авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Математическое моделирование процессов формирования ле- довых воздействий, вызывающих абразию сооружений шельфа

На правах рукописи

Помников Егор Евгеньевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕ-

ДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ АБРАЗИЮ СООРУЖЕНИЙ ШЕЛЬФА

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Владивосток – 2012

Работа выполнена на кафедре механики и математического моделирования Дальнево сточного Федерального Университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Беккер Александр Тевьевич

Официальные оппоненты: Козин Виктор Михайлович доктор технических наук, профессор, Институт Маши новедения и металлургии Дальневосточного отделения РАН, Заведующий лабораторией Механики деформи руемого твердого тела Макарова Наталья Валентиновна кандидат технических наук, Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН, старший научный сотрудник лаборатории меха ники необратимого деформирования

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью «Научно исследовательский институт природных газов и газо вых технологий – Газпром ВНИИГАЗ», г. Москва

Защита состоится 30 мая 2012 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ005.007.02 в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отде ления РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ауд. 510, e-mail:

dm00500702@iacp.dvo.ru, тел./факс (423)231-04-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.

Автореферат разослан 28 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Дудко Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из приоритетов мировой тенденции расширения границ освоения запасов углеводородов является освоение шельфовых месторождений замерзающих морей. Более 85% общих ресурсов нефти и газа российского шельфа сосредоточено в арктических мо рях. Поэтому проблема оценки ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа является актуальной. Ее разработкой в настоящее время заняты многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране.

Существуют различные нормативные документы, в которых определяется расчет ное (экспериментальное) значение ледовой нагрузки. Однако практический опыт экс плуатации показывает, что есть вероятность потери несущей способности конструкции (элемента конструкции) в результате повреждений в опасных сечениях от сравнительно умеренных воздействий большой повторяемости.

В результате динамических воздействий поверхность сооружения, контактирую щая со льдом, постоянно подвергается ледовой абразии, что многократно ускоряет кор розию и разрушение материала конструкции. Величина ледовой абразии зависит от большого количества факторов, основными из которых являются контактное давление, длина пути истирании и сопротивление материала ледовой абразии.

Большинство исследований в области ледовой абразии сосредоточено на изучении самого процесса разрушения материала конструкции, но в них не рассматривается ин тенсивность воздействия льда на поверхность конструкции.

Результаты долгосрочных исследований ледяного покрова и его воздействий по зволяют сделать вывод, что проблема абразии морских ледостойких платформ (МЛП) может быть разделена на две части. С одной стороны, глубина абразии определяется ин тенсивностью и продолжительностью ледового воздействия, а с другой стороны, она обусловлена способностью материала конструкции сопротивляться истирающим воздей ствиям.

Целью работы является разработка методики расчета глубины ледовой абразии сооружений континентального шельфа в зоне переменного уровня.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выпол нен аналитический обзор факторов, влияющих на процесс ледовой абразии;

уточнена общая имитационная модель воздействия дрейфующего ледяного покрова;

разработана математическая модель абразионного воздействия различных типов ледяных образова ний на сооружение;

выполнена верификация математической модели на основе экспери ментальных (натурных) данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются следую щие методы: математическое моделирование;

теория вероятностей и математическая статистика;

физическое моделирование.

Новизна работы заключается в разработке модели взаимодействия сооружения с различными типами ледяных образований с учетом планово-высотного и временного распределения ледяного воздействия в зоне истирания, а также в уточнении общей ими тационной модели воздействия дрейфующего ледяного покрова в части определения мгновенной прочности льда.

Практическое значение работы: разработанная верифицированная методика мо жет быть применена для расчета глубины ледовой абразии морских инженерных соору жений;

результаты работ использованы в отчете «Ice abrasion test», выполненном НПО «Гидротекс» по контракту с Aker Engineering & Technology;

разработанная методика и компьютерная программа расчета применены при проектировании и строительстве неф тедобывающей платформы для месторождения Аркутун-Даги по проекту «Сахалин 1».

