（固体力学专业论文）冰的力学性能及其与结构相互作用力问题的研究.pdf

摘要 冰的力学变形机理以及它与结构相互作用力问题的研究是力学领域内研 究的重要课题。随着寒冷地带海洋石油资源的开发，冰对海洋结构作用越来 越受到工程界的关注。 当冰撞击海洋平台时，它们之间产生的力是依赖于冰和结构的相互作用 的过程。这种作用一方面取决于冰板的整体动量( 受风、海流的影响) ，另一 方面与冰的力学性能即冰的屈服强度和破坏形式( 破碎、开裂) 有关。因而， 由冰的破坏形式所确定的冰的破坏力是冰和结构相互作用力研究的基础工作 之一。从力学的角度研究，冰的破坏力为结构的承载提供了设计的基本参数 和为结构的安全稳定性的计算提供了边界条件和初始条件。但由于冰的力学 特征是十分复杂的，随着冰试样的选取地点、方式的不同、含盐量、含杂质 的程度、温度以及冰结晶的方位取向不同，而显示出不同的应力一应变关系， 从而增加了所研究问题的复杂性。 在以往的设计中，人们都是采用由实验得出的数据，总结出经验公式， 使得设计具有很强的局限性。随着人们对寒冷地区进一步的开发，工程界越 来越希望在实验的基础上，研究冰的力学性能，构造冰变形的本构模型，分 析冰的力学变形机理以及它与结构相互作用力，从而，从理论和实验两方面 对海洋结构进行更合理、更可靠的工程设计。 围绕着冰的力学变形机理以及它与结构相互作用力问题，根据渤海现场 观测的海冰的破坏形式以及相关的实验资料，采用宏观连续介质力学和细观 力学的研究方法，本文开展如下工作： 1 采用弹塑性理论研究了具有柱状结晶构造的海冰的s d 效应。采用的分 区构造方法给出应力场的构造，给出了冰荷载的塑性极限压力，与r n s t o n 的结果相比较，采用的方法简便易行，并能清楚地看出塑性应力场的分布，易 哈尔滨工程大学博士学位论文 于给出冰的开裂方向，从而为解决冰与结构的相互作用力问题提供了有益的 方法。 2 屎用断裂力学理论，给出了海冰存在混合型裂纹时，起始裂纹尖端附 近的宏观应力应变场的分布。讨论冰的材料参数压力敏感性参数( s d 效 应1 对裂纹尖端附近的宏观应力应变场的影响，可以为冰的断裂强度的确定提 供参考依据， 3 采用弹塑性理论研究了海冰对平台结构( 包括海上平台的柱脚，桥墩 等) 相互作用。在海冰呈现挤压破坏时，给出平台的柱脚附近冰材料发生弹 塑性变性的应力和应变场，讨论冰的压力敏感性参数对宏观应力应变场的影 响，为结构的设计提出理论参考依据。 4 冰的力学特征的复杂性是由于它本身的细观结构所造成的( 含盐量、 含杂质的不同、颗粒的大小、结晶取向) 。因而采用细观模型分析冰的变形与 破坏机理，建立细观和宏观变形之间的关系，构造合理的本构模型，为工程 设计提供可靠依据，是当前冰力学和海洋工程研究的方向。从细观力学的观 点分析了微裂纹开裂的条件，扩展方向和给出绕海洋平台柱腿冰的损伤区的 尺度。在轴对称条件下，给出海冰板的环向屈曲临界载荷。所给出的临界半 径是一个与冰材料力学特征，冰的微结构参数和海洋平台柱腿半径相关的特 征参数。对现场所观察和测量的结果给出了合理的解释和定量的分析。 本论文的目的正是致力于这一问题的研究，从而在理论上使人们对冰的 性能有更深刻的理解，为工程实际设计提出有参考价值的方法和依据。 关键词： 冰的弹塑性本构方程；冰的断裂性能；起始裂纹尖端场；s d 效应； 细观力学 冰的力学性能及其与结构相互作用力问题的研究 a b s t r a c t t h es t u d yo nt h em e c h a n i c a ld e f o r m m i o nm e c h a n i s mo ft h ei c ea n dt h e i c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n si sa l li m p u r m n tt o p i c t h ea c t i o n so ft h ei c eo nt h eo c e a n c o n s t r u c t i o nh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s w i t l lt h eo p e n i n gu po c e a n o i l f i e l d si nt h ec o l dr e g i o n s w h e nt h ei c ec o l l i d e sw i t ht h eo c e a nf l a t , t h ea c t i o na m o n gt h e md e p e n d so n t h ep r o c e s so ft h ei c e s t r u c t a r ei n t e r a c t i o n s o n es i d e t h i sa c t i o nl i e so nt h et o t a l m o m e n t u mo ft h ei c ep l a t e ( a f f e c t e db yt h ew i n da n dt h eo c e a nc u r r e n t ) ，o nt h e o t