（工程力学专业论文）冰的韧脆转变行为研究及其工程应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前在对冰荷载的研究上，主要有极值静冰力和交变冰力两种。极值静冰力关注的 是结构是否会被推倒的问题，对极值静冰力研究的焦点是冰与结构挤压破坏时冰同时破 坏与非同时破坏的问题，这直接关系到极值静冰力的大小。交变冰力关注的热点是冰致 结构自激振动问题，是否存在自激振动以及如何解释其形成原因，建立相应的力学模型 与方程是研究的关键。分析表明，同时破坏，非同时破坏与自激振动的成因都与冰的韧 脆转变行为有关。本文基于渤海湾抗冰平台的现场监测结果，通过对冰韧脆转变行为的 研究，对同时破坏的存在性以及自激振动的发生的机理及判据进行了研究。 论文第二部分给出了渤海平台现场监测结果，结果表明，在冰与结构挤压破坏时， 随着冰速的变化，有三种冰力形式，分别对应：准静态振动，稳态振动和随机振动。其 中前两种振动属于同时破坏，后者属于非同时破坏。对稳态振动的进一步分析表明，其 应属于自激振动，并指出其产生原因是由于冰韧脆转变区的微裂纹行为引起的。 论文的第三部分对冰的韧脆转变行为进行了研究，主要包括韧性行为中的位错行为 研究，韧脆转变行为中的微裂纹的演化过程研究以及脆性行为的单个裂纹行为的介绍。 其中，着重对微裂纹的形成过程与扩展过程进行了介绍。 论文的第四部分，主要在对冰韧脆转变行为研究的基础上，首先讨论了同时破坏存 在的条件及原因；其次着重对自激振动的机理与判据进行了研究：通过对自激振动时近 场冰力学行为分析以及冰与结构耦合过程分析，定性地解释了自激原因，指出自激发生 在冰的韧脆转变区，韧脆转变区的微裂纹行为是导致自激振动的关键。然后利用现场监 测数据，通过对自激振动时的相位分析，定量地验证了自激产生的原因与条件。 论文的第五部分对主动加载试验进行了介绍，此实验进一步验证了自激产生的条件 与原因。 关键词：冰荷载；自激振动；韧脆转变；微裂纹；同时破坏 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 i n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o no nd u c t i l e - t o - b r i t t l et r a n s i t i o nb e h a v i o ro f i c e a b s t r a c t i np r e s e n tr e s e a r c h t h ee x t r e r n a li c ef o r c ea n dd y n a m i ci c ef o r c ea r et h em a i ni c ef o r c e m e ni c ea n ds m l c t u r ei n t e r a c tw i t he a c ho t h e r ，n o n s i m u l t a n e o u so rs i m u l t a n e o u sf a i l u r ei s t h ek e yr e s e a r c hf o re x t r e m a li c ef o r c e ，i tr e l a t e st ot h ed i f f e r e n tr e s u l t s i c e i n d u c e ds e l f e x c i t e dv i b r a t i o ni st h eh o ts p o tf o rd y n a m i ci c ef o r c e ，纾乃e t h e rs e l fe x c i t i n gv i b r a t i o n e x i s t e n c eo rn o t ，h o wt oe x p l a i nt h ep e r s o na n db u i l dt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c sm o d e la n d e q u a t i o ni st h ek e ys t u d y i n g p r e v i o u ss t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tn o n - s i m u l t a n e o u so r s i m u l t a n e o u sf a i l u r e ，s e l fe x c i t i n gv i b r a t i o ni sr e l e v a n t 、i t l lt h ed u c i t l e - t o - b t i t t l e ( d t b ) o fi c e 皿1 et i d eb a s e do nt h e 丘e l do b s e r v a t i o na n dt h es t u d yo fd t bo fi c e d i s c u s s e dt h e e x i s t e n c eo fs i m u l t a n e o u sf a i l u r ea n dt h ec