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общеприняты ми апробированными исходными положениями;

верификацией теоретической модели по данным натурных наблюдений.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на 20-ой меж дународной конференции «Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC)» – Lule, Sweden, 9-12 июня 2009;

20-ой международной конференции «International Off shore and Polar Engineering Conference (ISOPE)» – Beijing, China, 20-26 июня 2010;

9-ой международной конференции «Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS)» – Busan, Korea, 14-17 ноября 2010;

21-ой международной конференции ISOPE – Maui, Ha waii, USA, 19-24 июня, 2011;

научных семинарах кафедры гидротехники ДВФУ (ДВГТУ) (2008-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, получено авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из глоссария, списка обо значений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы;

содержит 148 стра ниц текста, 109 рисунков и графиков, 11 таблиц, 168 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель, задачи и новизна полученных результатов, их эффективность и возможные области ис пользования.

В первой главе приведен общий анализ работ, посвященных полевым, эксперимен тальным и теоретическим исследованиям в области изучения ледовой абразии.

Проблемой оценки интенсивности ледовой абразии гидротехнических сооружений на протяжении последних тридцати лет занимаются научные центры во всем мире: в Японии – Y. Itoh, H. Saeki (1989-1994), в Канаде и США – V. Malhotra (1988), G.C. Hoff (1989), в Норвегии – J. Janson (1988), S. Huovinen (1990), B. Fiorio (2002), в России – А.Т.

Беккер, Т.Э. Уварова, С.Д. Ким (2005-2008), С.А. Вершинин (2004-2006).

Результаты долгосрочных исследований ледяного покрова и его воздействия по зволяют сделать вывод, что проблема абразии оснований гравитационного типа (ОГТ) может быть разделена на две части:

• проблема ледовой нагруженности (ледовых воздействий, вызывающих абразию);

• проблема сопротивления материала конструкции истирающему воздействию.

Большинство исследований были ориентировано на изучение сопротивления материала на образцах в лабораторных условиях, а также на изучении воздействия льда на инженерные сооружения в полевых условиях.

На основании проведенного анализа исследований были обобщены основные фак торы, влияющие на ледовую абразию: контактное давление при взаимодействии льда и сооружения;

путь взаимодействия (истирания) между сооружением и ледяным полем в зоне контакта;

прочность и температура льда;

скорость относительного перемещения при взаимодействии;

сопротивление материала и его компонентов истиранию.

Процесс математического описания интенсивности воздействия льда на инженер ные сооружения континентального шельфа осложнен высокой неоднородностью как фи зико-механических свойств ледяных образований, так и высокой степенью пространст венно-временной неоднородности самого ледяного покрова в процессе перемещения (дрейфа) ледяных образований.

В настоящее время существуют различные нормы и правила (СНиП, ВСН, DNV, ISO, API), в которых определяется расчетное (экстремальное) значение ледовой нагрузки с точки зрения внезапного отказа сооружения при взаимодействии с ледяным образова нием. Однако ни один из этих документов не дает возможности учесть все воздействия ледяных образований за период эксплуатации. Одним из способов определения режима эксплуатационной нагруженности (интенсивность воздействия за весь период эксплуата ции) является имитационное моделирование. Имитационная модель должна описывать неоднородность в различных масштабах: в глобальном (возможные параметры ледяного покрова в районе строительства для конкретного сезона), в местном (возможность взаи модействия ледяного образования с опорами сооружения или, проще говоря, вероятность попадания и время существования подобной ситуации) и в малом масштабе (конкретное значение ледовой нагрузки на сооружение в конкретный момент времени, давление и длина пути взаимодействия в малые временные интервалы).

Во второй главе предложена математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки, расчета длины пути абразии и величины ледовой абразии от различ ных типов ледяных образований.

Для обоснованного определения контактного давления и длины пути истирания необходимо иметь математический аппарат для расчета ледовой нагрузки, величина ко торой зависит не только от свойств льда, но и от модели разрушения льда на контакте «лед-сооружение». Длина пути истирания определяется процессами дрейфа ледяных об разований и их взаимодействием с опорой сооружения. Хорошо обоснованной теории разрушения материала на контакте на данном этапе исследования нет, так как оба мате риала (и лед, и бетон) обладают довольно большой степенью неоднородности. Расчет ле довой абразии должен учитывать и воздействие льда на сооружение, и сопротивление ледовой абразии.

