетки нераскрытых трещин затруднительно определить энергию даже на образование во льду свободных поверхностей. Относительно строгому теоретическому анализу поддается лишь определение условия для их спонтанного роста (критерий Гриффитса).
Поэтому для оценки яедоразругаашей способности ИГВ была использована такая интегральная характеристика, как энергия изгибно-гравитационных колебаний ледяного покрова. На основании закона сохранения энергии сделано заключение, что все перечисленные выше энергозатраты на разрушение льда равны полной анергии ИГВ, генерируемых движущейся нагрузкой. Полная энергия ИГВ представлена состоящей из потенциальной энергии изгиба ледяной пластины, энергий изгибной волны и гравитационной волны в воде. Как показывают расчеты, две последних составляющих в общем балансе энергии в области деформаций сплошного ледяного поля пренебрежимо малы по сравнению с первой. Поэтому оценка полной энергии ИГВ произведена по потенциальной энергии изгиба ледяной пластины.
Критерием пля разрушения льна ИГВ принята предельная плотность потенциальной энергии изгиба 1С , достижение которой приводит к началу непрерывного разрушения льда за нагрузкой. Величина определена по теоретическим полям напряжений, рассчитанный для экспериментально полученных минимальных значений нагрузок, разрушающих ледяной покров при ИГР.
Для пластины бесконечных раз\теров потенциальная энергия изпг-ба определяется вырадемием (С.П.Тпг.гагсенко, 1963г.)
'-О Г'' -СО —№»
Нормальные некасательные напряжения 6"х , г Т'х:, нахо-
дятся из решений уравнений (1-4).
Разрушение льда ИГВ от движущихся нахрузик носит локальный характер и происх~~ит в непосредственной близости от места воздействия, т.е. в области максимальных деформаций. В связи с этил, рассмотрена потенциальная энергия, приходящаяся на единицу длины фронта волны и на длину волны максимальных напряжений Я'<г . Тогда плотность потенциальной энергии изгиба ледяной пластины определится выражением
о
С учетом масттабногэ эффекта, являющегося причиной пониженной прочности более толстого льда, выражение (7) перепишется в виде
. /Г
где М-Лг= З^/б^ ' предел прочности льда на изгиб тол-
щиной /и ; - предел прочности льда на изгиб толщиной 80см (при таких толщинах
проявление масштабного эффекта несущественно [Бутягин И.П., 1966г. ] ).
Результаты расчетов И при ИГР для экспериментально
полученных значений разрушающих нагрузок показали относительно стабильные значения плотности анергии (см.табл.7). Устойчивость результатов позволила в качестве гфитерия лепоразрушаюшей способности ИГВ, возбуждаемых сосредоточенными нагрузками, принять теоретическую плотность потенциальной энергии изгиба ледяной пластины. По результатам проделанных опытов срепнее значение предельной плотности составило в 650 пж/м3. Таким образом, если тео-
ретическая плотность потенциальной энергии изгиба ледяного покрова ИГВ оказывается равной или больше найденного значения, то за нагрузкой, возбуждающей такие волны, будет происходить непрерывное разрушение ледяного покрова.
Таблица 7.
Результаты расчетов теоретической плотности потенциальной энергии изгиба 21
№ пп Нагрузка А, см Масса, П. дж/м^
I. 0,42 2,85 701
2. 0,27 1,20 570
3. Модель I 0,34 2,10 . 764
4. 0,44 2,35 566
5. 0,56 4,80 ' 775
6. Модель 3 3,0 0,07 609
7. Модель 4 2,4 . 0,25 532
е. Модель 5 2,8 0,40 680
9. Модель 6 6,0 2,1 686
10. ДКВП "Скат" 26,0 20,5 708
II. СВП-КкАПИ-1 2,5 0,34 724
12. СВПТепард" 7,5 1,80 582
13. СВП "Вояжер" 38 40,8 561
14. ДКВП "Мурена" 60 120 673
Среднее значение и* ,
дж/м3 650
СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Значение скорости нагрузки V при РМШ имеет решающее значение. Только при 1Г = Цр возникает ИГР, приводящий к раскачиванию ледяного покрова до наибольших амплитуд за короткий промежуток времени и разрушению льда с наименьшими энергозатратами.
