Наукова електронна бібліотека

1.1 Експериментальні дослідження закономірностей деформування і руйнування крижаного покриву динамічними навантаженнями

Першими в області вивчення крижаного покриву як несучої платформи були роботи Г.Я.Седова [94], Б.Н.Сергеева [95], С.А.Бернштейна [1], що стосувалися питань транспортування вантажів по льоду і пов'язаних з цим досліджень граничних навантажень на лід. Н.Н.Кашкін [146] вперше зробив записи хвилеподібних коливань крижаного покриву від дії імпульсного навантаження. Однак він помилково вважав, що при розрахунку міцності льоду цими коливаннями можна знехтувати. Проф. Н.Н.Зубов [147], спостерігаючи хвильовий характер коливань льоду під дією рухається навантаження, вперше вказав на можливість виникнення небезпечних резонансних явищ. Г.Р.Брегман і Б.В.Проскуряков, аналізуючи дані про коливання крижаного покриву при переміщенні вантажів, прийшли до висновку про існування деякої швидкості, перевищення якої може привести до руйнування крижаного покриву [24]. Це припущення підтвердилося згодом при експлуатації "Дороги життя" - траси, прокладеної в роки Великої Вітчизняної війни по льоду Ладозького озера до обложеного Ленінграда.

У зв'язку з її експлуатацією К.Е.Іванов, П.П.Кобеко і А.Р.Шульман [47] провели дослідження, присвячені вивченню руйнування льоду під дією рухається навантаження. Незрозумілі з точки зору статичної впливу навантаження випадки пролому льоду під рухомими автомашинами змусили звернутися до вивчення хвильових процесів в льоду при русі по ньому вантажів. Безпосередні виміри деформацій крижаного покриву в разі швидко переміщаються вантажів дозволили дослідникам зробити ряд важливих висновків, які отримали в наступних роботах і теоретичне обгрунтування. Зокрема, було відмічено, що при русі автомашин зі швидкостями, меншими деяких критичних значень, обурення поширюється по льоду зі швидкістю руху машини і практично з тією ж швидкістю зникає слідом за нею. На малюнку 1.1 наведені записи, зроблені прогібографамі, розташованими по лінії, перпендикулярній руху автомашини, і відстають один від одного на 5метров. Прилад № 1 був поміщений безпосередньо біля траси. Коли швидкість руху машини була близька до критичної швидкості vр (трохи більше 5,6 м / с), в крижаному покриві розвивалися прогресивні хвилі, які реєструвалися приладами, які стояли від траси на відстані сотні метрів [47]. Шляхом зіставлення численних записів коливань крижаного покриву при різних швидкостях руху і при різних навантаженнях були визначені швидкість хвилі v і її довжина l. Так, наприклад, при товщині льоду h = 0,6 м і глибині водоймища H = 5 м довжина хвилі була l = 200 м, а її швидкість v = 9,7 м / с, при цьому не було виявлено залежності l від швидкості руху навантаження і її величини.

В експериментах Ф.Пресса, А.Крері і ін. [153] щодо порушення в крижаному покриві хвиль порівняно низької частоти були отримані недіспергирующего хвилі. Пізніше з'явилися роботи А. Крері, Р. Котелль, Дж. Олівера [135, 136], що містять результати натурних спостережень за природними коливаннями льоду арктичних і антарктичних морів. Основним об'єктом досліджень тут були длінноперіодние ІГВ. Питанням експериментального дослідження коливань крижаного покриву присвячені також роботи К.Ханкінса [141, 142].

Заміри вільних і вимушених коливань крижаного покриву виконували А.Д.Ситінскій і В.П.Тріпольніков [96]. Спектри природного фону вертикальних коливань крижаного покриву дані в роботі Л.Лешака [149]. Результати замірів хвилювання в дрейфуючих льодах призводить Г.Робін [156].

