刘波[1]2004年在《冰层热应力非线性有限元分析》文中指出在寒冷的冬季,水域内形成的冰层会随着温度的升高而膨胀,如果膨胀变形受到外界的约束,在冰层内会产生热应力,从而对其约束产生温度膨胀力。在一些情况下这种膨胀力会很大,对水工结构物的安全有很大的威胁,所以必须考虑温度应力。冰层温度应力问题是非线性问题,包括边界非线性、冰的比热C和导热系数K的非线性、冰弹性模量和热膨胀系数的非线性等。本文将有限元理论引用到冰层温度场和热应力的非线性计算中:首先,根据傅立叶热传导微分方程,采用有限元结合有限差分法,计算冰层的温度场分布;其次,引入冰的粘弹性模型计算出冰层的热应力场的分布;最后,把计算结果与实测数据进行了比较,结果和实测吻合较好,证明了有限元解法的有效性,该方法可为工程实际应用提供有价值的参考。
商建[2]2010年在《冰温度膨胀力对大型预应力渡槽的影响研究》文中研究表明由水冻结成冰的相变过程中体积会膨胀,冰在升温过程中体积也会膨胀。本文讨论的是后者。在寒冷的冬季,水域内形成的冰层会随着温度的升高而膨胀,如果膨胀变形受到外界的约束,冰层内就会产生一定的温度应力,反之冰层则对约束形成温度膨胀力。通常情况这种膨胀力会很大,以至对水工建筑物的安全构成严重的威胁,所以必须给予足够的重视。为解决我国水资源分布不均的问题,我国目前正在兴建举世瞩目的南水北调工程。渡槽是南水北调工程中跨越河流、道路等的重要架空输水建筑物,在南水北调中线工程中大型渡槽就有数十座,且大部分位于冬季冰冻地区。由于渡槽工程投资巨大,影响颇深,所以有必要对渡槽设计做深入细致的研究,以保证渡槽结构的稳定性、经济性和合理性。而对其冰温度膨胀力的研究就是其中一项不可缺少的内容。本文在系统分析了冰温度膨胀力的作用方式和作用机理的基础上,主要从以下几个方面进行了研究:(1)通过对国内外相关文献的检索,了解冰温度膨胀力计算的基本理论,把握冰温度膨胀力研究领域的发展方向。(2)结合工程实例,采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立预应力渡槽结构的叁维有限元模型。(3)采用冰的粘弹性模型,将有限元理论引用到冰层温度场和热应力的非线性计算中,分别采用两种方法计算冰层膨胀力,并对不同温升时间和不同冰层厚度的冰层热应力进行敏感性分析。
彭敏瑞[3]2006年在《冰荷载、温度荷载对大型预应力渡槽结构的影响研究》文中研究表明大量工程实践证明,温度应力、冰膨胀力是引起大体积混凝土渡槽结构出现裂缝和发生事故的主要原因。温度场对渡槽的温度应力和挠度有很大的影响。冰膨胀力是温度场发生改变的一个特殊问题,冰膨胀变形受到外界约束产生的膨胀力会很大,对渡槽结构安全有很大威胁。我国正在修建的南水北调工程是一项举世瞩目的宏伟工程,其中南水北调中线渡槽工程投资巨大,因而对渡槽设计必须做深入细致的研究以保证渡槽结构的稳定性、经济性和合理性。而对其温度荷载、冰荷载的研究是一个不可缺少的内容。本文在系统分析了上述两种荷载作用情况和作用方式的理论基础上,从以下几个方面进行了研究。1.结合工程实例,采用大型通用有限元计算软件ANSYS建立预应力渡槽结构模型,编程进行预应力损失的计算。对预应力施加程序进行了优化研究,提出了合理的预应力施加方案,该方案使渡槽结构在施工期能更好的满足应力、变形的要求。2.运用有限元法的基本理论,借助有限元计算软件ANSYS9.0,计算该大型预应力渡槽结构在夏季均匀温升和夏季一天日照变化两种工况的温度场,然后通过温度—结构场的耦合计算渡槽结构的应力分布情况。3.采用冰的粘弹性模型,将有限元理论引用到冰层温度场和热应力的非线性计算中,分别采用两种方法计算冰层膨胀力,对温升时间和冰层厚度做了敏感性分析。结果可为工程实际应用提供有价值的参考。