Опыты по.определению резонансной скорости показали справедливость теоретических решений. В проведенных экспериментах резонансная скорость определялась по такому признаку ИГР, как значительное возрастание амплитуды изгибннх колебаний. Этот признак наиболее полно отражает наступление резонанса и при анализе был взят в качестве основного. Однако для его использования необходима установка на лед соответствующей измерительной аппаратуры, что не всегда возможно и безопасно. В условиях полного разрушения льда от про-ходоз нагрузки приходилось ограничиваться визуальными•наблюдениями за процессом возникновения и развития ИГ8. Б качестве приблизительной оценки Цр в таких случаях использовались такие признаки ИГР, как появление во льду характерных длинных, имеющих плавное закругление трещин. Если снежнчй покров не позволял провопить такие наблюдения, то приближение скорости судна к 1Гр оценивалось по росту ходового дифферента на корму. При испытаниях моделей в ледовом бассейне и на льду водохранилищ замерялись скорости, приводящие к пролому льда под движущейся на1рузко£ либо к началу непрерывного разрушения льда на больной ширине.
Если при РМЛП возникает потребность в повторных проходах судна по льду с целью измельчения обломков и уменьшения его сплоченности (для создания судоходного канала), то скорость СВП должна быть иной, чем при первом проходе. Как показали испытания, битый-лед незначительно сказывается на таких параметрах возбуждаемых волн, как длина и скорость их распространения. Поэтому для генерации волн в битом льду с наибольшей амплитудой судно должно квитаться со скоростью, соответствующей максимальному горбу сопротивления на чистой воде, т.е. с критической скоростью
Значительно сложнее стоит задача определения скорости при повтирч'1< проходах по льну, ослабленному трещинами. Частичное нарушение сплошности льда изменяет его осредненные упругие характеристики. На его поведении сказывается густота сетки трещин, их
характер и степень раскрытия. Способность переохлажденного ледяного покрова "заживлять" свои трещины по истечении определенного времени, а в определенных условиях,мгновенно восстанавливать свою сплошность, также осложняет проблему как экспериментального, так и теоретического предварительного выбора наиболее эффективной скорости. Однако можно указать диапазон изменения этой скорости. Очевидно, что он ограничивается значениями (Г/э для сплошного и
для битого льда. Точное определение скорости СВП должно осуществляться в процессе выполнения ледокольных работ по косвенным признакам ИГР в каждом конкретном случае отдельно. На рис. 2 приведена диаграмма для определения скорости нагрузки (СВП) при РМРЛП.
Экспериментальная зависимость толщины разрушаемого льда от параметров движущейся нагрузки получена в результате экспериментов по разрушению льда резонансным методом моделями СВП, полунатурными катерами на воздушной полушке и натурными КВП. Результаты этих опытов представлены з табл. 9. Данные получены для пресноводного (речного и озерного) льда, а также для пресного льда, намороженного естественным путем в ледовом бассейне. Имеющаяся информация была использована для проверки расчетных зависимостей, явилась основой для разработки инструкции по использованию КВП в качестве ледоразрушающего средства и способов повышения эффективности резонансного метода разрушения льда.
Выполненные экспериментальные исследования, а также обработка известных данных позволили установить, что к числу параметров СВП, определяющих толщину разрушаемого льда при резонансном методе ломки,относятся: водоизмещение СВП, давление в воздушной подушке, удлинение судна, скорость его движения, физико-механические характеристики льда, глубина акватории, наличие в ледяном покрове локальных разрушений, заснененность и заторошенность льда, наличие ледового сжатия, течения и др. Если учесть относительную стабильность свойств льдц в зимний период, постоянство среднего давления в подушке для каждого класса СВП, незначительное влияние формы в плане СВП на напряженно-деформированное состояние сплошной ледяной пластины и пренебречь неоднородностью ледяного покрова в естественных условиях, то определяющей характеристикой СВП, от которой в основном зависит толщина разрушаемого льда, является водоизмещение .