На основе принципов имитационного моделирования была уточнена общая ими тационная модель взаимодействия ледяного покрова с сооружением. Модель основана на численном формировании функции распределения параметров ледового режима и имитации всех возможных ситуаций, характеризуемых случайным сочетанием значений входных параметров. В результате численного моделирования и имитации всех расчет ных ситуаций за весь период эксплуатации сооружения определяются вероятностные ха рактеристики ледовой нагрузки, контактного напряжения в ледяной плите, длины пути взаимодействия, длины пути истирания и глубины истирания материала корпуса конст рукции.

При разработке общей имитационной модели взаимодействия ледяного покрова с сооружением были приняты следующие допущения:

1. Ледяной покров представляет собой совокупность ледяных образований, равномерно распределенных по площади акватории, характеризующихся следующими параметрами: толщиной h, скоростью дрейфа по направлениям V, диаметром D, температурой t, сплоченностью N.

2. Параметры ледяного покрова являются независимыми случайными величинами и представлены в виде помесячных гистограмм распределения, построенных на основе многолетних рядов наблюдений в конкретном районе морских акваторий.

3. Время расчетной ситуации определяется по формуле t k = P (V k ) P ( D k ) P ( hk ) P (Tk ) P ( N k ) P ( Z k ) t s, (1) где Р(Vk), P(Dk), P(hk), P(Tk), P(Nk), P(Zk) – вероятности появления исходных параметров скорости дрейфа льда, размеров льдин, толщины и температуры льда, сплоченности и колебания уровня соответственно;

ts – время расчетного месяца из ледового сезона.

Время существования ситуации возможного взаимодействия ледяного образования с учетом вероятности попадания льдины в сооружение может быть определено по D +d следующей формуле: t c = t k k N k 10, где d – диаметр сооружения;

Dk – диаметр 10 Dk льдины;

Nk – сплоченность в расчетной ситуации.

4. Выделяются три основные группы возможных воздействий от движущихся ледяных формирований на сооружение в зависимости от их размеров:

- нагрузка от битого льда с размером ледяных образований (Dk4d);

- нагрузка от обломков ледяных полей с размерами ледяных образований (4dDk500м);

- нагрузка от ледяных полей (Dk500м).

Для описания механизмов кинематического процесса механического взаимодействия между льдинами и процесса разрушения ледяных полей на контакте с сооружением ис пользовался дискретный подход. При взаимодействии сооружения с ледяной плитой мо гут наблюдаться следующие характерные случаи: А. Взаимодействие сооружения с би тым льдом или обломками ледяных полей;

В. Внедрение ледяного поля опорами соору жения;

В.1 Внедрение блока льда и торможение его перед сооружением;

В.2 Внедрение блока льда и увеличение скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины;

В. Внедрение блока льда и скол ледяной плиты, взаимодействующей с сооружением;

С. Ос тановка ледяного поля перед сооружением;

С.1 Остановка блока льда;

С.2 Остановка блока льда и увеличение его скорости за счет добавления импульса прибывшей льдины;

D. Потеря устойчивости блока льда;

E. Наличие чистой воды перед сооружением.

Любой сценарий взаимодействия позволяет определить основные параметры, не обходимые для расчёта эксплуатационной нагруженности, а именно – длину зоны взаи модействия, размеры зоны взаимодействия и место ее приложения, силу на контакте «лед-сооружение», перемещение ледяного образования относительно сооружения. Ос новную трудность в расчете представляет определение времени и длины пути взаимо действия ледяной плиты с бетонным основанием МЛП. Для реализации этой задачи ис пользуется закон сохранения импульса и теорема об изменении кинетической энергии ледяного поля.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расче та длины пути абразии от ледяных полей.

В случае В рассматривается центральный, полностью неупругий удар, когда вся кинетическая энергия приравнивается к работе контактной силы на пути внедрения опо ры в лед. Методика определения скорости внедрения льда, а следовательно, времени и длины пути взаимодействия ледяной плиты, основана на теореме о кинетической энер гии. Контактная сила определяется согласно общепринятым нормативным методикам.

