Совершенствование методики определения механических характеристик льда для повышения надежности инженерных сооружений

Одной из основных тенденций развития топливно-энергетического комплекса в мире является освоение месторождений углеводородов на континентальном шельфе. По зарубежным данным, до 88% доказанных к началу 80-х годов извлекаемых запасов нефти и газа приходилось на шельф Мирового океана и прилегающие к нему участки суши. В 1970 г. добыча нефти на шельфе составила 19% от общемировой, в 1985 г. эта доля возросла до 25%. Ожидается, что к 2000 г. в море будет добываться до 60% всей нефти.

Россия обладает самой протяженной в мире морской границей, которая со.

2 2 ставляет 38,8 тыс. км, площадью шельфа 4,2 млн. км, из которых 3,9 млн. км перспективны на углеводородные ресурсы. Помимо известных морских месторождений нефти Каспийского моря, запасы нефти и газа обнаружены на шельфе Черного, Азовского, северных и дальневосточных морей. При этом более 80 процентов запасов нефти и газа России сосредоточено именно на шельфе ее северных и дальневосточных морей.

Освоение разведанных запасов нефти и газа на шельфе Охотского моря может существенно улучшить обстановку в топливно-энергетическом комплексе дальневосточного региона, дать сырье для химической промышленности, позволит создать новые рабочие места.

Однако освоение месторождений шельфа северных и дальневосточных морей сдерживается тем, что не решен в достаточной мере ряд технических задач. Для успешного освоения континентального шельфа необходимы современные технические средства, которые способны выполнять поставленные перед ними задачи. Создание таких средств является проблемой, сравнимой по своим масштабам, материальным затратам, ожидаемым научно-техническим и экономическим результатам с созданием технических средств, предназначенных для освоения околоземного пространства.

Анализ технических средств и способов разработки месторождений показывает, что наиболее перспективным является надводный способ, требующий строительства уникальных морских платформ. Эксплуатация таких платформ в замерзающих морях будет осложняться ледовыми условиями.

Зарубежный опыт и исследования последних 20 лет в нашей стране и за рубежом показывают, что добыча нефти и газа в ледовитых морях уже на современном уровне развития знаний и техники может быть технически возможной и экономически целесообразной.

Следует отметить, что за рубежом осваиваются месторождения шельфа моря Бофорта, Берингова и других морей. Условия эксплуатации морских платформ, построенных за рубежом, в основном относятся к субарктическим. Перспективные же месторождения нефти и газа шельфа российских морей расположены в зоне с арктическими как климатическими, так и ледовыми условиями. Опыта обустройства морских месторождений в условиях характерных, например, для шельфа Охотского моря, ледовый режим которого отличается высокой динамичностью, в мире нет.

Традиционные методы и технические средства освоения морских месторождений теплых морей не могут непосредственно использоваться на замерзающих акваториях. Для акваторий с суровым ледовым режимом требуется разработка принципиально новых технологий и технических средств, обеспечивающих эффективное освоение морских месторождений. Это обусловлено наличием дрейфующего ледяного покрова, который не только оказывает значительное силовое воздействие на инженерные сооружения шельфа, но и затрудняет транспортировку полезных ископаемых, эвакуацию людей, мониторинг окружающей среды и т. д.

Технические средства для освоения морских месторождений нефти и газа являются уникальными инженерными сооружениями. Для них характерна высокая стоимость, материалоемкость и ответственность. Учитывая, что их аварии могут привести к человеческим жертвам и экологическим катастрофам, к ним должны предъявляться высокие требования по надежности.

Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежность морских ледостойких платформ (МЛП), является ледовый режим морской акватории в районе месторождения и, как следствие, ледовые и воздействия на сооружения. В связи с этим основной проблемой при проектировании МПЛ является оценка ледовых воздействий.

Проблема оценки проектной надежности технических средств освоения морских месторождений северных морей связана с разработкой методов определения ледовых воздействий, методов динамического расчета конструкций на действие ледовых нагрузок, с исследованием прочностных характеристик морского льда, закономерностей формирования ледового режима и режима нагружения объектов дрейфующим ледяным покровом.

Проблемы, связанные с оценкой ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа, являются в последние десятилетия одними из актуальнейших в мире. Их разработкой в настоящее время заняты многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране. Для решения этих проблем проводятся специальные полевые работы и возведены уникальные лабораторные комплексы — ледовые бассейны. Программы ледовых исследований во многих странах имеют статус государственных с направленным финансированием. Кроме того, имеются и специальные коммерческие ледоисследовательские программы, выполняемые в рамках реальных проектов обустройства морских месторождений.