a u s ea n dc o n d i t i o no fs e l fe x c i t i n gv i b r a t i o n i nt h es e c o n dc h a r p t e r , t h er e s u l to ff i e l dm o n i t o r e di sg i v e n b yf i e l do b v e r s i o n , w h e ni c e a n ds 缸l c t u r ei n t e r a c tw i t he a c ho t l l e r ，w i 也t h ei n c r e a s i n go fi c es p e e d ，t h e r e r e3k i n d so fi c e f o r c ef o r m sa n dr e s p e c t i v e l yc o r r e s p o n d i n g ：s t a t i cs t a t ev i b r a t i o n ，s t e a d ys t a t ev i b r a t i o na n d r a n d o mv i b r a t i o n 。t h ef i r s tt w ok i n dv i b r a t i o ni ss i m u l t a n e o u sf a i l u r e t h el a t t e ri s n o n - s i m u l t a n e o u sf a i l u r e f u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t e st h a ts t e a d ys t a t ev i b r a t i o ni ss e l fe x c i t i n g v i b r a t i o na n dt h em i c r oc r a c kb e h a v i o ri i li c ei st h ek e yf a c t o rf o rd e s c r i b i n ga n de x p l a i n i n g i c e - i n d u c e ds e l fe x c i t e dv i b r a t i o n i nt h et h i r dc h a r p t e r ，t h eb e h a v i o ro fd t bi ss t u d i e di nd e t a i l e db yd i s l o c a t i o nb e h a v i o ri n d u c t i l ea r e a s 也em i c r oc r a c kb c h a v i o ri nd t ba r e a sa n dt h es i n g l em i c r oc r a c kb e h a v i o ri n b r i t t l ea r e a s a m o n gt h e m ，t h em e c h a n i s m so fc r a c kn u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o na r ee x p l a i n e d i nd e t a i l e d i nt h ef o u r t hc h a r p t e r , b a s e do nt h es t u d yo fd t b 也et i t l ed i s c u s s e dt h ec o n d i t i o no f s i m u l t a n e o u sf a i l u r ea n dt h em e c h a n i s ma n dc r i t e r i ao fs e l fe x c i t i n gv i b r a t i o n ：b yt h ea n a l y s i s o f l e a rf i e l di c em e c h a n i c sb e h a v i o ra n dc o u p l i n gp r o c e s so fi c ea n ds t r u c t u r e ，i tp o i n to u t s e l fe x c i t i n gv i b r a t i o nt a k ep l a c ea td t bo fi c ea n dt h em i c r oc r a c kb e h a v i o ri st h ek e yf a c t o r f o rd e s c r i b i n ga n de x p l a i n i n gi c e i n d u c e ds e l fe x c i t e dv i b r a t i o n a n d ，b yt h ep h a s ea n a l y s i so f s e l fe x c i t e dv i b r a t i o n ，t h et i t l ef u r t h e rc o n f i r m e dt h em e c