Длина пути взаимодействия ледяного поля с опорой на i-ом шаге определяется по формуле:

x i = Vi t, (2) где – шаг моделирования льдины по времени, с.

t Изменение скорости внедрения льда с учетом силы течения можно записать в виде M iVi2 + 2( Fi Fw ) Vi t Vi +1 =, (3) M i + где Fi - сила на контакте «лед-сооружение» на i-ом шаге расчета;

Fw – сила трения от течения.

После остановки и сброса нагрузки (случай С) картина циклически повторяется по мере поступления новых льдин. При этом расстояние между блоком льда, остановив шимся перед опорой, и следующей льдиной оценивается по формуле Li +1 = Li V k t + Vi t, (4) где Li – расстояние между приближающейся льдиной и крайним стоящим перед опорой ледяным образованием, м;

Vk – скорость дрейфа льдины в k-ой ситуации.

В случае, если льдина соприкоснулась со стоящим перед опорой блоком льда, чис ло льдин в системе увеличивается на единицу, Li полагается равным L0, и цикл повторя ется.

Расчет продолжается до тех пор, пока время расчета t станет равным времени рас четной ситуации с учетом вероятности столкновения ледяного образования с опорой со оружения tс.

Ширина зоны контакта для ледяных полей принимается равной диаметру опоры:

drb=d, тогда длина зоны контакта для ледяных полей принимается равной длине дуги dk=0,5d, где d – диаметр опоры, м.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расче та длины пути абразии от обломков ледяных полей.

При взаимодействии обломков ледяных полей размером от 4d до 500м с опорой сооружения с целью упрощения математической интерпретации принимаются следую щие допущения:

1) предполагается, что кинетической энергии ледяного образования достаточно для внедрения опоры в лед, тогда ледовая нагрузка определяется как сила от воздействия движущегося ледяного поля на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн;

2) ширина зоны контакта принимается равной drb=d/4 (как наиболее вероятная ве личина контактной зоны), тогда длина зоны контакта определяется по формуле d dk = arccos, (5) где d – диаметр опоры сооружения, м.

Математическая имитационная модель формирования ледовой нагрузки и расче та длины пути взаимодействия от битого льда.

Для уточнения величины зоны контакта за счет добавления в систему новых ледя ных образований принимается, что при взаимодействии сооружения с битым льдом сво бодное ледяное поле движется равноускоренно вдоль цилиндрической опоры сооруже ния по окружности радиусом R (радиус поворота).

В этом случае угловая скорость при движении от =0 до =/2 изменяется в со ответствии с законом равноускоренного движения по окружности. Центростремитель ную силу движения ледяного образования определяют из уравнения M 0Vk2 F ( ) = (1 cos( )). (6) L При взаимодействии ледяного поля с опорой сооружения ледовая нагрузка от силы обжатия (центростремительной силы движения ледяного образования) не должна пре вышать нагрузку от внедрения опоры в ледяное поле на ширине зоны взаимодействия контакта, т.е. FFbp. Если условие выполняется, то есть ледовой нагрузки недостаточно для внедрения опоры сооружения в ледяное образование, тогда необходимо увеличить ширину зоны контакта drb, и расчет продолжается до тех пор, пока F станет равным Fbp (F=Fbp).

В противном случае (если условие FFbp не выполняется) за расчетную нагрузку от битого льда принимается сила обжатия ледяного образования Fi=F.

Длина зоны контакта определяется как длина дуги при условии, что drb является ее хордой по формуле d d k = d arctan rb. (7) d Математическая модель определения глубины истирания.

Длина пути истирания lk в каждой расчетной ситуации позволяет определить инте ресующее нас значение пути скольжения ледяного поля относительно опоры сооруже ния, которое распределено по синусу l k = X sin, (8) где – угол между румбом и точкой на опоре, для которой рассчитывается глубина истирания, X – длина пути взаимодействия, м.