h e rs i d e i tl i e so nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ei c as u c ha s 血ey i e l d s t r e n g t ho ft h ei c ea n dt h ef r a c t u r ef o r m ( c r a s ha n dc r a c k ) t h es t u d yo nt h e i c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n , w i t ht h ef r a c t u r ef o r c eo ft h ei c eg a i n e df r o mt h ef r a c t u r e f o r mo ft h ei c e i so n eo ft h eb a s i cr e s e a r c h e s f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h e m e c h a n i c s ，t h ef r a c t u r ef o r c eo ft h ei c ep r o v i d e st h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h e d e s i g n i n gf o rt h es t r u c t u r el o a d i n ga n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ei n i t i a l c o n d i t i o no ft h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yc a l c u l a t i o no ft h es t r u c t u r e b u tt h e m e c h a n i c a lf e a t u r e so ft h ei c ef i r ev e r yc o m p l e x ，t h ed i f f e r e n tr e l a t i o n s h i p so ft h e s t r e s sa n dt h es t r a i na r eg i v e nw i t ht h ec h a r a c t e r , t h ec o n t e n to fs a l t ，t h ec o n t e n to f i m p u r i t y , t h et e m p e r a t u r e ，a n dt h ed i f f e r e n tc r y s t a lo r i e n t a t i o n so f t h ei c es a m p l e ， w h i c hm a k e 也er e s e a r c hw o r k sm o r ec o m p l e x t h ef o r m e rd e s i g n sh a v em o r el i m i t a t i o nb e c a u s eo ft h eu s i n go ft h e e x p e r i e n c e sg o a e nf r o mt h ee x p e r i m e n t s w i t l lt h em o r eo p e n i n gu pi nt h ec o l d r e g i o n s ，m o r ea n dm o r ei n t e r e s t sa r ep u ti ns t u d y i n gt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e o f t h ei c e 。m a k i n gt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo f t h ei c ed e f o r m a t i o na n da n a l y z i n gt h e m e c h a n i c a ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ei c ea n dt h ei c e s t r u e t u r ei n t e r a c t i o n t o m a k em o r er e a s o n a b l ea n dm o r es e c u r i t ye n g i n e e r i n g d e s i g n w i t hr e g a r dt ot 1 1 em e c h a n i c a ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h ei c ea n dt h ei c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，b