со
Рис. 2. Диаграмма для определения скорости нагрузки (СВП):
г--- ) _ для сплошного льда; (---) - для
битого льда или чистой воды.
Результаты экспериментальных исследований леисразрулакхаих свойств мозольных о и натурных СБП
Таблиия 3.
Дата и место ! Тип 1 сушга Водоизмещение Характеристика ледовой обстановки Скорость к- ! Вид 1 дзи- Характер и при~!ш ем разрушения ¡Йй 'полосы ! льдг.,м !
испытания " (модели) ! ! ! °с , ' СМ1 ! 1 , ,,Глуби-• см 'на во! ! ЕЫ , , , м • жения ! ; !
I ! 2 3 4 ! 5 Г" иэ 8 1.....9 10 ? 1-1
I.Январь 1982г., ледовый Лассейм
Модель I
10 х х 6,10 3,10 1,20 6,40
х 2,65 2,10 2,35 4,ео
-10,2 - 7,8
0,55 0,38 0,27 0,52
0,04 0,63
Лбд расттюскп-Одикоч- вался вблизи и ное, под моделью, вавке- затем мовель мерное проваливалась под лед
-11,0 -II ,0 -10,8 -10,5
0,42 0,34 0,44 0,Ь6
0,70
1159 1,74
Вначале лед разрушался позади' модели по всей шпонке бассейна,затем мопель проваливалась" поп лед
0,4
1,5
Ч.Л'иарь 1052г., ледовый бассейн
Модель 2
Ю"3х
х 3,5 -12,0 0,34
0,05 0,66
Лед непрерывно разрушался под моделью
Пгюаояяенис таблицы 9.
I
3.Ноябрь 1980, Горьковс-кое водохранилище
4.Ноябрь I960, Горьковс-кое водо-хранилищэ
10
Moпель 3 0,071 -3,0 2,6 0 0,096 -3,5 3,0
3,5 4,5
5,0
4,0
Леи растрескивался и мополь поовадязияась пол леи
II С. б
0,071 -3,0 3,0 О
3,5
1,0
Растрескивание
статического
характера
Мопель 4 0,25
-4,0 2,4 О
0,8
2,7
Раскр-:ть;а тас— шины
-4,5 2,4
6,7 10,0
Трешннообраос-ванне
5. Ноябрь
1960, Декабрь
1961, Горьковс-кое водохранилище
Мопель 5 0,40
-1,0 2,8 1,0 6,0
4,0
Образ оз aï к г, полоса б;;';ого ль ца
3,0
6,0
Образованна раскршг.гх толщин
5,0
Мессшв пг-о-лода льда""
-2,5 4,4 О
4,0
4,5
Растрескивание
Разгон 0 ö о а з о i; a ra i е разно- МейПы
8x3
РОТ 15 TOpííO-
кение
лз I 2 о и 4 5 6 7 8 9 10 - II
0,45 -3,5 2,3 1,5 4,0 3,3 Образование полосы битого льда 5
5.Ноябрь 1980,1981 Горьковс-кое водохранилище
СВП
"Тай%н-01"
2,1
-2,0 6,0 2,0 7,0 5,0
После трех прохо- 10 пов модели во льду образовался канал
-2,0 3,2 0 7,0 4,0 Образование поло- 6 сы битого льда
-5,0 10,5 3,0 6,5 5,0 Тпешиньг от ИГЗ
-3,5 13,0 3,0 6,5 7,0 II Разрушения не наблюдалось
7. 05.12.84 ДКВП про- 20,50 г).А'«тп ект 1205
"Скат"
-12 25-27 3 1-6 15-30 Одиноч- Лед разрушался при
ное разворотах судна, при движении по ярко выраженному мелководью, при периодическом"изменении давления в подушке
зо.и.ег^
р.Амур
-18 48
5,0 15-30
Разрушение льда не происходило
20.1?.. К р.А-ур
-26
70 10
3,5
20
Разрушение льда происходило при движении по кромке майны разменами I000x24м.Сделано три подхода
200
А 2 3 4 5 6 7 8 9 . 10 II
10. 0?. 1x6 P.ÀMVT1 ,11. Moнель СВП-КнАГШ- X 0,34 -3 2,5 0 4,0 10 Леи разрушался за один проход 8