宋涛[4]2007年在《静冰荷载对水工建筑物的影响研究》文中进行了进一步梳理在寒冷地区,各类水工建筑物均会受到冰荷载的作用,而冰层温度膨胀力是其中一种对结构产生重要影响的荷载。水域内形成的冰层会随着温度的升高而膨胀,如果膨胀变形受到外界的约束,在冰层内会产生热应力,从而对其约束产生温度膨胀力。在一些情况下这种膨胀力会很大,对水工结构物的安全有很大的威胁,往往影响水利、水运工程的正常运营,所以合理地确定冰对水工结构物的作用力问题也越来越引起人们的关注。由于冰的温度膨胀力受很多因素影响,包括约束边界的形状,约束体的刚度,冰层的相对厚度,温升率,冰的应变率等,所以给冰膨胀力的研究带来了很大的困难。本文在对冰温度膨胀力的作用机理作简要分析的基础上,将有限元理论引用到冰层的温度场和应力场的非线性计算中:第一,根据热传导微分方程,考虑叁种边界条件,采用有限元结合有限差分法,计算了冰层的温度场分布,并且讨论了温升率对温度场分布的影响。第二,通过采用粘弹性有限单元法进行数学分析,计算出冰层的温度应力场的分布,并且讨论了温升率,冰厚和不同约束对冰层温度应力场分布的影响。第叁,将冰层膨胀力引入到挡土墙的计算中,对无冰荷载作用和有冰荷载作用的工况进行了对比分析。通过把计算结果和大量现场实测数据进行比较,说明采用粘弹性有限元分析方法计算冰荷载比较合理。
韩明[5]2005年在《河流冰层对河岸热膨胀应力的可行性分析与计算》文中认为冰的热膨胀应力是封冻期冰对水工结构物的主要作用力之一,往往影响水利、水运工程的正常运营。客观反映冰层热膨胀应力的变化需要准确描述冰层温度场的变化和热膨胀应力的特性。依次从这两个方面着手,首先对太原汾河二库冰温和冰厚的观测资料进行了分析,得到了有关冰层温度场的特性。然后讨论了冰层热膨胀应力的产生过程同常应变速率条件下冰单轴压缩试验间的共性,简化了低应变速率条件下冰的应力应变曲线,认为应力从零开始线性变化到最大应力值。并把此条件下得到的力学特性参数用于冰温度膨胀应力的计算。 以有限元软件ANSYS作为工具,结合实测温度场反演的导温系数,对1月28日8时至1月29日8时之间24小时的温度场进行了模拟。温度场的计算过程分为24个荷载步进行。温度场的模拟结果与实测温度场进行比较,结果十分吻合,说明在此基础上进一步计算热应力场是可行的。 从第一个荷载步开始,分析模型由于温差产生的热膨胀应力,并将计算结果作为初始应力来分析下一荷载步热膨胀应力的变化。依次计算直到最后。模型的尺寸是以现场冰情为准,其中河宽为长,冰厚为高。河流的轴向长度远远大于河宽,属于平面应变问题,计算宽度取为1m。利用同一温度场分别对垂直固定约束和斜坡约束两种工况的热膨胀应力进行了计算。两个算例在温度升高的过程中,热应力的最大增量分别为0.126MPa和0.1MPa。闪电水库6年的冰应力观测结果中,一般天气中冰压力的最大增量为0.133MPa。这一观测结果与计算结果接近,验证了这种计算冰层热膨胀应力方法的可行性。
李梦姌[6]2017年在《高寒地区水库静冰荷载对水工建筑物作用机理研究》文中研究说明高寒地区特有的高山融水资源,使得水工建筑物的建设必不可少,由于该地区冬季气候较为寒冷,会造成区域内河渠、水库结冰形成冰盖并产生作用于水工建筑物上的静冰荷载。除了环境温度升高时冰盖自然的膨胀起来产生的冰温度膨胀力之外,还包括当冰盖下方出现水位下降的情况时,建筑物受到的冰盖对其产生的弯矩和剪力作用,称为拉拔力。为了提高高寒地区水工建筑物的安全稳定性建设,必须考虑静冰荷载的作用。本文通过对国内外相关冰力学文献的检索,了解了淡水冰材料的力学性质,采用了热力学理论和计算断裂力学中的扩展有限元方法,运用大型通用有限元软件ABAQUS建立了不同约束边界条件下的冰盖有限元模型并对冰盖的温度膨胀力及拉拔力分布规律进行了分析研究并进行了相关冰温度膨胀力的试验研究。研究结果表明:高寒地区冰的温度膨胀力主要分布在冰盖距离上表面2/3范围内,且最大热应力在冰盖上表面处。冰盖对建筑物产生的拉拔力与水位下降高度、下降速度以及裂纹初始位置有明显的关系,通过对比常规有限元方法和扩展有限元方法求得的拉拔力作用表明,断裂力学在求解极限应力问题更有优势,且更符合实际。
