автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Методы упрочнения и разрушения ледяного покрова для обеспечения безопасности мореплавания на водных путях сообщения в Арктике

Государственная морская академия имени адм.С.О.Макарова

МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ НА ВОДНЫХ ПУТЯХ СООБЩЕНИЯ В АРКТИКЕ

Специальность: 05.22.17 - водные пути сообщения и гидрография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Для служебного пользования Экэ.№.£

На правахрукописи.

Т АРТАКОВСКИИ, Алексей Владимирович

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Государственной морской академш им.адм.С.О.Макарова

Научный руководитель-доктор техн. наук, проф. Томсон В.В. Научные консультанты:

доктор техн. наук, проф. Рябинин А.Г.; кандидат геогр. наук, доц. Латухов C.B. Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, проф. Неронов H.H.; доктор геогр. наук, проф. Захаров В.Ф. Ведущая организация - Государственное гидрографически предприятие Министерства транспорта РФ

Защита диссертации состоится «/6 » ÇO^S/Э1999 года ; /О часов в аудитории № 216 на заседании диссертационног Совета Д.101.02.02 при Государственной морской академи: им.адм.С.О.Макарова по адресу: 199106, Санкт-Петербург, Ко сая линия, 15а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печа тью учреждения, просим направить по вышеуказанному адрес на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан «cys^- 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцешг А.Прокофьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В последние годы ледовое плавание в нашей стране получило дальнейшее развитие. Значительно увеличился навигационный период на Северном морском пути, а на большой акватории Карского моря ледовые операции осуществляются в круглосуточном режиме. Значительно возросла как протяженность ледовых трасс, так и их сложность. В ходе осенне-зимней навигации судоводители постоянно сталкиваются с особо опасными явлениями, в том числе и чрезвычайными, которые необходимо учитывать в ледовом плавании при проведении морских операций.

Традиционно в системе транспортного обеспечения Арктики важная роль отводится морскому флоту, использующему для перевозки акваторию Северного морского пути, то есть совокупность природных и морских судоходных трасс, пролегающих от Новой Земли до Берингова пролива. Западные и восточные границы Северного морского пути установлены в соответствии с максимально возможным распространением льда в арктических морях в летний период года. С учетом указанных границ общая протяженность навигационных трасс по Северному морскому пути колеблется в зависимости от вариантов плавания и составляет 3,0-3,5 тыс. миль. 3 связи с неблагоприятными гидрографическими и гидрометеорологическими условиями в арктических морях для обеспечения судоходства на Северном морском пути исторически сформировались специальные научно технические средства и службы: ледокольный флот, суда ледового плавания, опорные портовые базы, средства связи, навигаци-онно-гидрографическое обеспечение, научно-операционное гидрометеорологическое обеспечение, авиационное обеспечение, средства контроля и предотвращения загрязнения арктических вед, научное обеспечение и т.д.

Гидрографические и гидрометеорологические особенности арктических путей обусловили необходимость проведения широкоплановых научных исследований в области морского судоходства. В настоящее время сформировалась совокупность конкретных направлений исследований, связанных с техническими, экологическими, эксплуатационными и экономическими аспектами арктического судоходства, которые в различной форме нашли отражение в современной отечественной и зарубежной на-

учной литературе. Однако, до сих пор комплексное освещение развития системы Северного морского пути еще недостаточно с позиции эффективности организации транспортного процесса и общей тактики ледового плавания. Не решены многие вопросы, связанные с аварийно-спасательным обеспечением судов, работающих во льдах и оказавшихся в чрезвычайных ситуациях, когда необходимо оперативно решать задачи связанные с разрушением ледяного покрова или, наоборот, с его усилением при экстренной разгрузке судна на лед, укрытием грузов и людей на открытых ледяных полях.

Как известно, эффективность арктического судоходства существенно зависит от гидрографических и гидрометеорологических, и прежде всего, лёдовых условий, а также от планирования, организации и проведения морских операций.

Пространственно-временная неравномерность распределения различных свойств ледяного покрова существенно влияет на скорость плавания ледоколов и транспортных судов и тем самым определяет время транспортировки грузов в Арктике, а существующая нерешенность многих задач тактики ледового плавания, особенно в чрезвычайных ситуациях, определяет ту или иную степень риска при проведении морских операций и тем самым безопасность жизнедеятельности экипажей судов и экологическую безопасность арктического региона. Подводя итог вышесказанному, можно констатировать, что актуальность данной работы определяется тем, что на базе накопленного почти за столетие огромного теоретико-экспериментального материала о свойствах морского льда и результатов многолетних научных изысканий и разработок, полученных в диссертации, решаются задачи связанные с упрочнением и разрушением ледяного покрова для обеспечения безопасности мореплавания на водных путях сообщения в Арктике. Работа выполнена в соответствии с целевой научно-технической программой на 19962000гг «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» Министерства общего и профессионального образования РФ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - решение комплекса прикладных инженерных задач ледоведения, связанных с разрушением и усилением ледяного покрова, для обеспечения безопасности морских операций в Арктике.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в разработке математических моделей разрушения и упрочнения ледовых покрытий для обеспечения безопасности плавания в Арктике при нахождении судов в аварийном состоянии или условиях чрезвычайных ситуаций; разработке нового способа повышения несущей способности ледовых покрытий для оперативного развертывания причалов на кромке льда и ледовых дорог вглубь ледяных полей; новых конструкций ледяных защитных сооружений из армированного льда и выполнения гидрографических работ со льда.