a s e do nt h ef r a c t u r ef o r mo f t h es e ai c em e a s u r e do nb o h a l s e aa n d 也er e l a t i v ee x p e r i m e n tm a t e r i a l s w i t hm a c r o s c o p i cc o n t i n u u mm e d i u m m e c h a n i c sa n dm i c r o c o s n f i cm e c h a n i c s ，t h em a i nr e s e a r c hi t e r n s i n t h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h es de f f e c to ft h es e ai c ew i t hc y l i n d r i c a lc r y s t a lc o n s t r u c t i o nh a sb e e n s t u d yw i t ht h ee l a s t i c p l a s t i ct h e o r y t h ec o n s t r u c t i o no ft h es t r e s sf i e l di s g i v e nw i t ht h ed i v i s i o n a lc o n s t i t u t i o nm e t h o d , a n dt h ep l a s t i cl i m i tp r e s so f t h ei c el o a di sa l s og i v e n c o m p a r e dw i t ht h er a l s t o n sr e s u l t s , t h em e t h o di s 啥尔滨工程大学博士学位论文 p r o v e dt ob ee a s yt od o ，g e tc l e a r l yt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep l a s t i cs t r e s sf i e l d a n dg e tt h ec r a c kd i r e c t i o no f t h ei c e i tp r o v i d e sah e l p f u lm e t h o df o rs o l v i n g 也ep r o b l e mo f t h ei c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 2 t h ed i s t r i b u t i o no ft h em a c r o s c o p i cs t r e s s s t r a i nf i e l dn e a rt h es t a t i cc r a c kt i p i sg i v e nw i t hf r a c t u r em e c h a n i c a lt h e o r y , w h e nt h e r ea r er l l i x e dc r a c k si nt h e s e ai c e 。t h a tt h es t r e s sa n ds t r a i n f i e l db e a rc r a c kt i pi si n f l u e n c e db y 也e p a r a m e t e ro fi c em a t e r i a l ( p r e s ss e n s i t i v ep a r a m e t e r s ) i sd i s c u s s e d w h i c hc a l l p r o v i d er e f e r e n c et od e t e r m i n et h ei c ef r a c t u r es t r e n g t h 3 。t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es e ai c ea n dt h ep l a tc o n s t r u c t i o n ( s u c ha s 也el e g s o ft h eo v e r s e ap l a ta n dp i e r se t c ) h a sb e e ns t u d i e dw i t ht h ee l a s t i c p l a s t i c t h e o r y t h ee l a s t i c - p l a s t i cs t r e s s - s t r a i nf i e l do ft h ei c em a t e r i a ln e a rt h ep l a t l e g si s 画v 肌w h e nt h es e ai c as h o w se x t r u s