h a n i s ma n dc r i t e r i ao fs e l fe x c i t i n gi n q u a n t i t a t i v e i nt h el a s tc h a r p t e r ，d r i v i n gl o a d i n gt e s ti si n t r o d u c t e d t h i se x p e r i m e n tf u r t h e rc o n f i r m e d 也em e c h a n i s ma n dc r i t e r i ao fs e l fe x c i t i n gp r o d u c e s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：i c el o a d ；s e l fe x c i t i n gv i b r a t i o n ；d u c t i l e - t o b r i t t l e ；m i c r oc r a c k ；s i m u l t a n e o u s f a i l u r e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，t 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：一日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 垂丑旦 导师签名： 型年上月马日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 工程背景 在冰区建立的结构，要考虑结构在冰荷载下产生的失效问题。目前，工程上比较关 心的结构上的冰荷载主要可以分为两种：一种是作用在结构上极值静冰力。确定了极值 静冰力，可以确定结构需要具备多大的静刚度以及强度，保证结构不会被推倒。另一种 是作用在结构上的冰力随时间的变化情况，即动荷载形式，也称交变冰荷载。交变的冰 荷载可以引起结构的振动。只有确定了动冰力的形式，大小以及周期情况，才可以对结 构的振动响应准确评估，确保结构不会因为发生较大振动而破坏。 在抗冰结构的设计发展上，我国在渤海地区进行海上油气田开发的历史并不短，在 6 0 年代就建造了海洋平台。由于当时没有冰区结构设计的经验，导致了海冰推倒平台的 事件。如1 9 6 3 年库克湾两个简易平台被海冰推倒了。7 0 年代在芬兰波斯尼亚湾发生 了多起灯塔被极值静冰力推倒的。1 9 6 9 年冬季我国“海二井 的生活、设备和钻井平台 在极值静冰力推力下倒塌。1 9 7 7 年，“海四井 的烽火台也被海冰推倒位3 在7 0 年代埕 北油田的开发中，又因为没有考虑到渤海湾亚极区的特点而完全采用高纬度地区的设计 经验，导致了海洋平台设计的过于保守，直接影响到油田的开发成本。8 0 年代辽东湾海 洋平台设计中开展了比较系统的冰荷载研究，海冰参数选取及结构形式都比以前有了很 大的改进，使得平台结构的抗静冰力能力设计的比较合理，但是由于考虑到经济性而设 计的平台较柔，平台的冰激振动问题就变的更为突出。因此，如何使得冰区结构既能满 足抗静冰力又能抑制冰激振动问题的要求，就成了目前广大学者关注的焦点。 目前，由于冰与结构相互挤压破坏的复杂性，在极值静冰力与交交冰力引起的冰激 振动方面，人们并不明白极值冰力与交变冰力产生的机理，以至于存在着一些争议而无 法建立准确的力学表达式。为此，广大学者在实验室进行了冰的压缩试验，试验结果表 明，冰在压缩状态下具有应变速率的敏感性和韧脆转变的性质，随着加载速率的增加， 冰从韧性逐渐向脆性转变d 1 。岳等提出冰的极值静冰力以及动冰力的产生原因与冰的韧 脆转变行为有关，但由于缺乏对冰材料破坏机理的进一步研究，目前观点还未被广大学 者所接受。因此，研究冰的韧脆转变行为成为揭示冰力产生原因的关键。另外，在工程 材料的运用上，将冰的研究成果推广到一般材料的应用上，可为材料的失效分析，优化 设计，强韧化等提供先进有效的理论依据。 本文主要在研究冰在挤压状态下的韧脆转变行为的基础上，来揭示极值冰力产生的 与交变冰力产生的条件及原因，为建立相应的力学模型打下基础，服务于工程实际。 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 1 1 1 极值静冰力 极值静冰力主要关注的是直立结构是否会被推倒的问题，目前己成为国际海洋工程 界与学术界关心的热点。但，由于对冰挤压破碎机理的认识不够，目前得到的冰力计算 方法多是基于早期现场试验数据回归得到的经验公式。l o s e t 等( 1 9 9 9 ) h 嘲，w r i g h t ( 1 9 9 8 ) 1 对现有的冰力计算方法进行了整理与综述。总结认为现有的各种冰力计算公 式都承认结构尺寸、冰厚，冰强度，冰速度等参数是影响作用在直立结构上冰力大小的 主要因素。但现有的各个冰力公式之间计算结果相差很大，最大甚至相差1 5 倍。综合 分析目前国际国内有关冰与直立结构挤压破坏的极值静冰力计算模型，在公式构成的形 式上倾向于的表达式为： f = a d h a c ( 1 1 ) 其中，d 为挤压面宽度；h 为冰厚；o 。