ii. п. р. Амур ,11. ДКВП Проект 1205 "Ска-" 20,50 -7 16-17 2 4,0 18 Лед разрушался за один проход.Сделано десть проходов 200
ï'j 03 i9pô с. Амур ,11. CBII "Гепард" 1,8 ^ Û 7,5- 8,0 0 3,0 12-15 Лед разрушался за один проход. Сделано два прохода 60
13. 10. i9ç6 р.Амур ,11. — -3 4-5 4-5 3,5 14-16 Лез разрушался за один проход. Сделано два прохода 50
'14. 22. 198 о р.Anvp ,11. ДКВП проект 1205 "Скат" 2x21,5 -14 30 3 4,0 20-22 парное Лед разрушался за ($рон- один проход. Одетом) дано три прохода даумя СВП,счаленными бортами 50
16. 23. 1986 р.Амур II. »» 2x21,5 -12 * ■ 37 3 4,0 20-22 После одного прохода образовались сквозные трещины. Повторные проходы увеличивали кол-во трешин. Полного разрушения льда после двух проходов не произошло.
со со
I
2
3 4 5 6
16. 09.11 СВП
0,34 -3 4,0-4,4 0
1987г. КнАПИ-I p.Амур
17. 12.II. СВГ! 2x0,34 -II 6,2 0 Ï987r. КнАПИ-I, n.A"vp СВП
КнАПИ-2
18. 12.11. СВП 0,34 -II 6,2 0
1987г. КнАПИ-2 p. A»«yp
19. 25.11 ДКАВП ~ ■ 20,5 -18* 20-31 ~ 5-
8. 9 10 II
22 одиноч- Лед разрушался за 5-6 ное о пин проход при равномерном прямолинейном движении
33 группе- Интенсивное рас-. вое трескивание льда
14 одиноч- Разрушалась сво-ное бодная кромка
льда полосой 3-4м, После второго прохода разрушение происходило на ширине 2-Зм. После семи проходов размеры майны возросли до 30x50 м.
5 20-22 ' -"- Равномерное и пря- 50 молинейное движение приводило к растрескиванию льда, непрерывного разрушения не ппоисходило, После трех ппоходов по участку 50x150м с разворотами по радиусу" 50м, разгонами к тормояекиями лед полностью разрушался.
I 2 3 4 5
20. 23.12. дал 120 -18 78~
1587г. проект р.Амур 12061
"Мурена"
21. 21.01. ' " -21 100- 20 1988г. НО
р.Амур
22. 10.04. " 8 5.0-70 О 1991г.
р.Амур
23. 12.оП ™ ~ -14 42-43 50-1991г. 60
р.Амур
ы
ш
10 II
15-20 Равномерное и пря- 80
молинейное движе-'ние приводило к растрескиванию льда. Три прохода в нестационарном режиме увеличили степень разрушенности льда, но полного оазруше-ния не происходило. Проходы вдоль майны ЗО-ВДм привели к разрушению льда на площади 80x150м
22 " 5 проходов по льду, 10 ослабленному пятью майнами диаметром 3-5м на расстоянии друг от друга Юм, разрушались перемычки между майнами н кромки льда вблизи майны.
25 -"- Непрерывное пазру-шение льда за один проход
20-25 Растрескивание аьаа% -
местами 'выступала вода, полного разрушения не происходило, скорость течения бкм/ч
ы
Ol
3 4 5 6
?4. 06.04. " 6 70-75 0
1992г. залив р.Амур
?5. 10.04. ггаоект 20,5 8 50-70 0 1991г. Ife05 р. Амуп "Скат"
7 8 9 10 II
5,0 16-20 ■ Лея разрушался
за один проход при равномерном и прямолинейном движении.