i o nf r a c t u r ea n dt h ee f f e c to ft h e p r e s s u r es e n s i t i v ep a r a m e t e r so f t h es e ai c eu p o nt h em a c r o s c o p i cs t r e s s s t r a i n f i e l d n l e s ep r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i 辨o f 也ec o n s t r u c t i o n 4 t h ec o m p l e x i t yo ft h em e c h a n i c a lf e a t u r eo ft h ei c ei sd e c i d e db vi t s m i c r o c o s m i cc o n s t r u c t i o n ( t h ec o n t e n to fs a l t t h ed i f i e f e n c eo ft h ei r n p u r i t y ， t h es i z eo ft h ep a r t i c l e ，t h eo r i e n t a t i o no ft h ec r y s t a l ) t h u s ，i ti st h er e s e a r c h o r i e n t a t i o no ft h ei c em e c h a n i c sa n dt h eo c e a ne n g i n e e r i n gt oa n a l y z et h e d e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s mo f t h ei c ew i t ht h em e s o s c o p i cm o d e l ，t o e s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em i c r o c o s m i ca n dm a c r o s c o p i c d e f o r m a t i o n ，t oc o n s t r u c tr e a s o n a b l yt h ec o n s t i t u t i v em o d e la n dp r o v i d e s e e u r i t yr e f e r e n c ef o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n i nt h ep o i n to fv i e wo ft h e m i c r o c o s m i cm e c h a n i c s t h ec o n d i t i o n sa n dt h eg r o w t hd i 蒯o no ft h e m i c r o c r a c k sf i r ea n a l y z e da n dt h es i z eo f t i l ef r a c t u r er e g i o no f t h ei c ea r o u n d t h el e g so ft h eo c e a np l a ti sg i v e n o nt h ea x i a ls y m m e t r i c a lc o n d i t i o n ，t h e c i r c l i n gb u c k l i n gc r i t i c a ll o a do ft h es e ai c ep l a ti sg i v e n n l eg i v e nc r i t i c a l r a d i u si saf e a t u r ep a r a m e t e rt h a tr e l a t e st ot h em e c h a n i c a lf e a t u r eo ft h ei c e m a t e r i a l t h em e s o s c o p i cc o n s t r u c t i o np a r a m e t e ro ft h ei c ea n dt h er a d i u so f t h eo c e a np t a tl e g ，ar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o na n daq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h e r e s u l t st h a ta r eo b s e r v e da n dm e a s u r e di nt h ef i e l da r em a d e t h ed i s s e r t a t i o ni sa i m e dt os t u d yo nt h i sp r o b l e m