Проведенные лабораторные и полевые испытания позволяют сделать выводы о достоверности выполненных исследований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что были разработаны методики оценки степени рационального разрушения ледовых покрытий и повышения при необходимости несущей способности льда для устройства ледовых причалов, ледяных дорог, жилых и хозяйственных ледяных каркасных сооружений. При равной несущей способности ледовых покрытий стоимость работ по усилению льда по сравнению с традиционными способами удалось снизить на 10-15%, а время в 2,5-3 раза. Это позволило выработать рекомендации по комплектации и аварийно-спасательному обеспечению судов, работающих во льдах, что резко снижает степень риска при организации и проведении морских операций в Российском секторе Арктики в соответствии с Полярным Кодексом.

Основные результаты исследований реализованы в ОКР и НИР Института экологии полярных стран Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭВ) , Отделения проблем безопасности Петровской академии наук (ПАНИ) , а также в практической деятельности ряда промышленных организаций и фирм: АООТ «Гидроспецфундаментстрой», АООТ «Промбурвод» и ряда др. Внедрены в учебный процесс: ГМА им.адм.С.О.Макарова, ВАТТ, НГМА, СПб ГИЭА и др.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Межвузовском научно-техническом семинаре «Проблемы применения новей техники и технологий для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г.Санкт-Петербург, ГМА им.адм.С.О.Макарова, 1996г.); Всероссийской межвузовской НТК «Проблемы применения новой техники и технологий для предупреждения и ликвидации последствий чрезвы-

чайных ситуаций на транспорте» (г.Санкт-Петербург, ГМА им.адм.С.О.Макарова, 1996г.); НТК профессорско-

преподавательского состава ГМА им.адм.С.О.Макарова (г.Санкт-Петербург, 1996-1998гг.); заседании Отделения проблем безопасности Петровской академии наук (г.Санкт-Петербург, 1996г.);'заседании ученого Совета Института экологии полярных стран Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (г.Санкт-Петербург, 1998г.); НТС факультета военного обучения ГМА им.адм.С.О.Макарова (г.Санкт-Петербург, 1998г.); а также научно-технических семинарах Арктического факультета ГМА им.адм.С.О.Макарова (г.Санкт-Петербург, 1997-1998гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационного исследования опубликовано 17 печатных работ, из них 1 монография в 2-х частях и 3 авторских свидетельства.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 148 с. машинописного текста, 71 рис., 36 табл., 121 наименований использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ИТтеДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, определена научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ ледового плавания в Российском секторе Арктики в период наибольшего развития ледяного покрова и в период замерзания морей и нарастания толщины льда. Представлена современная концепция отечественного развития специализированной ледовой информации для мореплавания в Арктике. Анализ эксплуатационной деятельности морского транспорта в этих районах показывает, что начиная с 60-х годов начался новый этап развития ледового плавания на трассе СМП. Интересы хозяйственной деятельности потребовали существенного расширения навигационного периода в арктических морях вплоть до организации круглогодичной регулярной доставки грузов на отдельных направлениях перевозок. В свете поставленных задач изменилось отношение к ледяному покрову. Запросы практики обусловили необходимость целенаправленного изучения ледяного покрова непосредственно на

путях плавания, разработки приемов количественной оценки его влияния на судоходство. Причем, изучение ледяного покрова как среды судоходства охватывает следующие основные вопросы: особенности распределения характеристик ледяного покрова, оказывающих заметное влияние на судоходство, непосредственно на путях плавания судов в различные сезоны года; взаимосвязь условий плавания на основных и перспективных судоходных трассах с общим распределением льдов в арктических морях; зависимость скоростей движения ледоколов и судов различного типа в условиях эксплуатации от характеристики ледяного покрова по пути плавания; общие принципы учета ледовых, гидрографических и гидрометеорологических условий при составлении навигационных рекомендаций; аварийно-спасательное обеспечение судов, работающих во льдах и т.д. Важнейшей проблемой в настоящее время становится ледовая аварийность, вызывающая прямые убытки от технических повреждений транспортных средств, что приводит к другим, не менее серьезным, потерям. Возникают простои транспортных судов в период ликвидации ледовых повреждений. Ремонтные работы отвлекают мощные и дорогостоящие ледоколы, что увеличивает потери времени других судов из-за вынужденного ожидания ледокольной проводки. Суда, получившие ледовые по-р.ррудр^^ я { необходимо о т1 з в и т ь Не» ремонт н док^ сд°1»г,зя сро—

V Т/Т пттаилпппл плилиФа ггг"\\ тгл V тгч а цр липло ОаЛлтэ —

дог при проведения морских ледовых операций осуществляется на пределе их кои^^р1 '"'"'ивкых П^стоякпс приме—

дится решать проблемы, связанные с разрушением ледовых по— крытий. Нередки случаи, когда приходится снимать часть грузов с аварийных судов на лед, высаживать при необходимости экипажи, проводить водолазные обследования корпуса и т.д. Вот почему решение такой актуальной проблемы, как аварийность судов во льдах, имеет Еажное народнохозяйственное значение.

Актуальность этой проблемы обусловила цель, задачи, содержание исследований и структуру работы в целом.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлен анализ современных представлений о прочностных свойствах льда, а также о поведении ледяного покрова под нагрузкой в упругой, упруго-пластической и пластической зонах.

