Динамика упругих структур, моделирующих офшорные конструкции при их взаимодействии с ледовым покровом.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00459

НазваниеДинамика упругих структур, моделирующих офшорные конструкции при их взаимодействии с ледовым покровом.

Руководитель Абрамян Андрей Карэнович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова динамика, ледовый покров,вибрация

Код ГРНТИ30.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Будут получены алгоритмы и программы, помогающие провести поверочные расчёты динамического поведения упругих структур, моделирующих офшорные конструкции, при их взаимодействии с ледовым покровом. В результате теоретических и экспериментальных исследований будут определены вибрационные и импульсные нагрузки, возникающие при взаимодействии ледяного покрова с не плавающими и плавающими упругими конструкциями. Определение нагрузок будет проведено на основе новой модели взаимодействия поверхностного льда, воды и упругой структуры. Новым в такой модели будут, во-первых, учёт воды (и шуги) между упругой структурой и льдом, во-вторых учёт неоднородности механических характеристик ледового покрова по площади и толщине, и в-третьих, замена офшорной конструкции на простую механическую модель, обладающую тем же спектром собственных частот. Учёт воды и шуги при определении сил, действующих на ледовое покрытие, движущееся с постоянной скоростью на упругую вертикальную структуру, будет сделано на основе двухкомпонентной модели. В этой модели при движении ледяного покрова с постоянной скоростью смесь воды и льда имеет переменный состав, за счёт образования новых кусков льда и “вымывания” старых. При этом меняется и ширина зоны контакта льда и конструкции. Таким образом, формализация поведения среды между упругой структурой и движущимся ледяным массивом сводится к описанию двухкомпонентной сплошной среды (вода-лёд). При таком описании учитывается как образование кусков льда, так и расход их при движении через боковые зазоры. В зависимости от скорости движения ледяного покрова куски отломанного льда либо успевают, либо не успевают вымываться из пространства между структурой и кромкой ледяного покрова. Эти сценарии поведения среды приводят к различным режимам колебаний структуры. Также будет рассмотрена возможность локализации энергии динамических нагрузок в районе областей, содержащих рассол, или другие включения, как один из факторов, обуславливающий начало процесса разрушения. Для этого будут решены модельные задачи о возможности локализации распространяющейся при действии динамических нагрузок энергии волн в районах расположения полостей и включений. Трёхмерная структура обладает спектром собственных частот, имеющим несколько диапазонов, в каждом из которых частоты расположены очень плотно. Эта структура будет заменена более простой балочной структурой, имеющей тот же спектр, но имеющей массово-жесткостные характеристики, которые подлежат определению на основе решения обратной задачи.. Для решения проблемы о характере и условии разрушения будут использованы как имеющиеся, так и новые экспериментальные данные по динамическому разрушению льда, которые будут получены авторами проекта с использованием бесконтактного метода измерений. Использование бесконтактного метода позволит снизить величины погрешностей при определении разрушающих деформаций. Задача о динамике плавающей офшорной структуры будет решена, в первом приближении, как задача о действии волн на поверхности жидкости на упругую пластину в присутствии полубесконечной ледяной пластины. При этом волны возбуждаются, в частности, вибрационными нагрузками (силовыми и моментными), приложенными к плавающей упругой структуре. Новым в этой задаче, которая будет решаться численно, являются учёт упругости структуры, нелинейных условий на поверхности жидкости, а также нестационарного нагружения при внезапном приложении нагрузок. Ледяной покров будет, как и в задаче о вертикальной структуре, учитывать неоднородность изгибной жёсткости ледяной пластины по её длине. Отдельно, предполагается рассмотреть задачу, учитывающую движение ледяного покрова с постоянной скоростью. В результате будут получены алгоритмы и программы, позволяющие исследовать динамику рассматриваемой системы и сократить затраты на проведение испытаний на прочность упругих конструкций, работающих в ледовых условиях. Освоение природных богатств Арктики делает проблему актуальной.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Абрамян А.К.,Бессонов Н.М.,Чеврычкина А.А. On the Problem of Simulation of Ice–Floater Interaction Through Surface Waves Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics,Advanced Structured Materials,Springer Cham, 198,1-11 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1_1

2. Чеврычкина А.А.,Бессонов Н.М., Абрамян А.К. On the Problem of Modeling the Influence of Ice Cover and Surface Waves of a Liquid on the Dynamics of a Floating Body ) Progress in Continuum Mechanics. Advanced Structured Materials,Springer, Cham., 196,133-146 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43736-6_9

3. Абрамян А.К., Вакуленко С.А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОДОЛЬНО СЖАТОЙ БАЛКИ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЕЁ ЗАДАННОГО СПЕКТРА Сборник тезисов докладов XIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике, Политех-Пресс, 2023, том 1 сборника тезисов 13 всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике стр.252-253 (год публикации - 2023)
10.18720/SPBPU/2/id23-627

4. Абрамян А.К.,Вакуленко С.А. A Semi-empirical Fluid Force Model for Vortex-Induced Vibration of an Elastic Structure Progress in Continuum Mechanics,Advanced Structured Materials,Springer Cham, 196,1-18 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43736-6_1