t h u si tc a nm a k et h e p e r f o r m a n c eo f t h ei c eu n d e r s t o o dm o r ec l e a r l ya n dp r o v i d ea n a l y s i sm e t h o da n d r e f e r e n c ef o rt h er e a le n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：t h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no ft h ei c e ；t h ef r a c t u r e p e r f o r m a n c eo ft h ei c e ；t h et i pf i e l do fac r a c kb e f o r eg r o w i n g ；s de f f e c t ； m e s o s c o p i cm e c h a n i c s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 ， 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年9 月2 0 日 第1 章绪论 第1 章绪论 在海岸工程与系统的设计和应用中，冰的力学变形机理以及在对工程的 影响是应用力学研究领域内的重要学科之一。 自古以来，冰对人类的生活和生产活动造成很多的困难和危害。如1 9 1 2 年4 月1 4 日午夜，排水量四万五千吨的英国“泰坦尼克”号客轮，在横渡大西 洋时，于纽芬兰岛东南海面3 8 0 海里处与冰山相撞，沉于海底，造成i 5 0 0 余人死亡的惨案。1 9 6 2 1 9 6 3 年美国在阿拉斯加克湾建立的两座海上石油平 台，于1 9 6 4 年冬被冰推倒。1 9 6 0 年日本在稚内港外声向崎海上设置的声向 灯标，1 9 6 5 年3 月因受到流冰群的袭击而坍塌。在我国的渤海海域特别是辽 河口附近，寒冷的冬季产生的冰对海洋平台的撞击，影响着海洋平台的安全。 1 9 6 9 年大冰封期间，渤海石油公司的“海二井”平台在海冰的作用下倾倒于冰 水之中，1 9 7 4 年“海四井”的烽火台也遭受了同样的厄运。除此之外，由于海 水毁坏船只，港工设施等冰灾屡见不鲜，巨大的损失，惨痛的教训，使海冰 作为海洋工程的重要设计载荷而引起人们的重视。世界上许多国家如美国、 英国、加拿大、和芬兰等国致力于海冰研究 1 。】。美国为了开发库克湾海洋石 油资源，于6 0 年代在库克湾德石油平台上进行了冰与平台结构相互作用下的 应变测量。芬兰在芬兰湾的灯塔上进行了各种冰力试验。 随着海洋资源的开发和应用，特别是在靠近极地、严寒地带海底油、气 的开发中，大量的海上勘探设备以及海洋平台在多变的海洋气候中工作着， 冰对海洋结构的作用是影响这些设施安全性、可靠性的重要因素之一。最近 二十年间，在冰力学理论、冰的力学实验( 实验室内和现场实验) 以及冰力 学在海洋工程中的应用取得了令人注目的进展。在国际上召开了数次关于冰 力学的专题学术会议，例如：i a i t r ( p r o c e e d i n go f t h ei n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o nf o rh y d r a u l i cs y m p o s i u mo ni c e ) , o n a e ( p r o c e e d i n gi n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo no f f s h o r em e c h a n i c sa n da r c t i ce n g i n e e r i n g ) , p o a c ( p r o c e e d i n g o ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo i lp o r ta n do c e a ne n g i n e e r i n gu n d e ra r c t i c c o n d i t i o n s ) ，发表了大量的研究冰力学性能以及它对海洋结构( 海洋平台、船 舶、灯塔等) 作用的论文扣。1 ”。我国工程界对冰与海洋平台结构相互作用问题 的研究也逐步深入取得了卓有成效的成果【6 1 。可以相信，随着海洋工业的 发展，工程界和力学界必然会给冰力学的研究以更大的关注。 本论文的研究正是在这种工程背景下提出的并获得高等学校博士学科点 专项科研基金资助。 1 1 冰与海洋结构相互作用力问题的提出 冰对结构作用的结果一方面结构在冰的推动下，引起振动、疲劳、强度 哈尔滨工程大学博士学位论文 的损伤，另一方面结构可能将载荷传递到基础面引起结构的破坏和失稳。冰 对结构的作用可以简述为如下的过程：当一块冰板撞击海洋平台时，它们之 间产生的力是冰与结构相互作用的结果。