Огромный вклад в развитие учения о льдах внесли основоположники российской науки Ломоносов М.В., Макаров С.О., Менделеев Д.И., Крылов А.Н. и др. Ледоведение, как наука, базируется на трудах целой плеяды крупнейших отечественных ученых, таких как Адаменко В.Н., Алхименко А.П., Арнольд-Алябьев В.И., Бердников В.П., Бернштейн С.Б., Бетин В.В., Блинов Л.К., Богородский В.В., Вейнберг Б.П., Войтков-ский К.Ф., Волков H.A., Гаккель Я.Я., Голушкевич С.С., Доронин Ю.П., Зволинский Н.В., Зубов H.H., Измайлов В.В., Ка-танский В.И., Казанский М.М., Лавров В.В., Лактионов А.Ф., Назинцев Ю.Л.,'Панфилов Д.Ф., Песчанский И.С., Петров И.Г., Пинегин В.Н., Савельев Б.А., Слепцов-Шевлевич Б.А., Смирнов В.Н., Черепанов Н.В., Швайштейн З.И., Шишов Н.Д., Шу-лейкин В.В., Шульман А.Р., Шумский П.А., Хейсин Д.Е., Яковлев Г.Н. и др., в том числе и зарубежных - Андерсон Д., Барнес X., Бартон В., Браун Дж., Кабрера Н., Тобата Т., Франк Ф. и др. В начале века из ледоведения выделился самостоятельный раздел (прикладное научное направление) - ледо-техника, рассматривающая технические и инженерные вопросы, связанные с практической деятельностью человека, особенно для обеспечения безопасности мореплавания в Арктике, организации ледовых переправ, ледовых причалов на кромке ледяного покрова и т.д. Все это потребовало уже фундаментальных исследований в области физико-механических свойств льда, поведении ледяного покрова под нагрузкой.

Анализируя механические свойства по данным исследований их различными специалистами, можно сделать вывод о том, что они меняются в достаточно большом диапазоне. Эти изменения зависят от географического положения района, гидрографических- и гидрометеорологических условий, определяемых общей циркуляцией атмосферы и водных масс, солнечной деятельностью и сезонами года.

Анализ свойства льда показал, что установление даже предела упругости является достаточно сложной задачей. Вызвано это в первую очередь тем, что исследуемый естественный лед имеет явно выраженную неоднородность строения, отличную от монокристаллического льда. Известно, что лед полностью не подчиняется рассмотренному Максвелом случаю релаксации. Однако, несмотря на это, зависимости, вытекающие из уравнения

релаксации Максвела оч^ое"*'1 (где: <тс - напряжение через промежуток времени 1 после момента создания постоянной деформации; Оо - напряжение в начальный момент создания деформации; х - время релаксации) при чисто пластическом течении весьма удобны и наглядны для приближенного представления свойств льда при воздействии на него нагрузки.

На рис.1 представлен общий вид схемы е=£(Ь) при постоянном напряжении сь (£ - величина относительной деформации). На рис.2 представлена зависимость между величиной деформации и напряжениями при заданной постоянной скорости деформации .

Рис. 1 Общий вид схемы зависи- Рис.2 Общий вид схемы замости деформации от вре- висимости деформа-мени ции от напряжения

Упругие и пластические свойства льда в огромной степени зависят от температуры и времени действия нагрузки. Экспериментально установлено, что чем ниже температура льда, тем выше для него значения предела упругости, т.е. в большем диапазоне действует закон Гука. Так, при температуре -5°С линейная зависимость между напряжениями и деформацией продолжается до 8 кг/см2, при -23°С - до 25 кг/см2. Причем, чем с большей скоростью действует нагрузка, тем в большей упругой зоне работает лед. При мгновенных нагрузках (удар, взрыв) лед работает упруго до его разрушения, т.к. пластичная деформация развиться не успевает. При медленно изменяющихся нагрузках лед работает упруго-пластично. При длительно действующих нагрузках наблюдается пластичное течение.

Необходимо отметить, что до сих пор не проведен полный цикл исследований, позволяющий установить количественно-временные диапазоны, в которых лед работает упруго и упруго-пластично.

При нагрузках на ледяной покров, с которыми приходится встречаться на практике, лед работает, как правило за пределом упругости, расчет же грузоподъемности ледяного покрова для движущейся нагрузки ведется по формулам теории упругого изгиба, считая, что между напряжениями и деформациями существует прямая пропорциональная зависимость.

Модуль упругости определяется на основании величины прогибов при изгибе ледяного покрова от заданной нагрузки и составляет примерно 20-103-s-45-103 кг/см2.

Достаточно полные исследования поведения льда под нагрузкой при напряжениях, превышающих предел упругости, были проведены Ройеном Н. Он получил зависимость относительного сжатия льда от действующего постоянного напряжения, времени

cat'3

действия нагрузки и температуры в виде £ =-, (где е -

1 + Q

относительное сжатие; с - постоянная опыта, равная (6+9)-105; о - напряжение, кг/см2; t - время, ч; Q - температура, °С) .

После дифференцирования по времени и преобразований получим формулу

3(1 + 0) ' 1

CJ= V Д-Е 3 , (I)

С

где V - скорость деформации.

Из формулы (1) видно, что зависимость напряжений от деформации для льда при постоянной скорости деформации отклоняется от линейного закона. Пластическое течение льда под нагрузкой обычно характеризуют коэффициентом внутреннего трения (или вязкостью) льда Xi=(iide/dt, (где - скалывающие напряжения) .

Известно, что вязкость льда зависит от целого ряда факторов, главнейшими из которых являются: температура, структура, соленость льда и при правильном кристаллическом строении - направление действия силы по отношению к оптической оси кристаллов.

Из практики и данных экспериментальных исследований известно, что лед переходит из упругой стадии в стадию пластического состояния не резко, а довольно постепенно, что позволяет решать многие задачи за пределами упругости ледяных полей.

На рис.3 представлена универсальная зависимость Рь/Стдих=£ (И), полученная в диссертации при обработке экспериментальных данных различных исследователей, дополненных собственными исследованиями по определению несущей способности морского и речного льда.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изложены основы физики ледяного покрова в практике полярного судоходства. В первой части данной главы проведено исследование работы ледяного покрова под нагрузкой. Проанализированы искусственные способы увеличения грузоподъемности и несущей способности льда и представлены принципиально новые самостоятельные разработки для решения данной задачи. Представлены расчеты на прочность ледяных каркасных сооружений для укрытия людей и грузов на ледяном покрове при возникновения чрезвычайных ситуаций на судне. Во второй части данной главы представлены теоретико-экспериментальные исследования процесса разрушения ледяного покрова для обеспечения безопасности судоходства.