为冰单轴抗压强度；口为影响冰力的各项因 素的修正系数。它可能代表一个综合修正系数，也可能代表一个分项修正系数。 关于极值静冰力的计算目前存在的问题主要是同时破坏与非同时破坏的争议。所谓 非同时破坏是指冰和结构接触面上各个局部方向的破坏，不同步的，有先有后，只有和 结构发生接触破坏的点才对冰力有贡献。同时破坏理论认为，结构接触面上各处的局部 冰力是同时达到最大，同时发生破坏。同时破坏与非同时破坏直接导致的结果就是上述 式中口值的不同。 对于非同时破坏，研究者认为由于非同时破坏效应的存在( a s h b ye ta l ，1 9 8 6 ) 口1 ， 结构上( 尤其是宽大结构) 的名义冰压力将随着冰与结构接触面积的增大而减小。 s a n d e r s o n ( 1 9 8 4 ) ，b l a n c h e t 等( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 阳枷，w r i g h t ( 1 9 9 4 ) n 们等从现场试验得到的 数据中，都发现了这种现象的存在。他们根据各自的发现，建立了相应的冰力计算公式。 由于这些冰力公式来源于不同的现场试验数据，因此这些结论彼此之间缺乏一致性。同 样是对尺寸效应( s i z ee f f e c t ) 的考虑，他们分别认为冰力应该是冰与结构接触面积， 结构宽度及冰厚度的函数。b l a n c h e r 和d e f r a n c o ( 2 0 0 1 ) 1 综合分析了这些现场试验数 据的适用范围，给出了适用于各种结构尺度的冰力分段计算方法。 s o d h i 等( 1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) n 21 3 9t a k e u c h i 等( 2 0 0 2 ) n 钔，b j e r k a s 等( 2 0 0 3 ) 坫1 ，s h k h i n e k ( 2 0 0 1 ) n 6 1 在近年开展的试验中注意到，冰在低速运动挤压破碎时的冰压力要大于冰速较 快时候。s o d h i 还发现，当冰与结构之间相对速度很慢发生挤压破碎时，冰与结构之间 是一种全面积的接触。这时候很可能没有非同时破坏的现象。因此这种慢冰速的冰荷载 会在结构上产生最大冰力，且要大于现有公式的计算结果。 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 我们在渤海直立柔性窄结构上，利用现场测量的压力盒数据，也得到了同时破坏的 证据n 7 1 ，并提出冰与结构发生挤压破坏时，冰的韧性破坏和韧脆转变区间的破坏属于同 时破坏，脆性区间的破坏属于非同时破坏。所以要验证同时破坏的存在性并确立相应的 极值冰力，首先必须对冰的韧脆转变机理进行详细的分析，而后解决实际的工程问题。 1 1 2 交变冰力 交变冰力是冰与结构相互作用的破坏过程中形成的，交变冰力关注的焦点是冰引起 结构的振动问题。自上世纪六十年代，在美国阿拉斯加库克湾n 叩的石油平台上观测到冰 致结构振动现象后，对冰与直立结构作用形成交变载荷的原因目前存在两种不同的观 点：一种观点认为，冰在挤压破坏中形成了确定的破碎尺寸，一旦冰的参数如冰速、冰 厚等确定了，冰将以自身固有的“特征频率 破碎。另一种观点则认为冰力周期受到 结构的控制，即结构冰振是一种自激振动，其中芬兰学者m 萏乱t a n e n n 钔提出了自激振动 模型，认为模型中的负阻尼与冰的单轴压缩强度一应变速率曲线中的负斜率有关。但许 多学者对是否存在冰致自激振动持质疑的态度，主要原因在于缺少有说服力的观测数 据及令人信服的机理解释。瑞典学者e n g e l b r e t s o n ( 1 9 7 7 ) 乜妇与芬兰学者k a r n a 伫2 1 ( 1 9 9 0 ) 通过对波罗的海波斯尼亚湾的灯塔与航标冰振测量中，提出冰与直立结构振动可以存在 不同的冰力与结构振动模式。由于当时测量数据并不十分完备，所以没有引起足够的重 视。y u ea n db i ( 2 0 0 0 ) 在对渤海三腿直立石油平台的冰振测量中，也发现与直立结构 作用可以有不同的振动模式，并提出冰在挤压破坏过程随冰速变化存在不同的冰力模 型，即随着冰速度的变化，可以产生三种不同的冰力行为，分别引起结构的准静态振动、 稳态振动和随机振动。 岳等在现场观测及室内实验的基础上进一步指出c z 3 ，危害最为严重的冰致结构的稳 态振动属于自激振动，并提出自激振动发生在冰的韧脆转变区，韧脆转变区的微裂纹行 为是揭示自激振动的关键。指出，冰与结构相互作用时，冰与结构同向运动运动的过程 中，冰所受的加载速率较小，冰内形成大量的微裂纹；冰与结构反向运动的过程中，冰 所受的加载速率较大，先前形成的微裂纹失稳贯通，冰破坏。自激振动产生的原因就是 因为冰与结构同向及反向运动过程中冰对结构输入能量的不同，而输入能量的多少是由 于韧脆转变区的微裂纹行为的不同引起的。因此，要研究自激振动的产生原因，发生条 件，以及在此基础上建立相应的力学模型与振动方程，我们就必须对冰的韧脆转变行为 进行分析。 