在作用中，冰的整体动量将受到冰 的性质、破坏强度和环境因素( 风、海流) 的影响，同时也依赖于结构的几 何尺寸、形状以及冰屈服强度和破坏形式。从冰与海洋平台作用中容易看出 ( 图1 1 ) ，结构产生的变形( 弯曲、平移、振动) 依赖于冰对结构的作用力， 特别是依赖于作用中冰在破坏时所产生的极限压力，因而这种作用力的分析， 对于保证海洋平台的安全和稳定是至关重要的9 1 。 图1 1 冰对平台结构的作用 f i g 1 1i n t e r a c t i o no f i c ew i ms t r u c t u r e 一般地说，冰对海洋平台的作用力包括三个方面，可以表示为 f = f ：+ f f d ( 1 - 1 ) 其中而r 是水对冰的驱动力，疋是空气( 风) 对冰的驱动力，凡是冰的破坏 力，在通常条件下r 占主导作用，因而在冰和结构相互作用领域内进行的基 础工作之一是确定冰在与结构相互作用时的破坏力。从力学的角度，冰的破 坏力为结构的承载提供了设计的基本参数和为结构的安全稳定性的计算提供 了边界条件和初始条件。目前世界各国的冰力计算公式繁多，公式的正确性 依赖冰所处的自然地理位置、形成的外部因素和冰的内部结构，具有确定的 适用范围，这是由于冰的力学特点是十分复杂的，随着冰试样的特征、含盐 量、含杂质的程度、温度以及冰结晶的方位取向不同，而显示出不同的应力 一应变关系，从而增加了所研究问题复杂性。 1 2 冰与海洋结构相互作用力问题的实验研究 2 匕一 第1 章绪论 为了进行海洋结构的安全和稳定的设计，人们在实验室和现场进行了大 量实验，而且这一工作从来没有停止过。海冰对平台结构静力作用力因海冰 不同的破坏形式而不同，一般采用当海冰呈现挤压破坏时的冰力作为设计载 荷。通常人们在实验室严格依据于几何的相似性，把冰的破坏压力取做在相 同规范速度时的侵入压力。这种模拟近似一般是纯经验公式，不考虑压力和 应变场的分布，正是这些实验的观测为冰力学的理论研究打下坚实的基础。， 各国学者提出了不同静冰力计算公式【1 7 1 18 1 。其中被普遍认可而且在海洋平台 结构设计中广泛采纳的冰力计算公式为k o r z h a v i n - a f a n a s e v 公式( 简称k - a 公式) 和s c h a w z 公式。 k - a 公式表达的静冰力为： 只= i m k d h c r 。 ( 1 - 2 ) 式中：i 、i l l 和k 一一无量纲参数，分别称为嵌入系数、形状系数和接触系数； d 和h 称为冰与结构接触宽度和冰厚； 以一无侧限冰抗压强度。 嵌入系数i 的取值为 1 = ( 1 3 ) 当接触面为平面时m = l ，为圆柱面时m = o 9 ：k 的取值范围为o 2 5 o 4 5 。 s c h a w z 公式是德国学者s c h a w z 通过对桥墩冰力的现场测量提出的，它 表达为： 只= 3 5 7 d “5 h l - i g ( 1 - 4 ) 式中各参数意义同前，其中d 和h 的单位是“c m ，吒的单位是“k g c m ”， e 单位为 k g ”。 k - a 公式和s c h a w z 公式可以写成如下的统一形式： 只= a d h g ( 1 - 5 ) 式中a 为： 考虑冰力计算模式的不确定性，可将冰力公式( 1 5 ) 写为 只= c f b l h ( 1 - 6 ) 哈尔滨工程大学博士学位论文 式中：c ，为表达冰力计算模式不确定性的随机变量； b ，为式( 1 5 ) 右边不包括冰厚h 部分，即b ，= a d c r 。 根据金伟良等 2 0 】对给出的c ，的统计参数，得到他产0 9 2 ，面严0 2 5 。需 要指出的是，这些参数是采用现场实测的数据来确定c ，的统计特征，这样 不可避免地会将其他随机影响因素引入c ，因此c 。的统计特性尚需通过室 内实验进一步验证。于是，挤压冰力均值，和变异系数露可近似得到为： v v i v a t r a t 和s s l o m s k i 2 1 】对1 0 7 次的实验室实验和8 8 次中型现场的冰侵 入试验进行了分析和总结( 实验范围很广，应变率在1 0 _ 。一1 0 s e c - 1 ，温度在 - - 2 0 0 c - _ 0 0 c ) 并由这些实验总结给出的接触峰值压力为： p n = p r t v 其中p r 为依赖于温度和应变率的参考应力 办的取值为： ：竺。舛，叮+ 。当_ 0 ，b o ，c o 一材料常数， 净毛s ；su 扩g q 一专d ；。 这个屈服条件与c o x 等所做海冰压缩实验也相吻合 5 5 】。 哈尔滨工程大学博士学位论文 o 5 ，一一 7 一一 ，f 夕矿 、q 0a 仉 。影 ，矿 7 吖 川 o 实验结果( j o n e s ，1 9 7 8 ) v o i lm i s e s 、t o r m o h 卜c o u l o m b p a r i s e a u 、堍 c 一；k 、i 1 001 0 2 0 3 04 0 限制压力吒m p a 图1 4 屈服准则的比较 f i g 1 4t h ec o m p a r i s o no f t h ey i e l dr u l e 应用塑性理论对冰进行弹塑性分析的意义并不仅限于解决冰的接触问 题，它对于冰的断裂、冰的蠕变分析也有着重要意义。