Упрочнение ледяного покрова

а) Поскольку основное и преобладающее значение в практике работы ледяного покрова под нагрузкой имеют■упругие деформации, построение математических моделей выполнялось на основе теории упругости. Расчетная схема нагружения ледяной

см

1 / »

/

' / /

<

/ V ч £т Ом

/

А в —морской жд — речиойясд «ш{1и> 11 кг<см> ашт(рл)*15 «г/си»

Рт/(Гт'см '^го

I IV 1 |0> НО1 4 10*

Рис.3 Универсальная зависимость (Ю

пластины, шарнирно-опертой по контуру сосредоточенной центральной нагрузкой, представлена на рис.4.

Величина прогиба в центре пластины определяется из выражения: РЬ1

(\У)„. = 0,55

(где Ь-радиус

ЕЬ*

пластины; Ь-толщина пластины). Максимальное растягивающее напряжение есть

ат = )|0,63 • 1п(%)+ 1,1б], откуда Р = Ь1 •с_/^,631п(%)+1,1б].

ь

л

Рис.4 Расчетная схема

Расчеты показывают, что чем шире ледяной покров, то есть чем больше (Ь) , тем меньше его несущая способность. Что подтверждается обработкой данных экспериментальных исследований, полученных в результате анализа отечественной и зарубежной литературы и собственных экспериментов (рис.5.а, 5.6). Данные для расчетов сведены в табл.1.

Г

* у

/ /|

1 идоа 1м

б

У

у

У

/

/

/

/ ргай ш

/

[

■

•V

Рис.5 Зависимость необходимой толщины морского (а) и речного (б) льда для пропуска по нему различных видов ■техники весом (Рт)

ю

40

и

В результате расчетов получены обобщенные зависимости необходимой толщины льда (Ьл)-у (см) для пропуска по нему различных видов техники или груза весом (Рг) - х (т) , то есть грузоподъемность ледяного покрова по обработке опытных

данных: для речного льда - у=13,47-х0,51 или Ь„=13,47 (Р,;) °'51; для морского льда - у=19,94-х0'" или 11л=19, 94 (Рт) °'43.

Экспериментальные данныа для речного и морского льда

Таблица 1

Речной лед Морской лед

п х(Рй) у(Ь) N х(Р4) у№)

1 2 20 1 2,5 30

2 5 30 2 5 40

3 15 50 3 15 60

4 20 60 4 25 80

5 40 95 5 40 100

б) При рассмотрении напряженного состояния ледяной пластины при наличии круглого отверстия (майны) использовалась расчетная схема, представленная на рис.б.

При Ь»а напряжения на этой окружности будут мало отличаться -от напряжения в пластине без от-_ верстия:

(°Л.ь = со$2 0 = ^ (Т0(1 + соэ20)

(2)

Рис.б Расчетная схема

Это усилие, действующее на внешнюю часть кольца с внутренним радиусом (а) и внешним (Ь).

Распределение напряжений внутри кольца в потенциале скорости ф=£(г)-соз20 подчиняется уравнению неразрывности

' д2 I д_ ,3г2 +г'5г + г1

ае!

агФ ^ ар дг2 + г'5г + гГ ае

= о.

Решение имеет вид:

д fl аП ff, f. За' ^ 2a2 "l . -

т . =--—— =--- 1--—+—— sin29.

/ ör^rsej 2i r' r'J

При r-ко формулы (3) переходят в (2). Практически, как показывают расчеты и многочисленные экспериментальные исследования различных авторов, это достигается при г£(3-г4)а, то есть на расстоянии больше 3-Н радиусов отверстия ледяной пластины (майны) .

в) При рассмотрении влияния размера внешней нагрузки сравнивалось решение 2-х задач: когда нагрузка сосредоточена в точке (Р) и когда распределена на площади с удельной нагрузкой (q).

Решение первой задачи запишется:

(P/h2) {0, ©-In. (b/h) +0,68].

Решение второй задачи: am=(qd2/h2)-0,49 (сс2-4 Ina) , (4)

где a=d/b.

После приведения (4) к эквивалентной сосредоточенной силе P=nd2q имеем: GM=(P/h2) -[0,62 In(b/d) +0,156- (d/b)2].

Если Ь/h, b/d»l, то различие в численных коэффициентах пропорциональности между (Р) и (h2) незначительны.

г) Из анализа традиционного усиления несущей способности ледяного покрова при экстренной выгрузки грузов и техники с аварийного судна на лед известно достаточно большое количество апробированных на практике способов: усиление льда путем намораживания дополнительного верхнего слоя; усиление льда путем укладки на него верхнего строения (из пиломатериалов) ; усиление льда путем его армирования деревянными фрагментами, например, жердями.

д) Исходя из приведенного в диссертации критического анализа этих способов, следует, что для эффективной организации работ по аварийной разгрузке судов на лед необходимы более совершенные способы. Многолетние самостоятельные исследования позволили их найти и обосновать. Наиболее рациональным представляется способ усиления несущей способности ледяного покрова путем его армирования металлическими сет-

ками или сварными решетками. Расчетная схема представлена на рис.7. Упругие свойства ортотропных пластин характеризуются: модулями упругости Е1 и Е2; коэффициентами Пуассона ух и у2, где у, = у,Е2/Е1. Связь напряжений и деформаций есть:

"(Е, +У,Еу),

1 - У,У

Е,

1 -

Изгибы жесткости характеризуются параметрами: Е,Ь5 _ Е,И3

О,

12(1-У,у,) 12(1-У,У,)

Уравнение изгиба ортотропной пластины имеет вид

а—-+2в, , ,+р.—-=а 1 Эх 'д^ду1 1 ду' 4

(где К

Рис.7 Расчетная схема армированного льда

перемещение точки по

вертикали от равновесного положения).