І.С.Песчанскім і К.Е.Івановим [48, 89] проводилися експеримен-тальний дослідження деформації крижаного покриву від рухомих навантажень. Спеціальні досліди дозволили встановити, як впливає швидкість переміщення навантаження на величину і характер прогину льоду. Так, на малюнках 1.2 - 1.3 представлені криві прогинів крижаного покриву товщиною 0,38 м при русі вантажів масою 10,5 і 14 т зі швидкостями від 2,6 до 19,4 м / с. На малюнках вказані відносні швидкості c. Прогини записувалися самописами-прогібографамі, розміщеними через кожні 50 м уздовж шляху проходження вантажів (в 2 м від осі траси) і в напрямку, перпендикулярному до траси, також на відстані 50 м один від одного. Зіставляючи криві прогинів, можна помітити, як змінюється характер деформації крижаного покриву зі зміною швидкості переміщення вантажу. При малих швидкостях (до 2,8 м / с) крива прогинів практично така ж, як при статичному навантаженні. У міру збільшення швидкості руху прогин під вантажем зростає, досягаючи максимального значення при певній (критичній) швидкості vр (в розглянутих випадках ). Подальше збільшення швидкості вантажу призводить до зменшення прогинів, а форма кривої прогинів кардинально змінюється, що можна помітити, наприклад, порівнюючи криві при c = 1 і c = 1,28 на малюнку 1.2.

Запис величин прогинів крижаного покриву при русі вантажу однієї і тієї ж маси, але при різних глибинах водойми, показала, що при докритичних швидкостях на менших глибинах прогини досягають більш високих значень (рисунок 1.4). Відмінності величини і форми прогинів можуть бути пояснені впливом мілководдя на поширення гравітаційних хвиль у воді.

З малюнку 1.5, на якому наведені експериментальні криві прогинів льоду для покоїться і рухається з різними швидкостями вантажів, видно, що відразу після початку руху, коли швидкість вантажу ще досить мала, прогини під вантажем зменшуються в порівнянні з прогинами при статичному навантаженні. Цей результат збігається з натурними спостереженнями, описаними в роботах Г.Р. Брегман, Б.В. Проскурякова [24], К.Є. Іванова, П.П. Кобеко, А.Р. Шульмана [47]. Деяке збільшення несучої здатності крижаного покриву при русі вантажу, маса якого була граничною при статичному навантаженні, відзначається в роботі [51].

Глибина водойми H = 5,6 м

Малюнок 1.2 - Криві прогинів крижаного покриву в залежності від відносної швидкості руху c і маси вантажу Р

Глибина водойми H = 6,3 м

Малюнок 1.3 - Криві прогинів крижаного покриву в залежності від відносної швидкості руху c і маси вантажу Р

1 - H = 6,8 м; 2 - H = 6,3 м; 3 - H = 5,6 м

Малюнок 1.4 - Прогини льоду товщиною h = 0,38 м на різних глибинах при русі вантажу Р = 14 т

Малюнок 1.5 - Криві прогинів крижаного покриву від нерухомої і рухомої навантажень

В роботі І.С. Піщанського [89] наведені записи несталих коливань крижаного покриву при русі вантажів з надкритичними швидкостями (рисунок 1.6). Коливання льоду записувалися на шляху проходження вантажу. При цьому прилад № 1 записував більш ранні несталі коливання, а прилад № 3 - відповідно більш пізні.

З малюнка 1.6 видно, що при несталої швидкості навантаження, що перевищує критичну, і вплив вільних коливань крижаного покриву в останньому виникає інтерференція, що може привести до появи хвиль значної амплітуди. Однак у міру стабілізації процесу максимальні прогини і висота хвилі перед вантажем стають менше (див. Криву, записану приладом № 3). Теоретичні дослідження плоских коливань крижаного покриву, виконані С.С.Голушкевічем [25] і Д.Е.Хейсіним [124], призводять до аналогічних результатів.

Малюнок 1.6 - несталий коливання крижаного покриву при русі навантаження зі швидкістю c = 1,27

Експериментальному вивченню вимушених коливань довгою плаваючою пластини, що генерує в рідини систему "нагінних хвиль", присвячена робота Ю.В.Пісарева [90]. Їм встановлені загасаючий характер вимушених коливань пластини, залежність амплітуди хвилі від маси рухомого вантажу і глибини води. При русі вантажу по пластині зі швидкістю v> vр так само, як і в дослідженнях інших авторів, спостерігалося зменшення прогинів пластини.

В.Н.Смірновим проводилися експерименти по дослідженню поширення хвиль в крижаному покриві з метою визначення фізико-механічних властивостей льоду [97, 98]. Отримані експериментальні дані добре узгоджуються з теоретичними висновками роботи Д.Є. Хейсин [124].