Многие научные общества и учреждения проводят регулярные конференции и симпозиумы, посвященные ледовым проблемам: 1АЬЖ, РОАС-через два года, ОМАЕ, 180РЕ-ежегодно, ВНИИГ и другие. Накоплено огромное количество отдельных публикаций и обобщений. Прогресс и достижения науки в области ледовых исследований за последние 30 лет очевидны.

Однако многие вопросы проектирования, строительства и эксплуатации МЛП на шельфе северных морей требуют дальнейших исследований. Сюда следует отнести методы определения расчетных значений физико-механических характеристик морского льда, поскольку при многих видах взаимодействия МЛП с ледяными образованиями нагрузка зависит от них пропорционально.

Практика показывает, что физико-механические характеристики морского льда необходимы и в случаях, когда естественные ледяные образования используются в качестве взлетно-посадочных полос для летательных аппаратов, зимних дорог, причальных сооружений, оснований для сооружений и технологического оборудования при бурении скважин и строительстве со льда, сооружений для занятий спортом т.п. Искусственные ледяные образования создаются человеком в процессе формирования ледяных скульптур и ледяных горок.

Естественные и искусственные ледяные образования, при их использовании в практической деятельности, необходимо рассчитывать на прочность, жесткость, устойчивость. Механические характеристики льда, используемые в этих расчетах, как правило, определяются экспериментально.

Однако, несмотря на большое количество работ, посвященных проблеме определения механических характеристик морского льда, существует еще большое количество неизученных вопросов, которые затрудняют назначение обоснованных расчетных значений механических характеристик льда.

Поскольку механические характеристики определяются экспериментально, то неопределенности при их оценке возникают по следующим причинам:

• лед как материал, использующийся при температурах, близких к температуре плавления, обладает существенной чувствительностью к внешним факторам, что приводит к большому разбросу значений механических характеристик;

• существующие методики определения механических характеристик не учитывают ряд факторов, существенно влияющих на результаты.

В связи с этим основной целью настоящей работы является повышение надежности инженерных сооружений путем совершенствования методики определения механических характеристик льда.

В первой главе работы рассмотрены характерные случаи применения механических характеристик льда при проектировании инженерных сооружений, взаимодействующих с ледяными образованиями, и сооружений, материалом которых является лед.

Поскольку механические характеристики определяются экспериментально, то проведен обзор работ в этой области. На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований установлено, что получаемые расчетные значения механических характеристик льда зависят как от природных факторов (температура, содержание жидкой и воздушных фаз), так и от условий испытаний (форма и соотношение размеров образцов, условия в системе «опорная грань образца-плита пресса», режимы нагружения).

Рассмотрены гипотезы, предложенные различными исследователями для объяснения влияния условий испытаний на механические характеристики. Критически проанализированы проведенные эксперименты с точки зрения регистрации и учета параметров, способствующих пониманию механизма влияния различных факторов на механические характеристики.

На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований выявлены факторы влияющие на результаты при одноосном сжатии и не нашедшие достаточного освещения в теоретических и экспериментальных исследованиях. Поставлены задачи дальнейших исследований.

Во второй главе на основе анализа зависимости силы взаимодействия между частицами, составляющими твердое тело, выявлена физическая сущность механических характеристик. Показано, что разрушение наступает из-за того, что в результате внешнего воздействия расстояние между частицами увеличивается настолько, что сила взаимодействия между частицами становится равной нулю. Линейная зависимость между напряжениями и деформациями возникает в связи с тем, что функция силы взаимодействия между частицами от расстояния между ними хорошо аппроксимируется прямой. Коэффициент Пуассона определяется не только силой взаимодействия между частицами, но и количеством и ориентацией связей между частицами в кристалле.

По результатам исследований, основанных на анализе зависимости силы взаимодействия между частицами от расстояния между ними, установлены причины влияния температуры на механические характеристики. Однако, основываясь на анализе этой же зависимости, установить причины изменения механических характеристик с изменением размеров образцов и режимов нагружения не представляется возможным.

По этой причине были рассмотрены природные факторы, присущие льду как молекулярному поликристаллу, и установлены механизмы влияния этих факторов на механические характеристики.

В результате анализа условий применения точного решения задачи о растяжении/сжатии стержня, а также экспериментальных данных, полученных для различных материалов, установлены причины влияния размеров образцов и режимов нагружения на механические характеристики. Поскольку точное решение задачи о растяжении/сжатии стержня может применяться только при определенных условиях, то влияние размеров образцов и режимов нагружения на механические характеристики следует интерпретировать как искажение последних в результате применения точного решения к напряженно-деформированным состояниям, ему не соответствующим.