3 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 一j 图1 1 冰与平台结构作用示意图 f i g 1 1 s k e t c ho fi c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 1 1 3 工程材料 材料韧性与脆性行为及其转换机制是断裂物理和力学的关键科学问题之一。将材料 的韧脆转变与材料科学、物理学相结合，通过引入材料细观或微观结构、变形物理机制 和损伤几何构形，提示材料在不同尺度上性质的关联，建立宏、细、微观之间的结合， 具有重要的理论意义和应用价值，它将为材料强韧化、材料设计和优化、失效分析等提 供先进有效的理论工具。国际上从8 0 年代以来在细观力学、界面力学、细微观计算力 学及原子层次断裂机理上取得了重大的学科性突破，并已逐步有效地指导材料强韧化设 计和新型结构材料的研究。9 0 年代以来物理学科和力学家围绕着韧脆转变这个挑战性问 题进行了大量的研究与探讨。 几乎所有的材料都具有韧脆转变的特性，但由于韧脆转变区的范围即窄又很难在自 然状态下发生，因此，对于大部分材料来说，常态下只是呈现出极端的韧性或脆性，对 一般材料韧脆转变特性的观测是比较困难的。 冰作为一种多晶材料，不仅具有一般材料所具有的性质，而且它透明可见，廉价。 到目前为止，已有很多人对冰做了实验，虽然因为冰的的温度、冰的结构以及加载方向 等因素的影响，而使实验结果有些不同，但国内外研究结果都证实了韧脆转变的存在。 在加载速率较低时，它具有金属在高温时的非线性流变行为，并呈韧性破坏。在加载速 率较快时，因为冰不具备完整的滑移系，所以它抵抗开裂的能力有限，故表现出脆性破 坏的力学行为。在加载速率处于中速时，它呈现韧脆转变的特性。冰在不同的加载速率 下表现为不同的性质，这在其它材料中也存在。因此，以冰为载体，对冰进行韧脆转变 的研究，将冰研究成果推广到一般的材料行为中，不仅可以解决很多实际工程问题，促 进国民经济的发展，而且对固体力学的发展也会起到很大的推动作用。 由此可见，对冰韧脆转变行为进行研究，并将其应用到工程实际，不仅是确定极值 冰力与交变冰力，建立冰致自激振动模型与方程关键所在，也是对普遍材料韧脆性研究 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 的一种推动。而对渤海柔性窄结构来说，一旦确定了其极值冰力及自激振动时的交变冰 力，将对冰区柔性结构的设计产生重要的影响，结构的经济性，实用性，抗冰振性能都 将得到实现。 1 2 研究现状 1 2 1 冰力学行为研究现状 冰荷载是由于冰与结构相互作用过程中，结构附近冰板的破坏过程形成的。无论极 值荷载还是交变荷载，要明白其产生的原因，给出合理的表达式，首先要对冰的力学行 为有比较全面的了解。 冰力学行为研究分为常规的冰力学行为实验研究与冰的破坏机理研究。关于冰的常 规力学行为研究，也是从上世纪六十年代，大规模开发寒区资源后，人们开始对冰的力 学行为进行比较广泛的研究。冰力学行为研究的主要驱动力是解决冰区抗冰结构的冰荷 载问题，同时也对其它冰问题，如海冰的运动的模拟，以及冰材料的晶体结构等。 我国自1 9 6 9 年渤海发生海冰灾害后，开始了现场海冰调查，8 0 年代初，由大连海 洋环境保护所成立的海冰研究室，开展了现场海冰力学行为实验研究。随后，大连理工 大学沈梧教授承担了国家“六五”重大项目“海洋工程中的关键力学问题 ，建立了国 内第一个室内冰力学实验室，对海冰力学行为及实验方法进行了比较系统的研究。进行 了海冰的拉伸、单轴无侧限压缩、有侧限压缩、弯曲、剪切、断裂韧性及弹性模量测量 等，这些指标都是冰荷载研究的基本参数，因为冰与结构相互作用过程可以出现这些力 学行为。 关于冰力学行为研究发表的论文比较多，大致分为两类文章。一类是冰的各种强度 指标实验，或称冰的常规力学性能实验研究。早期人们大都采用其它工程材料的力学性 能实验方法，借鉴了岩石、混凝土材料的实验方法，后来随着研究的不断深入，人们发 现冰的性能对温度、速度极为敏感，对试样的采集、制作、加载方法都需要做特殊的考 虑。国际水利学会冰学组织对冰力学行为实验做出的相应的建议标准。总结关于冰基本 力学行为的研究成果。 在常规冰力学行为研究基础上，人们还把注意力集中在冰的非线性流变行为、冰的 脆性断裂力学行为，微裂纹损伤行为及冰的韧脆转变行为。这些力学行为显示了冰所特 有的力学行为。 由于冰的破坏行为是冰与结构相互作用问题研究的关键，在研究冰与结构相互作用 过程中，人们越来越认识到，要揭示冰荷载，建立冰力模型还要对冰的力学行为做深入 的研究。人们已经基本了解到，冰力学行为的一些特殊性。首先它是种的晶体材料， 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 但因为冰不具备完整的滑移系，所以它抵抗开裂的能力很低，是一种典型脆性材料，冰 的拉伸强度很低，其单轴拉压强度比大约为l 1 0 冰的断裂韧性也非常小，只有金 属材料的于分之一但是，由于在自然状态下冰接近于它的熔点温度，故也称为相对高 温材料。由于冰在挤压破坏下的韧脆转变行为，研究冰在挤压状态下的破坏，其实也就 是研究冰的韧脆转变行为。 关于冰韧脆转变的机理已经有许多研究许多学者从不同的角度开展的研究。分析大 量的研究表明，冰在低应变速率到高应变速率经历了四个过程： ( 1 ) 在极低的应变速率下，当加载速率小于冰的位错速率时，冰内部的位错可以进行 充分滑移，这时冰表现为理想的粘塑性材料。 ( 2 ) 随着加载速率增加，如果加载速率大于冰的位错速度，一部分位错将不能充分滑 移，出现部分的位错塞积，导致了出现微裂纹，但大部分位错可以充分滑移，总体还是 以位错破坏为主，这时称为位错控制型的韧性破坏。 ( 3 ) 当加载速率进一步加快，大部分位错不能充分滑移，而导致微裂纹，冰最终以密 集微裂纹汇集成宏观裂纹而破坏，则称为稳态裂纹控制的韧性破坏。 ( 4 ) 当加载再增加时，冰内部的微裂纹一旦出现就立即扩展，即冰的破坏为脆性破坏。 但是定量的分析各个阶段的力学行为是比较困难的，由于冰的位错与解理都很容易发 生，并且都对温度与速率非常敏感，这使得描述冰的本构关系与强度准则非常困难。冰 力学试图观测与掌握冰位错与开裂的规律。这些工作在解释冰的韧脆转变行为中已经取 得了很大的进展，但是还没有很好地应用于冰与结构相互作用过程中，特别是解释动冰 力问题。 1 2 2 韧脆转变行为的研究进展 冰在自然界中是一种特殊的材料，它本身具有多晶材料的普遍特征，晶内包含了几 乎所有的晶体缺陷( 点缺陷，位错，晶界等) ，又廉价，透明可视。因此长期以来一直受 到材料学家与自然科学家的重视。在对冰的研究中，材料学家着重于从微观方面，也即 是从冰的晶体结构，微观缺陷等方面，利用试验研究的方法进行冰形变与破坏的微观观 察，进而进行理论分析研究。力学家们则着重于从宏观方面，也即是冰的弹性，塑性， 蠕变，断裂等方面，利用试验与理论分析的方法对冰的连续性行为及断裂行为进行研究。 ( 1 ) 试验研究： 在对冰的宏观力学实验方面，到目前为止，已有很多人对冰做了实验，虽然因为冰 的的温度、冰的结构以及加载方向等因素的影响，而使实验结果有些不同，但国内外研 究结果都证实了韧脆转变的存在。见图5 1 。在低应变速率下( i 区) ，冰发生流动变 形( 蠕变) ，其破坏是塑性的：在高应变速率下( i i i 区) ，冰变形很小，且应力应 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 变曲线基本呈线形，其破坏形式是脆性劈裂；处于两者之间的即为韧脆转变区( i i 区) ， 其破坏的特征是有塑性变形及较多的微裂纹存在，或剪切破坏，或局部有劈裂破坏。冰 在韧脆转变处的强度最高。g o l d ( 1 9 7 2 ) ，h a w k e sa n dm e l l e r ( 1 9 7 2 ) ，h a y n e sa n dm e l e r ( 1 9 7 7 ) ，s h i n a ( 1 9 8 1 ) 删均指出应变率在1 0 4 1 0 4 s 1 范围内冰的压缩强度有韧脆转变， 这个数据目前基本被国际上所接受。 1 2 冰的应变速率敏感性示意图 f i g 1 2 s t r a i nr a t es e n s i t i v i t yo fi c e 而且在实验的过程中，已有不少学者已经认识到冰内部微裂纹的演变规律是导致从 韧性破坏到脆性破坏的重要因素，当应力超过某一临界值，微裂纹便开始形成，随着载 荷的增加，微裂纹开始扩展，最终使材料发生失稳断裂。鉴于对微裂纹的认识，一系列 的对裂纹的实验研究也相应展开，早在六十年代g o l d ( 1 9 6 0 ，1 9 7 2 ) 啪啦3 就对外载作用 下的冰裂纹进行过观察。指出，当应力超过某一临界值，裂纹开始形成于晶粒内部或邻 近晶粒，这些裂纹通常很小，并在晶界处相连。在纯净柱状冰的蠕变实验中，他观察到： 在给定的应变率下，裂纹密度是应力的函数，冰裂纹密度随着加载应力的增加而增加。 那时，也只是在实验中发现了微裂纹，并没有把微裂纹的活动应用于冰的韧脆转变行为 研究。c o l e ( 1 9 8 6 ) 啪3 利用单轴压缩实验和切片方法定量的测量了粒状冰的密度与冰晶尺 寸的关系，c o l e 的工作是冰裂纹观测的一个里程碑，第一次对裂纹进行了量化描述。 n i x o n ( 1 9 9 2 ) m 利用这种方法对纯净柱状冰进行了中截面裂纹数目统计，观察到裂纹 几乎无一例外的沿着晶粒边界萌生并且主要沿着加载轴排列。 大连理工大学冰力学实验室在n i x o n 工作的基础上对中截面上的裂纹长度、密度进 行了量化，使切片法的用途得以扩展。下图即为卸载以后，纯净冰试样在切片前( 图左) 和切片后的中截面( 图右) 的照片。从中可以清晰的观察到裂纹的方位、分布、和尺寸。 7 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 ( 8 ) i3 多晶冰试件中的裂纹 f i g l3c r a c k i n p o l y c 叮s t a l l i n c i c e 另外，利用多样的加载及精确的测量设备来观察实验现象，以及利用一些高科技手 段来观察试验现象等都是一种趋势。比如；利用切片观察，c r 扫描，电镜等一系列手段。 利用电学方法改变点缺陷群，及监视裂纹形成；使用同步加速嚣放射源直接观察滑移等。 ( 2 ) 理论方面： 理论研究方面，主要有以下几种趋势：基于位错理论建立韧脆转变的微观模型以 及给出相应的判据。o 从微裂纹着手，从细观力学方面研究微裂纹的演化过程，从而对 韧脆转变进行理论的分析。o 建立起冰的宏观本构模型。 