Распределение давления на контакте опоры с ледяными образованиями формиру ется за счет ледовой нагрузки в зоне разрушения ледяного поля, которое образует кон тактную зону. Контактное напряжение при его равномерном распределении определяет ся по формуле F v=, (9) h1d k где F – сила взаимодействия ледяного образования с сооружением, определяемая согласно предложенному выше алгоритму;

h1 – толщина ледяного покрова с учетом скола, м.

Учитывая принятое распределение давления на контакте и общепринятое разделе ние результатов наблюдений за скоростью дрейфа льда по 8 румбам, для определения максимальной глубины абразии в точке в расчет принимается пять направлений дрейфа для учета всех неблагоприятных направлений воздействия льда для рассматриваемой точки, что важно при проектировании ледозащитного пояса.

На основании проведенных лабораторных исследований образцов бетона различ ного состава предлагается следующий вид эмпирической зависимости для определения удельной глубины абразии бетона (мм/км):

= = f ( v, T ), (10) L где – средняя глубина абразии, мм;

L – длина пути абразии, км;

v – контактное напряжение в ледяной плите, МПа;

T – температура льда, 0С.

Глубина абразии на i-м шаге вычисляется зависимостью i = f ( v,i, Ti ) li. (11) Учитывая изменчивость li и v,i на каждом i-м шаге, определяется общая глубина абразии = i = i l i = f ( v,i, Ti ) l i, (12) где – эмпирическая модель для конкретного типа бетона, определяемая на основании экспериментальных исследований.

В третей главе выполнена косвенная верификация – численный эксперимент и сопоставление результатов с исследованиями других авторов, приведены результаты ис следования математической модели, выявлены зависимости ледовой абразии от различ ных факторов. В работе также представлены результаты прямой верификации с исполь зованием данных натурных наблюдений.

Для исследования влияния этих факторов на величину ледовой абразии были вы полнены полнофакторные численные эксперименты с использованием разработанного алгоритма и программы расчета.

Ниже приведены основные выводы из анализа результатов численного экспери мента, которые согласуются с результатами исследований таких авторов, как H. Saeki, B.

Fiorio, J. Janson, F. Hara.

Для ледяных полей и для обломков ледяных полей с понижением температуры ско рость ледовой абразии уменьшается. Для ледяных полей характерно увеличение скоро сти ледовой абразии с понижением температуры, что обусловлено большими размерами ледяных полей.

Для битого льда при увеличении сплоченности скорость абразии увеличивается.

При сплоченности N=7 баллов скорость абразии минимальна, при увеличении сплочен ности до N=9 баллов наблюдается ее резкое увеличение с последующей стабилизацией процесса, т.е. при сплоченности N=910 баллов изменение скорости абразии незначи тельно.

В то время как для ледяных полей при сплоченности N=79 баллов наблюдается минимальная скорость ледовой абразии с резким увеличением при N=10 баллов.

Для обломков ледяных полей сплоченность влияет на скорость ледовой абразии не значительно.

Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при малых размерах ледя ных образований (D=1м) и максимальной сплоченности льда, а минимальная скорость характерна для больших ледяных полей при минимальной сплоченности льда.

Для ледяных образований до 500 м (битый лед и обломки ледяных полей) с увели чением толщины льда скорость абразии увеличивается, в то время как для ледяных полей с увеличением толщины льда скорость абразии уменьшается. При сплоченности N= баллов для всех ледяных образований характерно увеличение скорости абразии с увели чением толщины льда. Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при мак симальных размерах ледяных полей и максимальной толщине льда, а минимальная ха рактерна для тех же размеров ледяных полей и минимальной толщины льда.

Для всех типов ледяных образований при увеличении скорости дрейфа льда ско рость абразии увеличивается, при этом с увеличением сплоченности и уменьшением скорости скорость абразии уменьшается. Закон изменения скорости ледовой абразии в зависимости от скорости дрейфа льда нелинейный и близок к параболе.

Для всех типов ледяных образований при увеличении размеров ледяных образова ний скорость ледовой абразии увеличивается.