В третьей главе исследовано влияние условий в системе «опорная грань-плита пресса» на механические характеристики.

Так как при оценке влияния условий на контакте на механические характеристики необходимо проводить анализ напряженно-деформированного состояния образцов с точки зрения формирования условий для перехода материала в предельное состояние, то в этой главе, на основе анализа напряженно-деформированного состояния консольного стержня при продольном ударе по его свободному концу, были выявлены особенности напряженно-деформированного состояния в месте перехода материала в предельное состояние. Установлено, что в результате распространения упругой волны в месте перехода материала в предельное состояние формируется напряженно-деформированное состояние, характеризующееся тем, что функция расстояний между поперечными сечениями стержня и функция эквивалентных напряжений имеют максимальное значение, а функция перемещений имеет перегиб.

Оценка влияния условий в системе «опорная грань-плита пресса» на механические характеристики производилась на основе численного решения задачи об одноосном сжатии цилиндра с высотой, равной диаметру. Рассматривались следующие граничные условия на опорных гранях: бесконечное трениеконечное трениеотсутствие трения.

Установлено, что при граничных условиях, характеризующихся отсутствием трения на контакте опорных граней и плит пресса, в образце формируется напряженно-деформированное состояние, соответствующее точному решению задачи о растяжении/сжатии стержня. При этом эквивалентные напряжения будут равны P/F, а разрушение образца произойдет образованием вертикальной трещины, параллельной оси образца.

Для граничных условий, характеризующихся конечным и бесконечным трением на контакте опорных граней и плит пресса, напряженно-деформированные состояния образцов отличаются от напряженно-деформированного состояния, соответствующего точному решению, а эквивалентные напряжения в опасных точках образцов не равны P/F.

Для граничных условий, характеризующихся конечным трением на контакте опорных граней и плит пресса, предложены функции, позволяющие устранить искажение в определении механических характеристик, которое появляется в результате неправомерного применения точного решения задачи.

На основе анализа результатов численных расчетов разработаны способ и критерии оценки применимости теорий прочности к материалам. В соответствии с предложенным способом оценка применимости теорий прочности осуществляется по результатам экспериментов, проведенных на цилиндрических образцах с высотой, равной диаметру, и граничными условиями, характеризующимися отсутствием трения и бесконечным трением.

С использованием общих положений об особенностях напряженно-деформированного состояния в месте перехода материала в предельное состояние и анализа возможных граничных условий на опорных гранях выявлены причины возникновения некоторых форм разрушения, наблюдаемых при проведении испытаний на одноосное сжатие.

Испытание серии образцов на одноосное сжатие можно рассматривать как моделирование сразу двух явлений. Первым является задача о растяжении/сжатии стержня. Очевидно, что все условия, соответствующие точному решению, должны быть смоделированы на всех образцах серии. Кроме того, все образцы серии должны моделировать некоторый базовый образец (второе явление) в части, касающейся тех особенностей, которые отличают поликристаллическое тело от сплошной среды.

В связи с этим в четвертой главе разработан комплекс констант подобия для задачи о сжатии стержня. Практическая ценность констант подобия заключается в том, что в случае, когда для обеспечения подобия никаких специальных мероприятий не проводилось, они будут являться классификационными признаками, с помощью которых можно выбрать образцы с подобными напряженно-деформированными состояниями. Кроме того, параметры, входящие в константы подобия, являются параметрами, характеризующими процесс деформирования и, следовательно, они подлежат измерению.

В этой же главе с использованием экспериментальных данных, полученных институтом СахалинНИПИморнефть в 1991 году для морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин, исследовано влияние условий испытаний на механические характеристики. Исследования проводились без учета места расположения образца по толщине ледяного покрова. Основанием для этого послужили специальные исследования, которые показали, что по содержанию жидкой фазы морской лед северо-восточного шельфа о. Сахалин однороден, за исключением самого верхнего слоя.

Экспериментальные данные для анализа отбирались из общего числа с использованием критериев и констант подобия или их размерных инвариантов. Это позволило сравнивать механические характеристики у образцов, напряженно-деформированные состояния которых подобны.

По экспериментальным данным установлена скорость деформирования, начиная с которой продольная деформация образцов в момент разрушения не зависит от скорости нагружения. Подобрана функция, аппроксимирующая экспериментальную зависимость коэффициента содержания жидкой фазы от температуры.

В пятой главе приведена методика испытаний, разработанная автором с учетом полученных результатов. При разработке методики за основу была принята методика, предлагаемая СНиП 2.06.04−82*.