在微观方面的研究上目前的趋势注重将对一般多晶材料的研究应用到冰上。微观 研究最具有代表性的有：r i c e 和t h o m s o n ”4 提出的裂纹尖端位错发射与解理断裂的竞 争机制。该模型的基本思想是材料在外部荷载作用下形成内部裂纹。裂纹在受力后有两 种演化可能：1 、沿着裂纹面解理断裂，这时裂纹尖端保持原子级尖锐。2 、位错胚的发 射，导致裂尖钝化。如果裂纹发射位错( 其i 临界应力强度因子为k ，。) 比解理扩展( 其临 界值为k - 。) 更容易，即k i e kz 。则裂纹首先解理扩展，从而脆断。p e i e r l s 提出的失稳堆垛能控制的韧脆转变模型。o 以热激活促进位错运动为控制的位错可动性 控制模型。在细观方面，就是以微裂纹为中心，从微裂纹的观测，形核，扩展来研究韧 脆转变，认为微裂纹的稳态扩展与失稳扩展是揭示韧脆转变的关键，进而一些学者如 z e n e r ，c o l e 等就从裂纹的形成过程来研究，也有学者直接从力学角度对其裂纹的行为 进行探讨。在宏观方面，则注重于从力学方面建立韧脆转变的模型。 任晓辉。在冰的韧脆转变行为研究上，她基于r i c e 和t h o m s o n 提出的裂纹尖端位 错发射与解理断裂的竞争机制的观点，从微观，细观以及宏观三方面对韧脆转变点进行 大连理工大学硕士研究生学位论文 了详细地说明，并且在前人工作的基础上，对细观的微裂纹行为的形核及扩展进行了探 讨，但由于微裂纹行为的复杂性，她的工作是给出了裂纹行为的一个大致轮廓，裂纹在 韧脆转变区间的具体活动仍是不清楚，具体的内容还需大量的工作来补充。 1 3 本文研究内容 在冰区抗冰结构的设计中，冰荷载的研究是瓶颈问题。而目前对冰荷载的研究 可分为极值冰力与交变冰力。极值冰力研究的焦点主要是冰与结构挤压作用时的同时破 坏与非同时破坏问题，破坏形式的不同直接导致静冰力结果的不同。交变冰力研究的热 点是对结构有着严重危害的冰激自激振动问题，其是否存在以及产生的原因，相应的力 学模型等都没有解决。而这些问题都与冰的韧脆转变行为有关。因此要解决以上问题， 就必须先冰材料的韧脆转变问题进行着手，进而给出其工程应用。本文依据这个思想， 可分为以下几个方面的内容： 第一部分：本部分首先对冰区结构冰荷载的研究现状给出了分析，指出了极值冰力 与交变冰力研究的关键与热点问题。指出这些问题的解决与冰的韧脆转变破坏行为有着 很大的关系。进而给出了冰韧脆转变研究的现状以及我们要进行研究的重点。 第二部分：冰现场原型结构的检测以及室内试验的分析总结。本部分首先给出了渤 海平台现场监测情况以及分析结果：随着冰速的增大，冰与结构相互作用时产生三种振 动形式，指出其中冰致稳态振动属于自激振动，准静态振动和稳态振动时的破坏属于同 时破坏。为解释自激振动及同时破坏产生的原因，对冰与结构挤压破坏的现象进行了室 内试验的总结分析。 第三部分：冰从韧性向脆性转变过程行为的研究。在总结前人研究成果的基础上， 对冰韧性区的位错行为，韧脆转变区的微裂纹行为及脆性区单个裂纹行为进行了探讨。 第四部分：冰荷载的研究。在极值冰力方面：基于现场的观测结果与理论分析，对 同时破坏产生的条件，原因以及静冰力分析方法进行了简单讨论。交变冰力方面：对自 激振动的机理与判据进行了研究。首先通过对冰与结构相互作用时的近场冰行为的详细 分析以及冰与结构耦合过程的分析，定性说明了冰在韧脆转变区的微裂纹行为是产生自 激振动的原因。其次对现场监测得到的冰力结构响应曲线进行了详细的相位分析，定量 的验证了冰致自激振动发生的条件。 第五部分：主动加载试验：为弥补现场监测的缺点，验证理论分析的结果，本部分 进行了室内主动加载试验。通过对实验数据以及现象的分析，进一步验证了自激振动发 生在冰的韧脆转变区，微裂纹行为是其产生的原因 9 站的韧脆转变行为研究及其工程应用 2 实验研究 21 现场原型直立结构的测量 对海洋结构上的冰激振动及冰荷载研究，在原型结构上进行的现场测量结果是 最具有说服力的数据。现场原型结构实验不存在冰材料物理相似与结构模型的动力相似 性问题，可以获得真实的观测数据。因此，国际上各国的海洋结构冰荷载确定方法主要 是依据现场试验得到的结果。但由于冬季海洋工况的复杂与恶劣，试验条件难以人工控 制，难以得到完备的数据。原型测量具有很大的难度。国际上成功开展的测量工作并不 多见，有些现场测量由于商业原因，数据仍然处于保密阶段。 211 冰荷载及冰激振动的测量 为了研究作用在海洋结构上的冰荷载，我们在渤海j z 9 - 3 海域的g c p 平台，肋p 系 缆桩以及j z 2 0 一2 海域的3 座平台，建立了完备的原型结构冰荷载测量系统，进行了长 期的现场冰荷载测量实验。2 0 0 0 年以后由于中南平台安装了破冰锥体，直立结构上的 冰荷载监钡4 主要在j z 9 3 海域开展。j z 9 3 海域的平台主要由西区的j z 9 3 生产、生活 平台，彻p 1 ，2 系缆桩以及2 0 0 3 年新建的g c p 平台组成。 羹；：囊篚萋妻薹誊j ：釜羹曼姜 图21j z 9 3 西区生活、生产平台及蚍 l ，2 系缆桩 f 培21j z g - 3 d r p p l 删- 眦a n d m i ) p i ，2 m n 丑g p o l e j z 9 3 海域水深较浅，平均深度为l 加。j z 9 3 生产、生活平台均为圆台一圆柱形桩 基沉箱结构。