6,0 23 -"- Разрушение нача- 50
лось при выходе с чистой воды на леи в точение 3-5 сек, затем происходило только растрескивание льда
Зависимость ¿У (к, рм) , охватывающая весь диапазон
интересующих значений Л- пля различных ледовых условий, определялась с помощью предложенного йыие критерия оценки ледоразрушающей способности ИГВ. Принимая во внимание значение предельной плотности потенциальной энергии изгиба ледяной пластины ( 650дж/м^) и.выполняя численные расчеты для интересующих нас случаев, была получена зависимость разрушающей нагрузки (массы транспортного средства) различной интенсивности от толщины пресноводного льда. Результаты расчетов для пресноводного льда при резонансной скорости и глубине воды N - 5м представлены на рис. 3.
Дт,
250
200
150
№
50
0 0,1 О U, 0,6 OS ip hM
I'urv'i. Lar.ис.кмгсть разрушающе;'' нагрузки D от толщины
ледячого по^ппв /? и интенсивности нагрузки р^
Лепсразруиа'ощоя способность авитущеЗся нагрузки зависит от засношенности ледяного покрова, глубины золы, тияико-механических свойстн льда, наличия попоенного течения, внутренних напряжений в ледяной «лаотяне, г>вгер1"гш"г,ети и С учетом -тих основных параметре.!-. ледовой обстановки разрутачтая нагрузка Ъ* будет определяться пашссимоетдо:
где коэффициенты учитывают: - наличие на льпу снежного
покрова с заданными характеристиками; - глубину воды;
К.£ - изменение модуля упругости льда; - изменение
коэффициента Пуассона; - плотность льда; - под-
ледное течение; £р.с - напряжения растяжения-сжатия; Лт -параметры торосов. Корректирующие коэффициенты >... 4.г определялись экспериментально-теоретически с использованием предложенного критерия разрушения и решений уравнений (1)-СЗ).
С учетом вертикальных колебаний нагрузки при ее поступательном движении необходимое разрушающее значение 1) определяется так:
(10)
где - коэффициент, учитывающий возрастание иэгибных напря-
жений от вертикальных колебаний.
Изменение НДС ледяной пластины при наличии в ней майны, а также влияние ограничения акватории по ширине (возбуждение ИШ в каналах, у береговой черты, портах, бухтах и т.д.) определялись с помощью численных решений .-/равнения (I). Для различных граничных условий рассчитывались уровни напряжений, по которым вычислялась плотность потенциальной энергии изгиба ледяной пластины. Сопоставление результатов расчетов с принятым критерием разрушения льда позволило определить толщину разрушаемого ледяного покрова с учетом рассмотренных ледовых условий А* :
= (и)
где - коэффициент, учитывающий близость и ориентация по
отношению к направлению движения нагрузки свободной кромки ледяного поля; - коэффициент, учитывающий ограничение акватории пс ширине; ^ - толщина разрушаемого бесконечного ледяного покрова (см.рис.3).
Одновременное использование нескольких движущихся нагрузок при благоприятной интерференции ИГВ позволяет и значительной степени увеличить толщину разрушаемого льда. Выполненные раедгегк па-
3£
турные эксперименты позволили получить зависимость
где ¡1*, Я - толщина разрушаемого льпа при^ групповом и циничном движении нагрузок соответственно;^ /£_,== ноэ'лпишиенты, учитывающие возрастание изгибчых напряжении при движении нагрузок кильватерным строем и фронтом; п, , /П - число нагрузок; » ^еу - коэффициенты возрастания напряжений от С - ой и ой нагрузок,
В процессе модельных и натурных экспериментов установлены способы повышения эффективности РМРЯП на нестационарных режимах движения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Показана возможность эффективного использования резонансных эффектов в механике'разрушения ледяного покрова.
2. Определена область рационального применения Р1РЛ11.
3. Получены рекомендации по реализации РМРЛП существующими транспортными средствами.
4. Разработана и наила практическое применение инструкция по использованию кораблей на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова резонансным методом.
5. Предложен ряд способов повышения эффективности РМРЛП б различных ледовых условиях (A.C. »307562, i*307563, №1605471,
»■* 315829, .»Г- 3I0C87, 1761968, положительные решения M93I705/23, Г 4865055/11, 493I704/IJ).