如果取屈服强度为冰 的破坏准则，对于不同结晶机理的冰，它们的破坏形式不同，因而在应力空 间所描述的断裂包络也不同。n a d r e a u 和m i c h e l l 5 2 1 ，t i m c o 和f r e d e r k i n g 5 6 1 在 加载率和温度变化很大的范围内，对柱状结晶海冰进行实验，同纯水冰进行 比较，这两种结构的冰在断裂包络上存在着明显的不同( 图1 5 ) 。在相同的 加载率和温度下，海冰与纯水冰相比较，断裂包络的尺寸减小，对柱状节理 冰断裂包络进一步趋于压缩压缩的1 4 圆周内。这说明柱状节理冰在确 定状态中，比粒状节理的纯水冰在断裂前能承受更高的压力，这为冰作用于 结构上的断裂现象不同提供了理论解释。 第1 章绪论 屈服应力叽( m 9 8 三一，2 ： 2 一2 0 1 6 1 2 8 ，i 一4 ，房、2 努 j ，l 、， 厶孽然一r ! ， 一2 。一一 图1 5 颗粒状、柱状海冰和淡水冰在平面中的断裂包络线的比较 f i g 1 5t h ec o m p a r i s o no f 恤f a i l u r ee n v e l o p ec u r v eo f t h ep a r t i c u l a t es e ai c e t h ec y l i n d r i c s c ai c ea n dt h ef r e s hi c ei nt h ep l a n e 最近，岩土力学在宏观塑性力学研究的一个热点是对h o e k b t o w n 经验 强度准则的研究。为了模拟原状岩石到完全破碎岩石的变化过程，e h o e k 和e t b r o w n l 5 7 - 6 0 】提出了著名的h o e k - - b r o w n 经验强度准则。 r 口瓤= 0 3 + m s c a 3 + r 2 ( 1 1 3 ) 式中：m 一摩擦系数； s 一原状指数； s 原状岩石的单轴抗压强度。 h o e k - - b r o w n 经验强度准则不仅反映了岩体的固有特点和非线性破坏特 征，以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响，而且弥 补了m o h r - _ c o u l o m b 强度准则的不足，能解释低应力区、拉应力区和最小主 应力对强度的影响，能延用到破碎岩体和各向异性岩体等情况，还能反映地 下水水化效应和力学效应导致的岩体强度弱化。它将工程岩体在葡载作用下 表现出的复杂破坏，归结为拉伸破坏和剪切破坏两种机制，将影响岩体强度 哈尔滨工程大学博士学位论文 特性的复杂因素，集中包含在该准则所引用的两个经验参数m ，s 之中，概念 简洁明确，便于工程应用。取得的成果表明，h o e k - - b r o w n 强度准则从根本 上弥补了m o l a r - - c o u l o m b 强度准则的诸多不足，是一种有应用前景的分析理 论。只要成功解决经验参数取值的精确性与理论方法的正确性这对矛盾，就 可能将h o e k - - b r o w n 强度准则引入到冰的塑性变形研究中而使冰力学在塑 性变形研究中取得比较系统、比较完善的新的理论体系峥“。 1 5 冰与海洋结构相互作用力的黏弹性力学研究 自然界的冰在变形过程中具有流变性质。n k s i n h a 2 6 2 “3 】给出一个合理 的解释。虽然在冰加载时的温度低于人类所相适应的温度，但对于冰材料而 言，这一温度是很高的。在自然界冰的温度低于一4 0 c 的机会很少，而这一温 度等效于0 8 5 t i n ( 其中t m 为k 氏温标中水的熔点温度) ，因而在一般情况 下它的工作温度都大于o 8 5 t i n 。在金属和合金材料中，工作温度高于0 4 t i n 时，就认为金属( 或合金) 产生流变。在这个温度水平上，多晶体材料表现 出蠕变和晶界脆化，而作为高温变形和破坏的一个最直接的结论是，温度是 最敏感的，且与加载历史相关。因而在冰力学性能的研究中，温度是决定了 冰的流变性质以及模型的合理性的重要依据。我国科研人员在渤海的现场测 量中，由测量结果给出的应力一应变率皓线( 圈1 6 ) 也反应了冰的流变性质 和黏性特征阻j 。 图1 6 冰力与作用速率关系曲线 f i g i 6t h ei c ef o r c ev s t h ea c t i o ns p e e d 把冰看做是黏弹性材料，在工程中经常采用的本构关系是幂律化关系 第1 章绪论 岛= 哼( ) 仃，i s f ( 1 _ 1 4 ) 式中：i 一应变率张量； s 。一偏应力张量； 盯。一有效应力，盯。= - s 。s 。) “2 ； 盯。一相应于参考应变率矗的参考应力。 当一时为带有v o n m i s e s 型屈服面的刚塑性材料。采用幂律化关系， v i v a t r a t 6 5 】进行了有限元计算，分析应力、应变和应变率场的分布。对于冰一 结构的相互作用问题，c h e h a y e b 6 6 给出的接触压力可以表示为 上：弩卫4 土型 ( 1 - 1 5 ) 面5 万而窃：万j 。d 其中。是随n 值变化的常数。