Уявлення про закономірності, що виявляються при русі навантаження по крижаному покриві, може бути отримано не тільки при натурних дослідженнях, досить трудомістких і складних, але і шляхом модельних експериментів, до яких зверталися багато дослідників. При цьому для простоти моделювання експериментаторами вивчалися коливання пластин на пружній основі, гнуться по циліндричній поверхні. Як відомо, в цьому випадку досить розглянути коливання балки-смужки, виділеної з пластини. Такий завданню були присвячені експерименти Х.Е.Крайнера [137], який вивчав вплив рухається навантаження на ПДВ нескінченної балки, що лежить на пружній основі, за допомогою електричного моделює пристрої, розробленого на основі аналогових методів. При дослідах вивчався рівномірний і нерівномірний рух вимушених коливань з урахуванням загасання коливань. В результаті досліджень була отримана серія графіків, що дозволяють виявити характер впливу параметрів рухається навантаження і підстави на ПДВ балки. На малюнках 1.7 - 1.8 представлені криві прогинів і згинальних моментів в залежності від безрозмірною швидкості і безрозмірного коефіцієнта загасання D. При зростанні швидкості руху сили точка докладання останньої переміщається вперед, до вузла хвилі. Це більшою мірою проявляється при збільшенні коефіцієнта загасання. Одночасно довжина хвилі перед навантаженням зменшується, а за нею - збільшується. Зі збільшенням швидкості руху навантаження змінюється місце виникнення найбільших напруг.

а) D = 0,20; б) D = 1,0

Малюнок 1.7 - Прогини пластини в залежності від относітельнойскорості навантаження і коефіцієнта загасання D

При докритичних швидкостях найбільший згинальний момент виникає під навантаженням (зауважимо, що точка максимального прогину при цьому знаходиться кілька позаду навантаження). При надкритичних швидкостях пік моментів розташовується попереду навантаження. Характер графіків прогинів має велику схожість з натурними записами коливань крижаного покриву.

а) D = 0,20; б) D = 1,0

Малюнок 1.8 - Криві згинальних моментів в пластині в залежності від відносної швидкості навантаження і коефіцієнта загасання D

В роботі Е.Лекурта і Т.Котреса [150] наводяться результати модельних випробувань арктичного СВП SK-5 над модельним крижаним покривом. Результати експериментів показали, що при глибині води, що дорівнює довжині судна, вплив мілководдя практично не позначалося на хвильовому опорі моделі, а при відношенні глибини до довжини моделі, рівному 1/2, хвильовий опір зросла на 3%. Максимальні значення амплітуди ІГВ і хвильового опору відповідали критичної швидкості моделі.

Л.В. Голд вивчав коливання крижаного покриву, викликані рухомими навантаженнями, за допомогою датчиків тиску, закріплених на кордоні "лід-вода" [140]. Експерименти показали, що при швидкості навантаження в діапазоні 0 <v <vкр лід мав симетричний прогин. У міру наближення швидкості навантаження до критичного значення прогини льоду ставали все більш несиметричними. Було також відмічено, що максимальні напруги в льоду виникають при швидкостях, кілька перевищують критичні.

Питанням поведінки морського і озерного крижаного покриву при дії на нього рухомих навантажень присвячена робота В.Сквайра і ін. [157]. В.Сквайр зробив серію експериментів на антарктичній станції McMurdo Sound, в яких зробив записи деформацій крижаного покриву на різних відстанях від льодової траси.

У 1985-1986 р на озері Saroma в Японії експерименти з вивчення деформацій крижаного покриву при русі по ньому навантаження провів Т.Такізава [160, 161]. Їм були зроблені записи прогинів льоду при різних швидкостях транспортного засобу. За результатами експериментів швидкісні режими руху навантаження були класифіковані в такий спосіб:

1) квазістатичний режим (при малій швидкості навантаження), коли характер кривої прогинів майже такий же, як при статичному навантаженні, але центр чаші прогину (западини кривої) трохи відстає від точки прикладання навантаження;

2) ранній перехідний режим, коли западина кривої звужується і стає глибшою, а її край піднімається вище;

3) пізній перехідний режим (при швидкості, близькій до резонансної), коли починають розвиватися хвилі позаду і попереду навантаження, а центр западини кривої прогинів ще більш відстає від навантаження;

4) двохвильовий режим (при швидкості вище критичної), з відносно короткою хвилею попереду джерела і більш довгою хвилею позаду;

5) режим одиночної хвилі (при подальшому збільшенні швидкості), де позаду йде хвиля зникає, а залишається тільки коротша хвиля, що розповсюджується попереду навантаження.