考虑抗冰及储油需要，圆台设计为锥面结构。锥角5 8 6 ，锥顶直径为2 8 m 大连理工大学硕士研究生学位论文 和3 4 m 。由于结构刚度较大，水深较浅，这两座平台受冰的影响较小。冰荷载，冰激振 动测量主要集中在m g p 系缆桩及g c p 平台进行。如p 1 ，2 系缆桩是为了辅助油轮外输在 主平台两侧而建的系缆小平台，结构为单腿平台。m d p i 桩腿的直径是15 m ，平台水上 部分高1 0 m 。通过4 0 m 的栈桥与主平台相连。栈桥与平台上部为滑动铰连接。平台上部 质量为3 4 吨，导管架质量为8 0 吨。f i ) p 2 与m d p i 结构基本相同，如图2 2 所示。 图22j z 9 3 平台m d p i 系缆桩 f i g t u - e 2 2 m d p im o o r i n g p m e o f j z 9 - 3 圈23j z 93 海域g c p 压缩机平台 f i g u r e 2 3 g c pp l a f f o m o f j z g - 3o f i e l d j z 9 3 一g c p 平台建造在j z 9 3 9 1 t 鲫平台旁边，两者用栈桥相连，如图2 1 所示。其主 要功能是将开采的天然气加压输送到下一处理流程。因此甲板上布置有很多天然气管线 及法兰。j z 9 3 g c p 平台导管架为4 腿直立结构，桩腿直径12 m ，水深一0 5 m 。导管架分 为三层，高程分别为- 85 、一18 m 和+ 5 0 t 【1 。在一85 至一18 m 之间有设有斜撑，直径为 0 6 1 m 。导管架工作点高程为e l ( + ) 7o m ，主甲板高程为e l ( + ) 1 3 5 。导管架重量为 1 2 5 吨，上部设施重量为3 0 0 吨。 从2 0 0 0 年开始，我们在j z 9 3 m d p 系缆桩上开始了对结构振动及冰荷载的监测，2 0 0 3 年振动监测又加入了新投产的c c p 平台。检测内容主要包括：冰力；结构振动的位移响 应，加速度响应；冰速；冰的破碎过程；对应的监测工具分别为：压力盒，拾振器，摄 像头。其中，压力盒用来直接测量冰力，它安装在冰与结构作用位置：拾振器用于测量 结构的振动响应，根据测量目的的不同，该系统可以测量速度、加速度和动位移三种物 理量。为了测量结构不同方向水平振动、扭转振动，在平台的每层甲板布置3 个抬振嚣， 测量每层甲板的响应情况。在本文的测量中，考虑到栈桥对平台振动的影响，在m d p ， 冰的韧脆转变行为研究及其工程应用 桥以及d r p 平台上都布置了拾振嚣，以考察这几处振动的相互关系：摄像头用 采记录冰与结构相互作用时的破碎过程；冰速的测量是人工观测与录像记录估计结合进 行的。 j z 9 3 海域的压力盒冰力测量主要在m d p i ，2 系缆桩进行。考虑到潮差影响，压力 盒设计为上下两排，每个压力盒高为6 2 c m 宽为2 7 c m 。压力盒有效测量高度为1 2 4 c m 。 由于压力盒中的上下传感器采用串联方式接到一起，因此保证了压力盒冰力测量结果不 受冰作用位置影响。压力盒的安装和就位效果如图24 所示。 盒 f i g u r e 2 4i c e l o a d p o n d s i a s m l l e d o dj z 9 - 3 m d p m o o 血g p o l e 曲i m t a l l a d o n o f t h e l o a d p a n e l s b l i c e l o a d p a n e l so ds i t e 在对m d p 及g c p 平台的测量中，都采用了视频摄像头对冰与桩腿或者压力盒的作用 过程进行了监视与录像。记录了与冰荷载，振动数据同步的冰破碎过程。如p 系缆桩上 布置的冰荷载与冰激振动监测系统如图25 所示： 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 5j z 9 - 3 m d p 系缆桩上的冰荷载冰激振动监测系统示意图 f i g u r e2 5 s k e t c ho ft h ef u l ls c a l em e a s u r e m e n t ss y s t e mo nj z 9 3 v l d pm o o r i n gp o l e 2 1 2 监测结果及分析 本文的监测数据主要来自于3 2 9 - 3 的单腿m d p 一1 系缆平台，通过连续多年的现场测 量表明，当不同速度海冰与柔性直立结构作用挤压破坏时可以形成三种不同的冰力形式 口副。在冰速很慢时，出现准静态冰力，随着冰速增加又会出现导致结构稳态振动的冰力， 随着冰速继续加快，则为导致结构随机振动的冰力。我们用冰厚大约1 0 c m 范围内的测 量数据描述这几种特性：在冰速很慢时，发生准静态振动，出现准静态冰力；随着冰速 增加又会出现导致结构稳态振动的冰力；冰速继续加快，则产生导致结构随机振动的冰 力。当发生准静态振动和稳态振动时，冰力是沿结构同时破坏的，发生随机振动时，冰 力沿环向是非同时破坏的。 ( 1 ) 准静态振动 当冰速较慢( 现场实测小于2 c m s ) 时，准静态振动发生。所谓准静态振动是指冰力 周期远远大于结构振动周期，如图所示，冰力周期大约是结构振动周期