当n = 3 时，a = 2 1 2 5 x 1 0 6 ( m p a ) _ 3 s ，当 n = 4 时，口= 1 8 4 8 x 1 0 _ 6 ( m p a ) _ 3 s 。这个模型的合理性在于相应的解整体， 压力正比于( v d ) ，而当n = 4 时，l n = 0 2 5 与w a n g 6 7 】的结果相同。通 过有限元对结构三种不同边界的计算，相差的值在1 0 之内。 对冰的蠕变模型的研究最有代表意义的是加拿大的s i n h a 。s i n h a 6 s , 6 9 ， 由晶体的分析认为多晶体( 包括冰) 在高温条件下，应变能唯象地分成三部 分 占尸s i e + s i a + 占 ( 1 - 1 6 ) 式中：s 。一线弹性应变，且瞬时可以恢复的： s 耐一迟滞弹性应变，在相应的时间内可以恢复； s 。一粘性永久应变。 对于冰的蠕变现象，s i n h a 假定 ( i ) 初始的蠕变依赖晶粒尺寸； ( i i ) 在晶界扩散时，蠕变不能起主导作用，微观结构中初始裂纹或孔洞 而引起的恶化，与晶粒尺寸无关。 些研究的数据和结果证实了这些假定的合理性 2 1 。在这种假设的基础 上，设在r 时刻，单轴应变为st ，晶粒尺寸为d 的多晶体的随机方位上作用 单轴应力仃l ，温度为r ，那么应变可以表示为 毛= 鲁+ c ，7 碣a 、y q 、) 。 一e x p a r t 户 + 屯r ( 考j ”( t ，) 哈尔滨工程大学博士学位论文 式中：e 一杨氏模量； 营，。一一相应于参考应力盯。的粘性应变率； d ，一依赖于结构或组织的晶界尺寸，b 、 、s 为常数； a ，一可逆的松弛时间。 i ，n 和坼是随k 氏温度r 的变化而变化的，迟滞粘性和粘性流动具有相 同的激活能，对于n 、乃两个不同温度，i ，o 和a t 满足 叠r o ( t 2 ) = sy0 ( t 1 ) f 1 2 a ，( 乃) = a r ( t 1 ) f 1 2 式中：f 1 ，2 = e x p q r 1 五- ( 1 + 乃) ) ； q 、r 一激活能和气体普适常数。 1 在冰的实验中s = l ，6 = 二，方程为五参数方程e 、c j ，唧、鼻。和 ，由于 聆 杨氏模量可由平均单晶体的模量而估算，未确定的常数有四个。 s i n h a 将这一公式推广到常应力蠕变条件下冰的超弹性、蠕变断裂、裂纹 扩展、损伤累积的研究中。 ? i 百 嘲 掣 额 怔 频率。h z 图1 7 多晶体冰在1 0 时频率和有效模皇的依赖关系。 f i g ? 1 7t h ef r e q u e n c ev s t h ee f f e c t i v em a g n i t u d eo f t h em u l t i e t y s t a li c ea t 一1 0o c 第1 章绪论 在理论上，s i n h a 模型是比较严密的，但模型过于复杂，在运用到实验和 实际中有很大困难。 采用宏观力学的方法研究冰与海洋结构相互作用力的问题的关键在于冰 的本构研究。随着力学的发展，更多的理论引入到冰本构和冰与结构相互作 用力的研究中7 0 。7 6 。采用断裂力学的方法，研究冰的断裂特性【7 7 - 8 0 ，引入损伤 力学的概念，建立冰的损伤力学模型【8 l 】，s u d h i 给出了冰屈曲破坏时的冰压 力公式旧8 3 1 。 冰本构模型和冰与海洋结构相互作用力的问题的研究有着丰富的内容和 应用前景，通过大量的实验室，现场测量以及理论研究工作，人们必然会对 冰变形机理有更深刻地认识，从而为海洋结构的设计分析奠定理论基础。 虽然在采用宏观力学的方法研究冰与海洋结构相互作用力的问题中已取 得很多成果，但取得成果具有局限性。这是因为冰的组分是十分复杂的，随着 冰试样的特征、含盐量、含杂质的程度、温度以及冰结晶的方位取向不同， 而显示出不同的应力一应变关系。这就需要采用细观力学的方法，研究冰的 细观结构变化对冰变形机理的影响，在更深层次上理解冰与结构相互作用力 问题。 1 6 冰与海洋结构相互作用力的细观力学研究 细观力学的主要目的是建立材料细观结构与力学性质之间的定量关系， 它是固体力学与材料科学沟通与结合的纽带。它将理论力学、断裂与损伤理 论、计算力学、实验力学与材料物理理论、显微测量技术和近代物理方法有 机的结合起来。 细观力学对经典连续介质力学理论框架加以改造，引入表征细观结构和 损伤的物理或几何量，确定其演化过程。同时发展由细观向宏观过渡的均匀 化方法，建立细观结构、内部缺陷与宏观性能之间的定量关系。从而在细观 尺度上形成一套新的理论框架。在细观力学理论框架的建立过程中，首先 提出的是e s h e l b y “”的工作。e s h e l b y 讨论了无限大各向同性均匀介质，其 局部区域q 由于某种物理或化学的原因产生均匀的局部应变f ( 本征应变， 它可以是热膨胀应变、相应变、预应变、塑性应变、挛晶应变等非弹性应变) 。 e s h e l b y 证明了，当局部区域n 是椭球体时，均匀本征应变s 将在椭球内部产 生均匀的应力场和应变场，这一开创性成果不仅被引入到复合材料力学性能 的研究中，而且对微观物理量向宏观物理量的过渡的研究提供了有效的方法。 在这