基于离散元法的海洋结构冰荷载分析

摘要

近年来，随着海洋油气开发逐渐涉及到寒区领域，冰区海洋工程受到了越来越多的关注。海洋结构在冰区能否安全工作在冰区工程上是首要关心的问题。为了保证冰区海洋结构的安全性，需要对海洋结构冰荷载及其影响因素进行深入研究。
　　海冰与海洋结构相互作用是一个十分复杂的过程。海冰参数如海冰的类型、强度、厚度、速度等及结构参数如结构形状、尺寸、刚度等都会对这一过程产生重要影响。本文首先介绍了海洋结构冰荷载研究的背景及涉及的主要问题，在实验研究、理论分析和数值模拟三个方面对国内外海冰与结构相互作用的研究情况进行了总结。分析了海冰与直立体海洋结构、锥体海洋结构作用时的原理、形式、破坏机理等，对各结构冰力特点进行了说明。在数值模拟方面，对离散元方法进行了简要的介绍。
　　对海冰的物理力学性质进行了研究与总结，分析了海冰密度、温度、盐度和卤水体积等参数对海冰力学性质的影响以及海冰强度参数如压缩强度、弯曲强度及剪切强度对海冰动力过程的作用。
　　在明确海冰物理力学性质的前提下，建立了海冰离散元模型，阐述了海冰离散元的基本原理。给出了海冰离散元的接触模型、粘结模型、断裂模型、水动力模型等海冰力学模型和结构模型如柱体单元、锥体单元和三角形单元。
　　运用海冰离散元模型，对汉堡冰池的锥体实验，Jz20-2MUQ平台抗冰锥与平整冰与相互作用过程，及平整冰与船体相互作用的过程进行了数值模拟。分析讨论了海冰厚度、速度及温度对冰力结果的影响。通过对汉堡实验的模拟，对实验结果与计算结果进行了对比，验证了计算结果的准确性。通过对破冰船的模拟，论证了海冰离散元方法用于复杂海洋结构模拟的可行性。
　　最后，讨论了海冰离散元方法在海冰荷载研究应用中存在的问题。