张淼溶[7]2013年在《冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究》文中研究说明近年来，全球气候变暖，极地冰川融化加剧，北冰洋这片人迹罕至的海域在不久的未来完全有可能实现船舶通航，从而大大缩短亚洲国家与欧洲及美洲之间的运输航程，降低运输成本。与此同时，地质探测发现两极地区蕴藏着丰富的油气资源，人类的油气开采计划也会相继青睐于此，中高纬度的港口以及航道将迎来空前的繁荣。然而，无论是航道的开辟还是油气的开采，人们都无法回避冰载荷带来的相关问题，这必然增大船舶以及海洋结构物遭受冰载荷破坏的概率，一旦发生结构损伤以及油气泄漏事故，将会给国家和人民造成重大的生命财产损失。基于上述原因，本文开展了冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究。考虑固体与流体之间的耦合作用，研究船—冰碰撞有限元仿真技术；探讨船—冰碰撞参数对船舶肩部与冰体(质量块)发生碰撞的影响规律；改变冰排碰撞参数，模拟不同工况下船艏结构与冰排(大面积冰层)的挤撞响应；分析冰层对于封冻在其中的船舶的挤压作用，针对船舶损伤情况提出抗冻结构加强建议。主要工作如下：（1）根据弹塑性力学理论，阐述了船体钢的材料特性及失效准则；引入了国内外冰体数值仿真的最新方法，以冰山冰为对象研究了冰体的材料模型及本构关系，根据Tsai-Wu屈服曲面建立了冰体材料参数，参考前人基于上述冰体模型完成的圆台冰—刚性墙碰撞仿真结果，其压强—面积曲线与实验结果以及ISO推荐曲线较为一致；考虑水介质的作用，确定其材料模型以及状态方程，探讨了LS-DYNA软件实现流固耦合分析的方法，结合具体算例论证LS-DYNA软件实现上述分析的可行性。（2）利用前处理软件PATRAN建立了全船、冰体以及水介质的有限元模型，在考虑流固耦合作用的前提下，通过非线性有限元软件LS-DYNA，对船舶肩部与冰体发生碰撞进行数值计算，对比研究了不同工况下船体结构响应的异同，揭示了冰体形状、碰撞速度、碰撞位置等因素对船舶与冰体发生碰撞的损伤变形、碰撞力以及能量吸收的影响规律以及特性，简要分析了船冰碰撞条件下水域的流场分布状况。（3）在高纬度海域通常会有冻冰层或流动的冰排漂浮于海面，要想通过冰区水域船舶必须与之发生挤撞。模拟船艏与冰排发生挤撞，主要考虑相同条件下分别改变冰排厚度、运动状态以及物理性质单个碰撞参数，对比研究不同碰撞工况下船—冰结构的损伤变形、撞击船速度变化以及碰撞力等方面的结构响应差异，得到上述因素对船—冰碰撞的影响规律。（4）结合实际分析船舶遭受冰层挤压的场景并加以简化，重点研究冰层温度场以及应力场的计算，结合具体工况以及试验数据模拟得到各时间子步的温度场，在此基础上通过对相邻子步温度场作差，得到模型相应状态的应力分布并逐步累加。以一艘沿海货船为例，建立了其首部以及尾部（单壳结构）有限元模型，在假定船冰接触界面刚性的基础上，拟合应力场函数加载于船体模型。根据计算结果分析船舶结构损伤，提出船舶抗冻结构加强建议。