Если пластина подкреплена ребрами жесткости, в качестве которых в данном случае выступает арматура, то жесткость эквивалентной анизотропной пластины будет:

т. Е-Л

О, = — + -

Е-Ь'

(где J - момент нагрузки

12 (1-у1) 2 * 12(1-V1)

сечения ребра относительно оси, проходящей через центр тяжести ребра; ( - расстояние между ребрами). Для круглых прутков арматуры 3 = кй',/32 . В данном случае имеем 02< Ог.

Если сосредоточенная нагрузка (Р) расположена в точке полосы с координатами х=а/2, у=0 (см. рис.8), то максимальный прогиб будет зависеть

от параметра г\ = 0]^01 -02

= г(л).

виде

Л =

После преобразования: О, 1

I , 12-Ь(1-у1) V е ь>

х = -/л <1 •

<1;

Рис.8 Расчетная схема.

При решении повышения несущей способности с использованием арматуры ставились следующие условия: если изгибная деформация превысит предельную величину для льда, начнется разрушение ледяного покрова по толщине. В результате произойдет отделение арматуры ото льда и она, вместе с грузом, погрузится в воду. Арматура задерживает рост горизонтальных трещин, но не толщинных, с которых начинается разрушение ледяного покрова. Следовательно, в качестве условия разрушения должно, приниматься усилие на разрыв в поперечном сечении. Расчетная схема приведена на рис.9.

Рис.9 Расчетная схема (а) - обычный лед; (б) - армированный лед

Усилие разрыва обычного льда: Т^^а-Ь-Оям'0'. Усилие разрыва

н2

с арматурой: Т<|)=а-11-о^+0$~-а-аш. так как внешняя нагрузка

(Р), перпендикулярная льду, пропорциональна усилию разрыва (Т), то при равных стрелках прогиба можно оценить коэффици-

т(,) а<-> а1

ент усиления разгрузки как К. =1 + 0,8 т"Г" •

Однако (Кр) существенно зависит от толщины льда (Ь). На рис.10 представлен график пересчета толщины армированного льда на чистый при равной несущей способности.

Для армирования льда применяют стандартную

_ Ь.

\ I4 1 1 1 &о VI

\ \ N

\ N. Ч К --- —

N N | ч 1 N тг>

I тспЛ авд Ч N I \ \

* а ■мй кш 4 ч N 10 0

го« ч ч

Рис.10 График пересчета

заводскую круглую арматурную сталь диаметром до 90 мм, которая подразделяется на стержневую и проволочную. Расход арматуры в ледяных конструкциях определяется, главным образом,- ее прочностью. Поэтому выбор более прочной стали позволяет существенно снизить расход самой арматуры.

е) При расчете жилых и хозяйственных ледяных каркасных сооружений были рассмотрены две схемы поверхности: цилиндрическая (рис.11) и сферическая (рис.12). Прогиб цилиндрической оболочки подчиняется уравнению: для

шарнирной заделки а(1+а)2 +3-к(ц/ь)г (1+а)2 =З.К[(1;+нМ; для защемленных кромок аа+а/^+З-К^Ц/Ь^-а+а/^ =34[(^, + Н)/ь]1 (где: К = (2Р+Ь-Ь)/[2(Р + Н)] - прогиб от одного изгиба; ^ =0,143(Р/Е)(Ь/Ь)\- а = 1,1 сц(Ь/Ь)/Е, сгц = 2,7■ Е• К (Г/Ь)2; Е - площадь сечения опорного контура; £ - стрелка полного прогиба) .

Рис.11 Расчетная схема

Рис.12 Расчетная схема

Для случая шарнирно-опертого контура уравнение для стрелки прогиба удобно представить в приближенной форме (Н+Г)3 -Н1-(Н+Г)=0,046-Р-Ь'/(Е-Ь). Если прогиб то:

Г я 0,0234-Р-Ь4/(Б"!!-!!1) ; сг„ = Р-Ь2 /[8-Ь (Н +Г)]. Потеря устойчивости под действием внешней нагрузки наступает при давлении

Р„ =

0,09 Е

(Л'Ь)'

1

где Я = Ь/[8(Н + Г)]. Данная формула

пригодна для сравнительно длинной оболочки (Ь»Ь). Для коротких оболочек с опертым торцом Рк1, = (0,87-Е-Ь2 /Ь-Я)^Ь/Я . В

практических расчетах критического давления, при котором раздавливается цилиндрическая оболочка, можно использовать

2,6Е

следующую формулу Ркр =

(D/h)z • fib [L/D - 0,45 (R/D)" 1'

Предельная величина внешнего давления, приложенного в направлении центра кривизны оболочки (рис.12), вызывающая потерю устойчивости формы: Р^ = 1,2• Е• К (h/R)1, где K = 0,45[sina + (l-sina)-Kr]. К, = F/(F + r-h) - коэффициент жесткости опорного кольца радиуса г.

При рассмотрении сетчатых оболочек вращения рассматривался вариант нагружения давлением и осевой силой Р0 (рис.13). Интенсивность усилий в срединной поверхности Tz и Т2 определяются из уравнений:

Р.

т,=

2cos6 2it-r cos6 P-r Т. -г

Рис.13 Расчетная схема

cos 6 p-cos6

где р - радиус кривизны меридиана, г - радиус параллели.

С другой стороны, Ti и Tz связаны с усилиями в нитях зависимостями: Ti.=N-n-cos2a/A, T2=N n- sin2a/A, где Д - шаг нитей в слое, п - общее число слоев. Откуда TJ/T,=tg1a (a - угол между нитями и меридианами).