6. Разработан метод оценки ледокольных качеств существующих СВП.
7. Предложена методика проектирования СВП с заданной ледоразру-шающей способностью.
6. Обоснован выбор резонансной скорости движущегося источника ИГВ.
9. Получены условия полного разрушения.ледяного покрова изгибно-гравитаиионными волнами.
10. Установлена зависимость толщины разрушаемого льпа от параметров нагрузки, движущейся с резонансной скоростью.
11. Определено влияние ледовых условий ''физике-,механических свойств льда, наличия снежного покрова, подледного течения, ледового растяжения-сжатия, торосов, ограничений фарватера по глубине и ширине, наличия свободной кромки льда) на резонансную скорость и пепоразрушаюцув способность резонансного метода.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:
1. Козин В.М. О влиянии формы поперечной нагрузки на напряженно-деформированное состояние бесконечной ледяной пластины./Горь-ков.политехи, институт. - Горький: - 1981г. - Рук.Деп, ь ЦНИИ "РУМБ", * ДР-1347. •
2. Козин В.М. Моделирование изгибно-гравитадаонных волн в сплошном ледяном покрове.//Теория и прочность ледокольного корабля./ Горьков. политехи, институт. - Горький: изд-во ГПИ, IS82. -вып. 3-е. 35-38.
3. Двойченко 10.А., Козин В.М. Предельное деформирование ледяного покрова -изгибно-гравитационными волнами// Теория и прочность ледокольного корабля./ Горьков.политехи.ин-г. - Горький: изд-го ГПИ, 1982. - вып. 3 - с.36-41.
4. Козин В.М., Релаксационные свойства ледяного покрова./ Горьков. политехн.ин-т - Горький, 1982. - Юс. - Деп. в ВИНИТИ 26.11.82. - w 5890 - 82 Деп.
5. Козин В.М., Рябинкин А.Б. Оценка критических скоростей перемещающейся по 'льду системы давлений./ Горьков.политехи.ин-т. -Горький, 1982. - 7с. - Деп. в ВИНИТИ 26.11.82. - 5691. -
82 Деп.
6. Козин В.М. Выбор основных параметров судов на воздушной попушке для разрушения яеяяно:м покрова резонансным способом на ранних стадиях проектирования./ Горьков.пояитехн.ин-т - Горьки", IS83. - 13с. - Рук. Деп. в ЦНИИ "РУМБ", f .iy-1712.
4С
7. Зуев В.Л., Козин В.М. Критерий оценки лепсразрушатаей способности движущейся по льпу нагрузки./ Горьков. политехи, ин-т.-Горький, 1982. - 5с. -Деп. г. ЦНИИ "РУМБ", !" ДР - 1739.
8. Зуев В.А., Козин В.М.. Напряженно-деформированное состояние ледяного покрова при движении судна на воздушной подушке./ Горьков. политехи, ин-т. - Горький, 1983. - 11с. - Доп. в ЦНИИ "РУКБ", Г" ДР-1847.
9. Зуев В.А., Козин В.М. Оценка эффективности средств продления навигации./Горьков. политехи, ин-т. - Горький. Т983. - 9с. -Деп. в ЦНИИ "РУКБ", ДР-1848.
10. Козин BJ-5, Экспериментальные исследования разрушения льпяного покрова реп'.'Чг-тс Д>тм способом судами на воздушной подушке. /'/ Экспериментальные метоп.и исследования способов активного воздействия на мореходные качества судоз: Тезисы докладов всесоюзной научн.-техн. конф. - Одесса, 1984. - с.24-25.
11. Козин В.И. Модельные исследования поля деформаций ледяного покрова от действия движущейся по нему нагрузки./Комсомоль-скич-на-Амуре политехи, ин-т,- Комссмольск-на-А?,'уре, 1985. -12с. - Деп. в ЦНИИ "РЖВ", ^ ДР-2313.
12. Козин В.Н., Крекнин О.Л. Использование группы СВП для разруле-ния ледяного покрова резонансным способом.// Проблемы совершенствования ходкости и мореходности судов: Тезисы всесооэной научн.-техн. кон*). (XXXII Кршовекие чтения). - Л., 1935. -
с. 70-7 Г..