刘荔铭[8]2017年在《高寒地区水库静冰压力对砼面板堆石坝的变形及损伤研究》文中研究说明混凝土面板堆石坝(Concrete Face Rockfill Dam,缩写为CFRD),作为一种相对经济的坝型在世界范围被广泛认可,其已成为目前我国水电建设中一种极具竞争性的坝型。CFRD的防渗主要靠上游面的混凝土面板,而为了维持大面积薄层面板的整体性,通常对面板进行分缝处理,并且缝内设置止水结构来用以防渗。虽然分缝缓解了面板的整体应力应变条件,但同时其自身的受力条件也变得异常复杂。高寒地区冬季水库结冰形成冰盖,冰盖在气温升高的情况下会产生温度膨胀力,这种作用力会对面板及止水结构产生不利影响。本文首先对冰的本构模型进行了介绍,通过ANSYS APDL参数化命令语言对冰的瞬态温度场及应力场进行了仿真计算,得到了冰盖内部温度场及应力场的一般分布规律,即冰的瞬态温度场和应力场都集中分布在冰盖上部约15cm的范围内呈非线性变化,冰盖表面呈现冰温度膨胀力极值。而在不同的约束条件下其应力值不同,四周直立墙约束的情况下,应力值最大约0.369MPa。然后,通过对面板和止水结构施加冰温度膨胀力极值,对其进行应力应变分析,研究结果表明:面板应变对施加的冰温度膨胀力响应不明显,属毫米级;对面板的应力X方向(顺水流方向)呈现最大值,约为2.73MPa;对止水结构橡胶盖板的应力最大值约为15.8MPa,对橡胶盖板和扁钢压条的应变也有一定的影响,应当引起重视。
张社荣, 李升, 彭敏瑞[9]2008年在《冰温度膨胀力对渡槽结构影响的有限元分析》文中研究表明在对冰温度膨胀力进行简要分析的基础上,采用冰的黏弹性模型,将有限元方法引入冰温度膨胀力对预应力混凝土渡槽结构影响的计算中.针对工程中常见的受固定约束的冰层对渡槽结构的影响进行有限元建模计算.通过分析可知,冰温度膨胀力会使底板上侧靠近边墙附近产生较高的应力集中,会引起局部结构的破坏.同时,对模型进行冰层厚度和不同温升时间的敏感性分析.结果表明,当温升时间相同时,冰温度膨胀力会随着冰层厚度的增大而增加.
靳德武[10]2004年在《青藏高原多年冻土区斜坡稳定性研究》文中认为青藏高原地区冻土分布面积达1.5×10~6 km~2，占我国多年冻土分布面积的70％，在全球气候转暖的背景下，多年冻土有着退化的趋势。而青藏高原地区的各类工程活动则进一步加剧了多年冻土退化的趋势，由此引发的冻融灾害不仅威胁着公路、铁路、桥梁、输油管道等线性工程的建设，而且导致寒区生态环境恶化，使多年冻土丧失恢复能力，热融滑塌就是最为典型的斜坡冻融灾害。 本文从青藏高原多年冻土区冻土斜坡失稳类型分析、典型冻土斜坡地质结构分析入手，通过对青藏公路K3035里程典型斜坡热融滑塌模型试验研究、稳定性分析、现场监测、温度场和变形场数值分析，开展了青藏高原多年冻土区斜坡稳定性研究，取得了如下成果： ① 在全面总结青藏公路沿线有关斜坡研究成果的基础上，通过调查对青藏高原多年冻土区冻土斜坡失稳类型进行了划分，根据其形成原因和冻土赋存环境，正融土滑坡可以划分为两种类型：融冻泥流型和热融滑塌型；正冻土滑坡可划分为两种类型，即蠕变型滑坡和崩塌型滑坡。 ② 在青藏高原多年冻土区斜坡地带活动层土体沿确定的滑动面(冻融界面、厚层地下冰面)在融化季节滑动形成融冻泥流和热融滑塌两类典型的滑坡灾害。热融滑塌的失稳因素可以归结为：a．厚层地下冰的存在且埋藏深度较浅易受地表气温变化的影响，形成冰土分界面相对隔水且抗剪强度极低的滑坡条件，这是热融滑塌形成的内在因素；b．不合理取土或自然营力侵蚀引起的厚层地下冰的暴露且使坡体形成临空面而使其失去支承力，这是热融滑塌形成的外在因素(诱发因素)。 ③ 青藏公路K3035热融滑塌的显着特点是滑塌体不是整体一次性滑动，目前的滑坡范围扩展是从后缘原坡体融化、开裂、坍塌，塌落的土体沿滑面滑动。扩展发育时期为每年气温正值期，且主要集中在0～2m深度土体范围内，处于融化状态的7-10月。综合2000～2002年3年内滑坡范围扩展情况，估算现今滑坡范围向后扩展的速度为5m／a。 ④ 任何滑坡的产生，水分条件的变化是其重要的影响因素。热融滑塌更是如此，现场监测结果表明：融化季节在青藏公路K3035滑体2m以上范围的土体含水量高于冰层之上的粉质粘土液限值；在青藏公路K3057处大于同期对未滑动活动层土体的含水量的测量结果，即滑体水分显着高于原土体。冰面水分的聚集主要是由地下冰的融化所引起，正是由于大量融化水的存在，使得土体强度显着降低，并沿地下冰面产生了滑动。 ⑤ 根据相似理论第一定律，应用积分类比法推导并建立了冻土斜坡模型试验的相似指标和相似判据，得出以原状土作为模型介质时，6个相似常数可以减少为2个相似常数，即c_τ和c_ι。模型与原型的时间比例尺是由几何比例尺决定的，即c_τ=c_ι~2，仅有一个相似参数为自变量，另一个为因变量。应用自行设计的变形测量装置对斜坡土体表面冻胀和融沉进行了计算和分析，得出冻土斜坡的融沉变形远远大于冻胀变形的结论，与青藏公路沿线多年冻土地区公路路基变形观测结果一致。通过模型试验，得出变形场受温度场控制的结论，并在多个冻融循环中，存在着一个斜坡后继变形的“温度门限”，控制着斜坡变形的进一步发展。这些成果填补了多年冻土区滑坡研究的空白，为青藏高原多年冻土区道路工程建设中滑坡整治提供了依据。 ⑥本文推导了相变热传导问题微分控制方程的一般形式，应用有限元法对青藏公路K3035斜坡地温场和变形场进行了模拟，建立了冻土斜坡温度场和变形场数值分析模型。模拟了滑坎后缘拉张区5年内位移变化情况，得出冻土滑坡体每一年中位移由两个阶段即稳定阶段和非稳定阶段组成的结论，稳定阶段对应台阶面，非稳定阶段对应台阶壁;每一个台阶面均向右微微“上翘”，可以得出土体在冻结过程中还发生上坡位移，而不单单仅存在下坡位移，这一计算结果与风火山冻土蠕变监测结果取得了很好的一致。从模拟坡面内不同深度对应的下坡位移可以得出冻土斜坡的位移主要发生在浅部，深部基本不发生位移的结论，与青藏公路K3035斜坡现场测斜监测资料一致。采用基于灰色系统理论的GM(1，1)模型，对滑塌距离动态变化进行预测，计算滑塌距离为5.76m，误差为12.94%，说明所建立的GM(1，1)模型可以作为青藏公路K3035滑塌距离年内月平均变化的预测模型。 ⑦应用有效应力原理推导了不同渗流条件下无限斜坡稳定性分析的计算公式，对各种不同表达形式的安全系数进行了讨论和对比，得出在流线平行于斜坡条件下，两类特殊条件(干土坡、饱水土坡)下的分析结果与相同情况下安全系数统一式结果相一致的结论;当已=O及0(m(l时，无限斜坡安全系数的通式为尸=[(1一m)+m上]竺旦竺ysat tana流线为相互平行的水平线、流线与坡向一致两种情况分别为孔隙压力和安全系数的两种特例。流线与水平线的夹角为。‘刀‘a，二，.、二二/。、__刀_____:__:____翔。二。，，、。卜、、、。孔隙水压力u(刀)=mzy*一二mzr，sin，a，刀一。和刀=a分别对应上述两种极 口值情况(流线为相互平行的水平线、流线与坡向一致)。 ⑧绘制出了不同坡度、不同含水条
参考文献：
[1]. 冰层热应力非线性有限元分析[D]. 刘波. 天津大学. 2004
[2]. 冰温度膨胀力对大型预应力渡槽的影响研究[D]. 商建. 河北工程大学. 2010
[3]. 冰荷载、温度荷载对大型预应力渡槽结构的影响研究[D]. 彭敏瑞. 天津大学. 2006
[4]. 静冰荷载对水工建筑物的影响研究[D]. 宋涛. 天津大学. 2007
[5]. 河流冰层对河岸热膨胀应力的可行性分析与计算[D]. 韩明. 大连理工大学. 2005
[6]. 高寒地区水库静冰荷载对水工建筑物作用机理研究[D]. 李梦姌. 青海大学. 2017
[7]. 冰载荷作用下船体结构抗碰撞挤压性能研究[D]. 张淼溶. 江苏科技大学. 2013
[8]. 高寒地区水库静冰压力对砼面板堆石坝的变形及损伤研究[D]. 刘荔铭. 青海大学. 2017
[9]. 冰温度膨胀力对渡槽结构影响的有限元分析[J]. 张社荣, 李升, 彭敏瑞. 天津大学学报. 2008
[10]. 青藏高原多年冻土区斜坡稳定性研究[D]. 靳德武. 长安大学. 2004
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