海冰在潮汐和波浪作用下的断裂机理研究

【摘要】： 研究海冰的断裂与破碎机理是分析冰脊、重叠冰的形成，冰爬升及堆积 等问题的基础，同时也是揭示冰与结构相互作用中冰荷载或冰激结构振动的 主要依据之一。本文根据渤海海冰的特点，分析了海冰在潮汐和波浪作用下 的断裂机理，并通过物理模型实验验证了在波浪作用下海冰断裂理论的可行 性。 依据静力平衡原理及梁的弯曲理论建立了近岸浅滩海冰在潮汐作用下的 断裂模式，分析了海冰的厚度、长度、极限弯曲强度以及岸坡角与海冰断裂 长度的关系。 分析了近岸大面积海冰（半无限长海冰）在波浪作用下的断裂。通过对无 限长冰层覆盖水域下波动的弥散方程进行简化，得到冰盖下波群速的简化表 达式；利用能量通量法分析比较了冰层弹性位能对波浪进入冰盖后变形的影 响；分析了海冰厚度、海冰弹性模量以及入射波周期与海冰断裂极限波高的 关系。 根据浮体运动理论和弹性梁弯曲理论对海上浮冰块（有限长海冰）在波浪作 用下的断裂进行了分析。利用有限元数值方法计算海面浮冰在规则波作用下 受到的流体作用力；依据弹性梁弯曲理论计算海冰内部应力，得到海冰断裂 极限波高；同时确定了有限长海冰断裂理论适用范围，分析了影响其断裂的 控制因子。 根据理论分析结果看，在潮汐和波浪作用下，海冰均发生弯曲破坏，其 断裂与海冰自身的弯曲强度、尺寸大小以及外界条件密切相关。在潮汐作用 下，冰层尺寸越大、越厚，其断裂长度也越长；近岸大面积海冰在波浪作用 下，随着入射波周期增加与弯曲刚度的减小，冰层下的断裂极限波高增大； 对于海面上的浮冰块，当冰长与波长之比越大，冰厚与冰长之比越小，引起 h 大连理工大学博士论文 海冰断裂的极限波高越小。 最后通过物理模型实验验证在规则波作用下海冰断裂的理论模型。从冰 排断裂波高的实验值与计算值比较分析的结果得到，利用浮体理论分析计算 海面上浮冰块的断裂是可行的：由实验得到的反射及透射系数结果看到，海 冰弹性模量是影响近岸大面积海冰断裂的主要因素之一。