Угол укладки нитей подчиняется уравнению:

-7-с---— = tg1a. При укладке нитей по геодезической

l + p,/(p-7t-r) pcosO

линии sina=C/r уравнение 2 г 1 d(cos8) с2 1

г2+Р,/(Р я) cos8 dr г3 1-е1 г2

г2+Р, (Р -тс)

приводится к виду: Интегрирование этого

уравнения дает cos6 = B-

Vl-(cl/rJ)'

где В

постоянная интег-

рирования.

Координаты образующей оболочки определяются из решения

в-р-р.Др.гс)]

условия

Конфигурации подобных куполов подробно рассмотрены в диссертации. В случае нитей, ориентированных по меридиану (В=0), приведенные выше формулы упрощаются. Так, при отсутствии сосредоточенной силы в полюсе (Р=0), уравнение нитей

примет вид у = | =. Безразмерные координаты образующей

оптимального купола приведены в табл.2

Безразмерные координаты образующей оптимального купола

Таблица 2

г/К 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

у/Я-103 0 0, 33 2,67 9,0 21 42 74 121 189 287 581

Усилие в нитях (при их общем числе - т) оптимального купола равно N =-.На рис.14 представлена конфигурация

П1

равнопрочного купола с математической программой ее описания.

съэ

Е-ОЯ Н-1 ТО О БТЕР-О, 05 ГОЯ 1*0 ТО 6,28 БТЕР 0,01 Х-И'СОЗ (1) ¥-Л*ЗГК (1)

г-гоя (1- я'и

ргвг (20о»х+30о-5а*у+100-50*г|

мзст 1 кгхт и

ГШ 1-0 ТО 6,28 гТЕР 0,01: ГОЙ К-1 ТО О 5ТЕР-0,05 хо-к»соз и): те-к'эга(к

У1-(к-0,05)*зши) :г1-юо-50*то+ог)- (200*Х1»300-

50'У1+ги, 1

11>1Е(200*ХО+ЭОО-5а»УО*20)-(200*Х1+300-50*У1+21), 1 ЛЕХТ К: ЛЕХТ J

его

Рис.14 Конфигурация равнопрочного купола

з)При рассмотрении и расчете распределения напряжений в полусферическом куполе при действии внешней нагрузки «ветрового типа» были введены следующие исходные положения

(рис.15): местная система координат компоненты

тензора напряжений:

а) Стц, ст22 - нормальные напряжения, действующие на площадках, ограничивающих этот элемент;

б) СТ12, ~ касательные напряжения на той же площадке, параллельные срединной поверхности;

в) СТ13, а2з - касательные напряжения, перпендикулярные срединной поверхности.

Равнодействующая напряжений ~е_

оц, О12 СТ13, приходящаяся на всю рассматриваемую грань элемента оболочки, будет

91 *

равна :S„=Azda, jCT„(l + Z/R)dZ ;

-42 42

S„ = Azda2 Ja12(l + Z/R)dZ;

-42

Su=A2dctiejaIJ(l + Z/R)dZ

Рис.15 Расчетная схема

(где: с1а2 ~ длина элемента дуги; Аг - коэффициент Лямэ).

Связь напряжений и деформаций подчиняется закону Гука. Теперь зададим внешнюю нагрузку ветрового типа (рис.16): <31=42=0; <д^=-Р-з1п0-созф (где Р=р-Ог/2 - давление скоростного напора). Соответствие выбранной схемы нагрузки «ветровому типу» установлено сопоставлением с данными экспериментов (по Новожилову В.В.), приведенными на рис.17, для варианта обтекания сферы при больших скоростях (при М=0,3).

Составляющие напряжений в оболочке запишутся: с^-Р-зз-пв;

Т. =-Lñ£^.(2+cos0).(l-cosQJ ; Т2 =-P-R

3 siifO

Касательное усилие:

sine - -^г • (2+cose) (1 - cose)2

s, =--

На рис.18

3sínJe

P-R (2 + eos 8) • (l - eos в)2

3 sin3 e

показаны картины изменения Tlf T2 и S по высоте купола при <р=0. Интегральная силовая нагрузка на поверхность купола определяется на основании эксперимента и вычисляется по формуле ROHa =Сх-F-p-V2/2 (где F - площадь миделя, а коэффициент общего сопротивления (по Окуневу Б.Н.) аппроксими-

руется в пределах №=0+1 эквивалентностью С*=0,2+0,75-М2; М=и/а; где а - скорость звука в воздухе).

(Р-Ро)/^

Рис.16 Расчетная схема нагрузки ветрового типа

-I

9Р°

Рис.17 Распределение давления по поверхности сферы при обтекании ее воздухом

В результате расчетная зависимость общей

нагрузки будет

Рис.18 Данные расчета изменения II 1г и Э по высоте купола

Коещ = — (0,2 + 0,75М2)р (а-О)2 • М2 (где Б-диаметр мидельного 16

сечения).

При определенной величине ветра полусфера теряет контакт с поверхностью и перемещается по ветру. При известной величине напряжения на сдвиг у льда стСда была оценена минимальная величина толщины стенок купола, обеспечивающая контакт

купола

ледяным полем

: ■^•(0,2 + 0,75М!)м2. При

16 ст

практических расчетах, связанных с проектированием ледяных каркасных сооружений сферического типа, необходимо минимальную величину толщины стенки купола, подсчитанную на ветровую нагрузку, сравнить с толщиной, соответствующей прочности на сосредоточенную нагрузку.

Разрушение ледяного покрова

а) При рассмотрении разрушения льда зарядами обычных ВВ, можно отметить, что данный вид разрушения нашел самое широкое применение при плавании во льдах (при борьбе со льдами в чрезвычайных ситуациях). Следует отметить, что, несмотря на значительную давноеть применения взрыва, он только в последние годы достиг стадии теоретически и экспериментально разработанного метода.