5. Абрамян Андрей Карэнович, Индейцев Дмитрий Анатольевич Trapped modes of a cylindrical shell supported by two circular frames of elastic inclusions “Dynamics of Discrete and Continuum Structures and Media” (Eds.: Altenbach, H. and Eremeyev, V.A.) Springer Series: Advanced Structured Materials, volume 221, VIII+718 pp., Springer, Cham, 2025, https://link.springer.com/book/9783031756252. (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-75626-9_1

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1.На основе разработанного в 2023 году подхода получен спектр балки таким же, как и у трехмерной конструкции, моделирующей модель оффшорной структуры. Для расчёта была выбрана трехмерная конструкция, представляющая собой три стержня, имитирующие опоры инженерной конструкции, на которые опирается пластина. Для получения различных типов спектра использовалось варьирование параметров стержней и пластины. Использовалась программа Ansys 2022r в модуле расчета собственных частот “Modal”. Перед расчетом параметры платформы были обезразмерены для удобства сравнения с расчетами при использовании модели эквивалентной балки, для её параметров, полученных по предложенной авторами методике. Как следует из полученных результатов, отличие в величинах частот, полученных для трехмерной и эквивалентной структур небольшое. Было получено хорошее совпадение максимальных перемещений при изгибных колебаниях трехмерной конструкции и эквивалентной балки. 2. Для исследования возможного явления локализации вибрации в не одномерных структурах была решена задача о существовании локализованных мод в цилиндрических оболочках конечной длины, подкрепленных круговыми шпангоутами (такие структуры используются в качестве опор офшорных конструкций). Была доказана возможность локализованных колебаний в таких оболочках и найдены параметры оболочки и шпангоутов, при которых вибрация локализуется. Установлена возможность возникновения локализации вибрации при действии на оболочку продольной силы (в её качестве могут выступать силы, передающиеся на опоры от работающих механизмов). 3. Расчеты также показали возможность возникновения резонансов балки при действии силы, моделирующей детерминированное действие потока, модель которого была предложена авторами на первом этапе проекта. 4. Была закончена предварительная обработка результатов проведенных экспериментов. Полученные величины разрушающих динамических напряжений были сравнены с величинами таких же напряжений, полученными другими авторами. Был проведен анализ поперечных деформаций ледовых образцов при различных скоростях деформаций. Как результат получены зависимости. максимального напряжения от скорости продольных и поперечных деформаций ледового образца при использовании контактного и бесконтактного методов. Как и для продольной деформации, поперечная деформация при первом локальном пике более устойчива, чем деформация при максимуме напряжения, что связано с появлением и раскрытием продольных трещин. При этом в отличие от продольной деформации поперечная деформация при максимуме напряжений имеет наибольший разброс при более высоких скоростях деформации. Таким образом можно предположить, что “бездефектный” лед может проявлять изменение знака скоростной чувствительности, при этом его трещиностойкость (сопротивление развитию трещин из дефектов) не зависит, по крайней мере сильно, от скорости деформации в данном диапазоне (если предположить его связь с первым локальным пиком). Графики деформации более гладкие, чем графики напряжения, поскольку они подвергались сглаживанию после получения методом DIC (digital image correlation-оптический метод). В общем случае кривые DIC имеют выраженный шум, который, по видимому, сравним со скачками деформации в результате образования трещины, и его обработка также может исключать из графика нужные данные о небольших скачках деформации. Кроме того, продольная деформация менее восприимчива к образованию трещин, поскольку они направлены в том же направлении. Также можно отметить, что несмотря на наличие локальных пиков напряжения на всех диаграммах, наблюдается лишь небольшое их число (1-3) при скоростях деформации до 0.0005 1/с и существенное их возрастание при последующем повышении скорости деформации Для промежуточных скоростей деформации наблюдалось образование нескольких продольных трещин, которое происходило на стадии преимущественно прямолинейного (условно) участка. При высоких скоростях деформации происходило одновременное (во временных условиях одного кадра) появление множества продольных трещин и их последующее развитие, что выражено в “пилобразной” форме диаграммы напряжения. По результатам испытаний была предложена полуэмпирическую формула для величины силы, действующей на суппорт в процессе испытаний ледовых образцов. 5. Была проверена модель динамической деформации льда, в которую попробовали включить микромеханику процесса деформации. В качестве тестовой задачи использовалась задача распространения стационарной упругопластической волны. Модель поведения льда при одноосной деформации при динамической деформации выглядит следующим образом. Поведение материала льда представляется в виде взаимодействующих подсистем, первая из которых определяет дислокационный механизм деформации, а вторая — диссипативные свойства материала. 6. Результаты, полученные при выполнении первого и второго пунктов, были использованы для получения программы поверочного расчета вибрации балки с заданным спектром при действии различных нагрузок, которые определялись в исследованиях 2023 года, с учетом ледового поля. Была создана программа поверочного расчета вибрации балки с заданным спектром при действии различных детерминированных нагрузок, в которую при дальнейшей доработке предполагается включить случайные нагрузки. Программа, позволяет численно моделировать взаимодействие балки с заданным спектром с движущимся ледяным покровом, с учетом неоднородностей ледового покрова в двумерной постановке, а также давления со стороны воды в зазоре между структурой и ледовом покровом.

Публикации