Анализ результатов лабораторных исследований в рамках работ, выполняемых по проекту «Сахалин 1» для месторождения Аркутун-Даги компанией Гидротекс, были проведены лабораторные испытания образцов бетона, отобранных из маяков Oulu2, Oulu3 и Raahe, расположенных в Ботническом заливе. В конструктивном отношении маяки представляют собой гравитационное железобетонное сооружение с диаметром ос нования приблизительно 7,4 м. Выбор маяков был обусловлен тем, что за 54 года экс плуатации этих маяков они постоянно подвергались абразионному воздействию.

Описание ледовых условий в Ботническом заливе Северная часть Ботнического залива покрыта льдом 160-210 дней в году, средняя часть – 185 дней. Наибольшая продолжительность этого периода (220-245 дней) наблю дается в Ботническом заливе в районе рассматриваемых маяков.

Средняя толщина льда невелика (0,1-0,3 м), но в суровые и очень суровые зимы она может увеличиваться до 1 м.

Расчетные параметры гидрометеорологического и ледового режима в районе маяка Raahe были предоставлены компанией «Aker Solution» и специально обработаны для ис пользования их в программе ICESTRIN. Исходные данные представляют собой гисто граммы помесячных (январь-май) распределений основных расчетных параметров, к ко торым относятся сплоченность дрейфующего ледяного покрова;

толщина ровного льда;

скорость дрейфа ледяных полей;

колебания уровня моря.

Результаты расчета Вычисления глубины ледовой абразии маяка Raahe были выполнены при помощи разработанной программы ICESTRIN. Эмпирическая модель ледовой абразии была по лучена путем лабораторных испытаний образцов бетона, взятых с маяка на 1.5 м выше среднего уровня моря.

На рис. 1 приведены результаты расчета и натурных измерений ледовой абразии на маяке Raahe.

Юг Север Рис. 1. Величина ледовой абразии по различным направлениям Следует отметить, что форма распределения рассчитанной глубины ледовой абра зии по высоте практически совпадает с наблюдаемой. На основании этих сопоставлений можно сделать вывод, что точность вычисления глубины ледовой абразии разработанной математической модели достаточно велика. Таким образом, расчетные и наблюдаемые глубины ледовой абразии являются сопоставимыми величинами.

В четвертой главе приведен общий порядок расчета и пример расчета ледовой абразии для сооружения, установленного в условиях Охотского моря.

Исходными данными для расчета являются параметры сооружения (диаметр со оружения d, форма опоры m) и параметры ледяного покрова (гистограммы сплоченности льда, размеров льдин, толщины льда, прочности льда, скорости льда по восьми румбам и колебания уровня).

Общий порядок расчета 1. Осуществляется моделирование ледового режима перебором входных парамет ров h, D, N, T, V, Z таким образом, чтобы охватить все расчетные ситуации, т.е. все воз можные сочетания параметров.

В результате k-ого сочетания параметров имитируется конкретная расчетная си туация ледового режима со следующими параметрами: hk, Dk, Nk, Tk, Vk,, Zk. Кроме того, определяются вероятности их появления Р(Vk), P(Dk), P(hk), P(Tk), P(Nk), P(Zk).

2. Определяется время существования k-ого сочетания параметров ледового режи ма tk с учетом вероятностного сочетания параметров по формуле (1).

3. На каждом i-ом шаге имитационного расчета моделируется процесс механиче ского взаимодействия ледяных полей с опорой морских инженерных сооружений с тол щиной hk, размерами ледяных полей Dk, сплоченностью Nk, температурой ледяного по крова Tk, прочностью Rk и скоростью Vk, а также учитывается процесс колебания уровня моря Zk. Рассматриваемый процесс имеет продолжительность tk.

В результате моделирования процесса взаимодействия можно получить значения ледовой нагрузки Fi и длину перемещения ледяного покрова при взаимодействии с со оружением Xi – длина пути взаимодействия.

4. На основе полученных данных моделируется процесс истирания материала кон струкции. В результате получают контактное напряжение в ледяной плите v,i, длину пу ти истирания lv,i и глубину истирания материала конструкции Si с учетом колебания уровня моря.

5. Процесс повторяется до полного перебора всех возможных сочетаний значений параметров ледового режима.

В результате моделирования могут быть получены параметры эксплуатационной нагруженности.