13. Козин В.М. Влияние снежного покрова на напряженно-деформированное состояние- ледяного покрова от действия движущейся нагрузки. 'КшсонольскиЯ-на-Амуре политехи. ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1985. - 9с. - Деп. в ВИНИТИ 29.07.85., № 5561 - 85 Деп.
14. Козин В.М. Движение по ледяному покрову ограниченной в плане нагрузки./ КсмсомольскиГ<-на-Амуре политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1985. - 17с. - Деп. в ШШЙТИ 29.07.85.,
i:£60 - S5 Деп.
15. Зуп В.Д., Козин В.М. Разрушение льда ИГВ з условиях ограниченного форматера./ Горьков. политехи, кн-т.- Горький, 1985.-9с. - Деп. х; ЦНИИ 'ТУТ", »- ДР-248С.
16. Козин В.М. Выбор давления в воздушной подушке и высоты гибкого ограждения амфибийного СВП, предназначенного для разрушения ледяногс покрова резонансным способом.'/ Комсомолъский-на-Аму-ре политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1985. - 17с. -Деп. в ВИНИТИ 29.07.05, Р 5559-65 Деп.
17. Экспериментальные исследования взаимодействия СВП с ледяным покровом при резонансном способе / В.А. Зуев, В.М. Козин,
П.А. Малахов, А.Б. Рябинкин/У Вопросы теории прочности и проектирования судов, плавающих во льдах. - Горький: изл-во ГПИ, 1984. - с.59-65.
18. Козин В.М. О влиянии течения на колебания ледяного покрова в условиях изгибно-гравитационного резонанса./ Комсомольский--на-Амуре политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1986.-Юо. - Деп. в ВИНИТИ 25.12.86- );= 8884-В86.
19. Козин В.М., Новолодский И.Д. Перспективы и ооласть применения ледокольных СВП для Дальневосточного бассейна. //' Учет особенностей Дальневосточного бассейна при проектирования и модернизации судов: Тезисы докладов на IX Дальневосточной научн.-техн. кокф. - Владивосток, 1986. - с.112-113,
20. Козин В.М. Определение высоты гибкого ограждения ледокольного СВП // Проблемы совершенствования комплексных методов прогнозирования мореходных качеств судов: Тезисы ¿'.окладов всесоюзной научн.- техн. конф. (Крылозекие чтения 1987г.) - Л.: Судостроение, 1987. - с.76-78.
21. Козин В.М., Новолодский И.Д. Взаимосвязь лепоразрушанаих свойств и параметров нагрузки при ломке льда резонансным способом.// Проектирование морских судов и плавучих технических средств: Сб.научн. трудов ЯКИ. - Л., 1987. - с.51-84.
22. Козин В.М.,Новолодский И.Д. Гидродинамическая лаборатория КнАПИ. // Информационный листок Хабаровского ЦИТИ. - 1988. -№ 139-88. - 4с.
23. Жесткая В.Д., Козин В.М. Решение задачи воздействия движущейся нагруяки на ледяной покров численными методами. // Материалы по обмену опытом Приморского правления НТО им.академика А.Н. Крылова. - Владивосток, 1968. - с.3-7.
24. Козин В.М., Новолосский И.Д. Натурные исслепования,волнообразования в биток льду.// Совершенствование средств и метопов -экспериментальной гидромеханики сурна лля развития научного прогресса в судостроении: Тезисы докладов всасоган. научн.-техн. конф. - Л.: Судостроение, 1986. - п.66-67.
25. Зуев В.А., Козин В.М. Использование судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова. - Владивосток: изд-во ДВГУ, 1988. - 128с.
26. A.C. 303936 от 01.II.89 Способ поддержания скорости судна на воздушной подушке для резонансного разрушения ледового покрова. Козин В.М., Берданосов В.Д., Новолодский И.Д.