В настоящее время метод разрушения льда взрывом разработан достаточно полно, хотя многие технические его приложения требуют еще экспериментальных и теоретических доработок. Это относится и к разрушению льда взрывом, где имеются только многочисленные эмпирические и полуэмпирические формулы и зависимости, но нет общей математической модели процесса разрушения.

Действие взрыва на лед определяется весом заряда и его положением по отношению к поверхности льда. Различают следующие расположении но отношению к ниьерхниет'и льда: поверхностный без забойки; в толще льда; и подводный со вспомогательным (заглушающим! зарядом, как правило небольшого веса.

От подводных сосредоточенных зарядов лед раздробляется на большей площади, образуется более слабая воздушная ударная волна. Поэтому для дробления (разрушения) льда наиболее часто применяют подводные заряды. Наружные же заряды применяют как правило только при необходимости быстрого проведения взрыва (например на льдине, подплывающей к объекту).

б) При разработке методики расчета зоны разрушения ледяного покроиа аоднодным изрьшом, основополагающие моменты современной теории которого представлены р диссертации, исходим из того, что в некоторой области, вблизи взрыва, лед разрушается ударной волной, а в дали от эпицентра взрыва разрушение обусловлено массовым движением воды. Этот процесс является основным ири рассмот-рени^ картины разрушения. Известно, что он продолжается довольно длительное время (порядка 100-200 мс) и захватывает значительную площадь ледяной поверхности, оцениваемой сотнями диаметров заряда. В диссертации рассматривалась именно эта стадия взрыва, без

учета ударной волны. Причем вода рассматривалась как идеальная несжимаемая жидкость, а лед - как упругая тонкая пластина (рис.19). Действие заряда состоит в том, что на

некотором отрезке действует импульсное давление «

Р = 11т|Р^)с11 (где Р(Ь) - давление от взрыва). Введем потенциальную функцию ф(х,у). Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости для потенциала скорости <р превращается в уравнение Лапласа:

52<р а'ф

-+ ■

■ = о .

(5)

ется

Эф 1 — + —

5t 2

дх1 ду'

На границе вода-лед выполня-

условие

адра"? 86 ■

ПГ . >п° «

ЗфУ f 3q>Y

Эх) I Эу

3^ = 0.

I

I 1

_I

Движение тонкой упругой пластины описывается

ш а'и _ p(x,t)

ХоЗ

и воле*

Рис.19 Расчетная схема

а4и

уравнением ———+■

(где U

смещение от по-

дх* ЕЛ дг1 ЕЛ

ложения равновесия; Е - модуль упругости; J - момент инерции сечения). После преобразования получим

"а4и га эи(5ф

Эф 1 — + —

at 2

5Ф V + f а<р'

ах) Uy.

у " ЕЛ

н--

У Р

Эх4 ЕЛ at^ayj

= 0 . Интегрируя

это выражение по бесконечно малому промежутку времени и по-Эф Эф

лагая

дх

Э> m Эф

и —— конечными, получим: Ф----— — «,

5 у Эх р оу

Это [-

уравнение должно выполняться всюду вне отрезка хо;+х0] . На самом отрезке ф = — Р/р .

Итак, задача ставится следующим образом: найти решение уравнения Лапласа (5) при граничных условиях: ф = - Р/р при m Эф

у=0, |х|<|хо1;ф =

Р ду

при у=0, |х|>|хо1. Вместо ф(х,у)

введем ф(£,ц): ф(§,г|)= J—|ф(х,у)со«^х0х. Тогда (5) примет вид

д 2 Ф~

-ТГ~= 0 • Отсюда: (pfe.y) = Afejc"41. (6),

ду

СО

Искомое решение запишется:

о

Откуда с учетом (6) и (7):

( Z. Tsipcos^x

44х'yj- ' ' J r Л ,- , \е . Импульсное давление F(x) ,

л р ¡£(l + m-5/pJ

\ / ЛЧ 2 7 sin cos £х

действующее на лед: г 1=-р-ф1х,и J---" I тт:-—•

я i£(l + m-£/p)

ПриОлиженное вычисление интеграла дает

х„ К2 К2

FW 2РК

(8)

я L*'-*; (х+х.у (ж-ж.у ■

где К = т/р. Из уравнения движения упругой пластины: SJU m S2U P(x,t)

—- +---- = —1—Интегрируя это уравнение по бесконечно

дх E-J dt E-J

малому промежутку времени, полагая ö4U/öx4 конечной величи-9U . ч

ной, имеем: га-= F(x), (9)

öt v '

где F(x) определен выражением (8).

Уравнение (9) дает распределение скорости по х в началь-

х К2 К2

д U

ныи момент времени:

2Р

Tip

х2-х: (х-х.у

+ ...

Для отыскания прогиба пластины в любой момент времени бу-

а2и 1 э2и „ 2 г ¥/

дем искать решение уравнения —-н----г = " (где а =И|-<1/П1)

дх а 91

в виде 1](х,1)= • в результате расчетов получим

к-«

\ 2Р (х, 6К2 хЛ

Условие разрушения состоит в том, что в некотором сечении достигается критическое значение напряженности с,®. Для дан-

Ь-Е Э21)

ного случая: <тт = ———где п - толщина льда. Используя

(10), запишем с^ = бРх.Е^

2 дх' бР-х.-ЕЬ^.