Методика расчета была апробирована на ледостойкой стационарной платформе для Аркутун-Дагинского месторождения (проект «Сахалин 1»), которое представляет со бой железобетонное четырех опорное основание гравитационного типа с размерами кес сона в плане 132,6 х 100 м, устанавливаемое на месторождении на глубине 33,6 м.

Ледовый режим северо-восточного шельфа о. Сахалин является одним из самых тяжелых и сопоставим с арктическими морями. Средняя продолжительность ледового периода в северо-западной части моря составляет 260 суток, у побережья о. Сахалин – до 200, на юге – до 120 суток. Общий суммарный дрейф льда через точку акватории для условий Охотского моря может достигать 4000 км/год.

Результаты расчетов показали, что бетонное основа ние платформы Аркутун-Даги может подвергаться доста точно сильному истирающему воздействию от дрейфующе го ледяного покрова. Графическое изображение поверхно- Рис. 2 – Результаты сти изношенного материала за весь период эксплуатации расчета глубины ледовой (40 лет) показан на рис. 2 (чем светлее, тем больше глубина абразии абразии).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. В работе была предложена методика определения величины ледовой абразии со оружения дрейфующим ледяным покровом. Методика реализована в форме разработан ной автором вероятностной модели формирования ледовой нагрузки и имитационной де терминированной модели механического взаимодействия льда с опорой МЛП, являю щейся частью вероятностной модели формирования ледовой нагрузки. Модель основана на энергетическом подходе к определению ледовой нагрузки и описывается дифферен циальным и балансовым соотношениями.

2. Разработан численный алгоритм общей вероятностной модели взаимодействия и программа расчета «IceStrIn».

3. Разработанная математическая модель позволяет определить эксплуатационную нагруженность сооружения (давление на контакте и длину пути взаимодействия для ка ждой точки за весь период эксплуатации сооружения) с учетом параметров сооружения и основных характеристик ледового режима района строительства.

4. Для изучения процесса формирования ледовой нагрузки в модели механического взаимодействия ледяных полей с МЛП в работе были выполнены численные экспери менты с помощью разработанной автором компьютерной программы. Численные иссле дования детерминированной модели показали ее работоспособность и позволили полу чить функциональную зависимость величины ледовой абразии от основных исходных параметров, которая может быть использована на предварительных стадиях проектиро вания.

5. Была проведена верификация модели на основании натурных данных, полученных с маяков, которые подвергались абразионному воздействию льда в течение 44 лет.

6. В качестве апробации методики выполнено моделирование конкретного объекта – морской ледостойкой платформы для Аркутун-Дагинского месторождения. Предложен ная в работе методика ориентирована на прогноз разрушения элементов конструкции в процессе эксплуатации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные работы в изданиях, реферируемых базой Scopus 1. Bekker A.T., Uvarova T.E., Pomnikov E.E., Gomolskiy S.G., Sabodash O.A., Kova lenko R.G., Prytkov I.G. Physical and Mechanical Properties of Modeling Ice for Investigation of Abrasion Process on Ice-Resistant Offshore Platforms // Proc. of the 20-th Int. Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE), Beijing, China, 2010. P. 1231-1237.

2. Bekker A.T., Uvarova T.E., Pomnikov E.E. The Registration of Temperature during Calcu lation of the Ice Abrasion // Proc. of the 9-th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symp., Bus san, Korea, 2010, P. 226-229.

3. Bekker A.T., Uvarova T.E., Pomnikov E.E., Farafonov A.E., Prytkov I.G., Tyutrin R.S. Ex perimental Study of Concrete Resistance to Ice Abrasion // Proc. of the 21-th International Off shore and Polar Engineering Conf. (ISOPE), Maui, Hawaii, 2011. P. 1044-1047.

Научные работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 4. Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Учет планово-высотной изменчивости истирающего воздействия ледяного покрова на морские инженерные сооружения // Научно-технический журнал ФГБОУ ВПО «МГСУ» «Вестник МГСУ». 2012. №1. С. 46-50.

Научные работы в других изданиях 5. Беккер А.Т., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Расчет усталостной прочности элемента конструкции от действия ледовой нагрузки // В сб. тр. междунар. конф. «Стихия Строитель ство Безопасность», Владивосток, Россия, 2008, с. 246-251.