27. A.C. № 307552 от 02.01.90 Способ разрушения ледяного покрова. Козин В.М., Новолодский И.Д.
28. A.C. w 307563 от 02.01.90 Способ разрушения ледяного покрова. Козин В.М., Новолодский И.Д.
29. A.C. ^ I60547I от 27.11.90 Способ разрушения ледяного покрова. Косин В.М., Жеребятьев В.П., Коваленко И.Д.
30. Козин В.М., Новолодский И.Д. Интерференция изгибно-гравитацисн-инх волн в сплошном ледяном покрове// Вопросы проектирования судов, плавающих во льдах. - Горький: изд-во ГПИ, 1988. -
с. 118-122.
31. Козин В.М. Моделирование взаимодействия изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове. // Физико-математическое моделирование при радении проблем гидроаэромеханики и динамики судов и средств освоения мирового океана: Тезисы докладов всесоюзной научн.-техн. конф. (XXXII Крыловскке чтения^. - Л: Судостроение, 1989. - с.73-74'.
32. A.C. № 315829 от 01,06.90 Способ разрушения ледяного покрова. Козин В.М., Новолодский И.Д.
33. A.C. >'« 310067 от 01.03.90 Способ разрушения ледяного покрова. Козин В.М., Новолодский И.Д.
34. Универсальный гидравлический пресс для определения физико-меха-нипесииу характеристике льда. / В.М.Козин, С.В.Копкин, А.В.Шес-таков, И.Д.Нозилопский.//Проектирование и прочность судов. -Горький: из¡1—во ГПИ, 1990, - с.131-137.
35. Козин В.М., Соколов B.JI. Использование судов на воздушной по-ivwse для разрушения ледяного иэкроза. / Записки по гидрографии. - Л.: Вое низ г. а т., Т990. - 224-Л. - с.60-63,
36. Способ разрушения ледяного покрова. Положительное решение по заявке № 4931705/23 f036059) от 26.04.SI. Козин В.М., Новолакский И.Д.
37. А.С. № I78I968 от 06.03.90. Способ разрушения ледяного покрова. Козин В.М., Новолодский И.Д.
38. Способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке. Положительное решение по заявке » 4885055/11 (085387) от 06.08.90. Козин В.М., Новолодский И.Д.
39. Способ испытания моделей судов ледового плавания. Положительное решение по заявке в 4885I0I/IK0854I7) от 06.08.90 Козин В.М., Новолодский Я.Д.
40. А.С. в 1770209 от 13.04.90 Устройство для испытания моделей супов ледового плавания. Козин В.М., Берданосов В.Д.
41. Патент РФ. Ледокольное судно, (заявка № 4931369/11№36040) от 27.02.92). Козин В.М., Мытник Н.А.
42. Способ разрушения ледяного покрова на мелководных участках акватории. Положительное решение по заявке $ 4931704/11(036058) от 25.02.92. Козин В.М., Космынин А.В.
43. Козин В.М., С.крипачез В.В. Колебания ледяного покрова под действием периодически изменяющейся нагрузки. // ЖПМТФ. - Новосибирск: изд-во СО РАН, 1992. - № 5. - с.8-12.
<14. Kozin V.H.. Zbyostkaya V.D. Solving the problem of ice breaking by bentgravitation waves with the help of numerical method //Soviet Union-Japan symposium on conputat'ional fluid dynaaics. - USSR. Khabarovsk. Sept., 0-16, 1Я83. -V.3. - p.123-131.
45. Kozin V.M., ÍIovo lodsk i I.D. The Estimate of Ice Breaking Capacity by a Hoving Load. // Proceedings of the seventh International offshore .Mechanic:; and Polar Engineer in;; Conference. - USA, Houston, Texas, February 7-12, 19S0, -p. 3.
46. Kozin V.H. Experimental Investigations of Ice Breaking by a Hoving Load. // pacific/ ASIA offshore Mechanics Symposium (PACOHS'üü). - Korea, Seoul, Juno 24-23, 10ЙУ,-p. <1.
47. Kozin V.M., Zhyostkuya V.D. The Calculation of Ice Sheet Stress - Strain State by Numerical Hethod //Proceedings of the eighth International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference. - Netherlands, Hague, March 1U-23, 1089. - p. 3.