яр

1 20К2

х*

V г

. Введем обозначе-

ния:

яр

-- = Р ; 20(рл/рв)=п, где Рл=1/^ ~ плотность

СУ

льда; рв - плотность воды. Тогда Р-Ьх2-рп-Ь3 =х\. Решение этого уравнения естьх, = -Н— 2п(ь3/Р)^ ^ - При

п(ь3/р)2 «1 эту формулу можно упростить:

э (Р Ь)«

,-а. ь'

4 (Р-Ь)^

Известно, что предел прочности льда, определяемый при статических испытаниях на изгиб, зависит от масштаба испытуемого образца. Приближенно учтем это так: = с^/Ь.

Обозначая р-Ь = а4 , запишем решение: хр В пара-

метр а входит величина Рхо, представляющая собой импульс взрыва. Величина Хо играет роль радиуса заряда, так что

(где: О-количество ВВ в единице длины заряда (если

заряд не сферический, а цилиндрический удлиненный); Рвв~

плотность ВВ) . Таким образом: а =

яр

1 п Ьг

4 „»

а -О 4,)

г

\

На рис.20 изображена зависимость ширины полыньи (майны) от веса заряда при Ь=1м, а =12 м/(кг/м)1/а. На рис.21 - зависимость ширины полыньи (майны) от толщины льда Ь.

^р.н

•13

5

« 20 50

Рис.20 Зависимость хР от О

Рис.21 Зависимость хР от Ь

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлен анализ технико-экономической эффективности использования на практике результатов диссертационных исследований, в частности, армированного льда, применительно к случаю устройства ледовых причалов для выгрузки на них грузов с аварийного судна. Представлены варианты развертывания стационарной (судовой) и переносной системы намораживания льда на базе судовых центробежных пожарных насосов и переносных: мотонасосов, водоструйных насосов-эжекторов, электронасосов и т.д. Применение специального подхода позволило оптимизировать процесс устройства ледовых причалов и разработать логическую модель взаимосвязи систем, подсистем и свойств. Расчеты показали, что при возведении ледового причала (Ь0=15 см) с нетрадиционным усилением путем армирования металлической сеткой потребуется: металлической сетки 25/25/5/5 - 10 рулонов шириной 1100 мм; досок - 0,55м3; воды для полива при намораживании 5 см слоя льда над сеткой -50м3. При этом время намораживания составит ^=-20°С) около 3,3 ч. С учетом Кр=2,б перерасчет на чистый лед дает Ьп=50см. При средней стоимости арматурной сетки 420 у.е., а пиломатериалов - 50 у.е., обшая стоимость устройства причала будет 300 у.е. Это на 15% меньше, чем при устройстве ледового причала той же грузоподъемности, но при армировании его пиломатериалами. Кроме этого время возведения причала сокращается в 2,5-3 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Доказано, что в большинстве практических случаев, связанных с обеспечением безопасности мореплавания во льдах, а также при экстренной и плановой разгрузке судов на лед, определяющее значение имеют упругие деформации, что позволяет решать задачи ледяного покрова под нагрузкой методом теории упругости.

2. Проведенный анализ апробированных способов искусственного усиления льда показал их малую эффективность■для аварийных ситуаций, возникающих с судами при ледовом плавании. Для этой цели в диссертации разработан новый способ усиления льда путем его армирования металлическими сетками, что позволяет реализовать на практике 6-^7 - кратное увеличение грузоподъемности ледового причала.

3. Обеспечение оперативного укрытия экипажей и грузов в чрезвычайных условиях, путем возведения ледовых защитных сооружений в условиях Арктики, может быть весьма эффективно реализовано с применением армированного льда как естественного материала.

4 . Возведение защитных ледяных каркасных сооружений из армированного льда металлической сеткой позволяет снизить металлоемкость сооружения в 5+7 раз, не требует дорогостоящих строительных материалов, а время возведения сокращается в 10 и более раз.

5. При равной пересчетной несущей способности ледового причала стоимость работ по усилению его новым способом снижается как минимум на 1(Н15%, а время возведения самого причала снижается в 3 раза.

6. Разрушение льда обычными ВВ имеет широкое распространение при ледокольных работах, особенно в Арктике, причем,

наиболее целесообразная схема взрывания - подводный (подледный) взрыв. Для численного определения зоны разрушения ледяного покрова при подледном взрыве в диссертации разработана методика расчета.

7. Разработан новый способ усиления льда, который может найти самое широкое применение при решении ряда эксплуатационных и гидрографических задач, в частности для разгрузки судов на припай в зоне шельфа арктических морей, а также для производства гидрографических и гидрометеорологических работ со льда.

8. Разработаны рекомендации по аварийно-спасательному обеспечению судов (их доукомплектованию), работающих во льдах.

Основные положения диссертации изложены в следующих

работах:

1. Тартаковский A.B. О новых конструкциях жилых и хозяйственных ледяных каркасных сооружений // Межвуз. сб.науч. тр.-под ред. проф. В.А.Коковина, вып.7, СПб.: СПб ГУВК-ПАНИ, 1998, с.15-16.

2.Белов М.Б., Годес Б.Э., Тартаковский A.B. и др. Использование физики ледяного покрова в инженерной практике (часть 2) // СПб.: СПбГУВК, 1998.-105 с.

3.Тартаковский A.B. О новых конструкциях полярных домиков для обеспечения работ на дрейфующем льду // Межвуз. сб. науч. тр.-под ред. проф. A.B.Каракаева, вып.7, СПб.: ГМА им.адм.С.О.Макарова, 1998, с.29

4.Рябинин Г.А., Белов М.Б., Тартаковский A.B. и др. Способ оперативного возведения жилых и хозяйственных ледяных каркасных сооружений // Межакад. инф. бюллетень «Академия», N 12-3 с, СПб.: МАИСУ, 1997, с.12

5.Рябинин А.Г., Рябинин Г.А., Тартаковский A.B. и др. Способ повышения несущей способности ледяного покрова для долговременной эксплуатации // Межакад. инф. бюллетень "Академия", N 12, СПб МАИСУ, 1997, с.10