6. Помников Е.Е. Расчет усталостной прочности элемента конструкции от действия ле довой нагрузки // Межвузовский сборник статей лауриатов конкурсов. Выпуск 11;

Нижего род. гос. архит.-строит. ун-т. Н.Новгород: ННГАСУ, 2009. С. 315-317.

7. Bekker A.T., Uvarova T.E., Pomnikov E.E. Fatigue strength analysis of structural elements under ice condition // Proc. of the 20-th Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condi tion POAC-09, Lulea, Sweden, 2009.

8. Помников Е.Е. Влияние формы ледяного образования на величину ледовой нагрузки // Материалы рег. науч. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». ч. II. Владивосток:

Изд-во ДВГТУ, 2010. С. 239-243.

9. Беккер А.Т., Гомольский С.Г., Сабодаш О.А., Коваленко Р.Г., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Физические и механические свойства модельного льда для исследования абразии мор ских нефтегазовых платформ // Тр. науч. конф. «Вологдинские чтения», «Архитектура и строительство». Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. С. 177-189.

10. Помников Е.Е., Семенов В.В. Имитационная модель расчета ледовой нагрузки // Ма териалы рег. науч. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс» ч. II. Владивосток:

Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 187-192.

11. Помников Е.Е., Сидельникова Е.Л. Пример расчета глубины ледовой абразии МЛП для условий Охотского моря // Материалы рег. науч. конф. «Молодежь и научно технический прогресс». ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 196-203.

12. Помников Е.Е., Шмыков А.А. Варианты конструкций платформ для освоения углево дородов на шельфе северных морей // Материалы рег. науч. конф. «Молодежь и научно технический прогресс». ч. II. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2011, с. 230-235.

13. Bekker A.T., Uvarova T.E., Pomnikov E.E. Calculation of Ice Abrasion for the Lighthouses Installed in the Gulf of Bothnia // Proc. of the 21-th Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition POAC-11, Montreal, Canada, 2011.

14. Беккер А.Т., Якобсен С., Ким Л.В., Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Оценки опасности ледовой абразии морских платформ в дальневосточных морях // Тр. 10-й Междун. конф. и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2011). СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. С. 262–265.

Авторские свидетельства 15. Св-во… № 2011619023 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Взаимодействие льда с сооружением (IceStrIn 2.0 (Абразия) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уваро ва, Е.Е. Помников. – Заявка № 2011617041 от 21.09.11;

зарегистрировано в Реестре про грамм для ЭВМ 18.11.11.

16. Св-во…№ 2011619024 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Программа для графической интерпретации результатов расчета (Construction 3D) / Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. – Заявка № 2011617043 от 21.09.11;

зарегистрировано в Рее стре программ для ЭВМ 18.11.11.

17. Св-во…№ 2012610822 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Программа для определения распределения прочности и температуры льда с учетом пространственно временной неоднородности (Прочность льда) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. – Заявка № 2011617042 от 21.09.11;

зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.01.12.

18. Св-во…№ 2012610822 Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ. Программа для определения распределения прочности и температуры льда с учетом пространственно временной неоднородности (Прочность льда) Заявка № 2011617042 от 21.09.11;

зарегистрирована. в Реестре программ для ЭВМ 18.01.12.

Личный вклад автора. Работы [6, 8] выполнены автором лично. В работах [1-4, 9-11, 13, 14] автор участвовал в обсуждении модели, разрабатывал численную схему и выполнил все необходимые расчеты. В работах [5, 7, 12] автор принимал участие в постановке задачи, в [8, 9] – в предварительном математическом моделировании технологического процесса.

Егор Евгеньевич ПОМНИКОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ АБРАЗИЮ СООРУЖЕНИЙ ШЕЛЬФА АВТОРЕФЕРАТ Подписано к печати 27.04.2012 г. Усл.п.л. 1 Уч.-изд.л. 0. Формат 60*84/16 Тираж 100. Заказ Издано ДВФУ, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

Отпечатано в типографии № 2 ИПК ДВФУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.