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冰排与建筑物挤压破坏有限元模拟分析研究

路卫卫  
【摘要】: 河中流动的冰块会产生很大的动冰压力和撞击力,碰撞船舶或其他建筑物,使河道冬季无法通航,流冰的撞击还可能会导致水工建筑物不同程度的破坏、影响其安全运行,对下游造成危害。因此,开展流冰对于结构物的撞击研究是十分必要的。冰与结构相互作用存在多种破坏形式,根据破坏宏观现象可以分为:挤压破坏、弯曲破坏、屈曲破坏等。其中挤压破坏产生的冰荷载比较大,是工程中重要的研究内容。本文用有限元方法研究了冰排与闸墩的挤压破坏。 本文首先论述了冰问题的研究现状,介绍了冰的破坏方式、本构方程,总结了冰荷载计算公式和数值模拟的基本原理,并说明了工程实例以及相应的物理模型试验。介绍了ANSYS/LS-DYNA这一显式动力分析有限元软件的非线性有限元理论以及软件的显示算法基础,并用此软件建立起冰排与闸墩的有限元计算模型。对于冰排与闸墩碰撞挤压破坏的研究,建立了简化的模型来估计冰力时程和结构的响应。在研究中,以冰在一定弹性变形后的挤压破坏为接触区域的破坏准则,并结合了冰的特点,如冰的挤压强度、冰厚、冰速等等特征,完成了对于冰排闸墩的挤压破坏模拟。经过计算,本文得到了与实际情况比较符合的挤压破坏冰力时程曲线,冰排的应力分布和闸墩各时刻的响应。模拟计算所得冰荷载极值与水工抗冰规范冰荷载公式计算所得值和实验值进行了比较。比较了同样冰厚、冰速下双闸墩与单闸墩的冰荷载值的大小。总结了单闸墩不同冰厚、冰速下冰荷载值的变化规律。 计算及分析表明,ANSYS/LS-DYNA这一显示动力分析有限元软件可以分析冰排与闸墩的挤压破坏,并将破坏过程以动态方式显示出来。用此方法可以比较方便的得到随时间变化的冰力曲线、闸墩在各时刻的响应以及冰排中的应力分布。


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