Разработанная автором методика, в отличие от методики СНиП 2.06.04−82, предлагает испытывать цилиндрические образцы не только с отношением высоты к диаметру, равным 2,5, но и равным 1. Приведены рекомендации по свойствам прокладок, помещаемых между опорными гранями и плитами пресса, и свойствам смазочных материалов, применяемых для обработки поверхностей плит пресса или опорных граней.

В отличие от методики СНиП 2.06.04−82, методика, предлагаемая автором, содержит раздел, в котором приводится набор параметров, подлежащих измерению и регистрации.

Существенно переработан и дополнен раздел, регламентирующий обработку результатов экспериментов. Дополнения касаются определения физических параметров льда и проверки гипотезы об однородности льда по толщине ледяного покрова. Механические характеристики, в отличие от методики СНиП 2.06.04−82, рекомендуется определять по приведенным в методике формулам в зависимости от формы образца и формы его разрушения.

В методику включен раздел, в котором регламентируются условия и обработка результатов испытаний, проведенных с целью оценки применимости теорий прочности ко льду.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

— с позиций физики твердого тела выполнен анализ и дана интерпретация физической сущности механических характеристик, законов деформирования, особенностей напряженно-деформированного состояния в зоне перехода материала в предельное состояние;

— на основе расчетов напряженно-деформированного состояния цилиндрических образцов впервые произведена оценка влияния условий в системе «опорная грань-плита пресса» на значения механических характеристик материала;

— для задачи об одноосном сжатии цилиндрического образца разработаны способ и критерии оценки применимости теорий прочности к материалам;

— существующий комплекс констант подобия напряженно-деформированных состояний упругих равновесных конструкций дополнен константами подобия, отражающими особенности задачи об одноосном сжатии цилиндрических и призматических образцов льда, и определены параметры, подлежащие регистрации при испытаниях;

— установлено, что по содержанию жидкой фазы морской лед в условиях северо-восточного шельфа о. Сахалин можно считать однородным по толщине ниже верхнего слоя толщиной 15 см;

— определена зависимость коэффициента содержания жидкой фазы от температуры морского льда для условий северо-восточного шельфа о. Сахалин;

— установлено, что автомодельность по скорости нагружения при испытаниях цилиндрических образцов с диаметрами, равными их высотам, и изготовленных из морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин наблюдается при скоростях нагружения больших, чем 6,0 МПа/с.

Практическая ценность. Результаты исследований могут быть использованы при проведении испытаний на одноосное сжатие цилиндрических образцов с диаметрами, равными их высотам: для выбора технологии обработки опорных граней, для отбора экспериментов с подобными напряженно-деформированными состояниями, для проверки на однородность ледяного покрова по толщине, для перерасчета сопротивления разрушению к испытаниям, характеризующимся отсутствием трения на контакте опорных граней и плит пресса, для назначения скорости нагружения и деформирования при проведении испытаний, для проверки применимости теорий прочности, для обработки результатов экспериментов.

Результаты исследований целесообразно использовать для дополнения действующих нормативных документов, рассматривающих вопросы проведения испытаний по определению механических характеристик льда при одноосном сжатии.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована:

— в теоретических исследованиях — общепринятыми апробированными положениями;

— при разработке критериев подобия — учетом большинства факторов, существенно влияющих на величину напряжений в цилиндрическом образце при сжатии;

— при численном расчете напряженно-деформированного состояния цилиндрического образца при одноосном сжатии — оптимизацией схемы дискретизации образца, обеспечивающей достаточную точность вычисления напряжений;

— при обработке результатов экспериментов — общепринятыми методами математической статистики и теории случайных ошибок.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на Всесоюзном координационном совещании по гидротехнике «Ледо-термические явления и их учет при возведении и эксплуатации гидроузлов и гидротехнических сооружений» (Нарва, 1979 г.) — на IV Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана» (Владивосток, 1983 г.) — на симпозиумах по проблемам изучения льда МАГИ (Айова, 1986 г.- Пекин, 1996 г.- Потсдам, 1998 г.) — на конференции по развитию Северного морского пути Ш81ЮР (Токио, 1995 г.) — на конференции Международного общества шельфовой и полярной технологий ¡-БОРЕ (Лос-Анджелес, 1996 г.) — на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ДВГТУ (1980;1998 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 на английском языке. Исследования по теме диссертации содержатся в 8 научно-технических отчетах.

4.3. Выводы.

1. Напряженно-деформированные состояния образцов при сжатии с деформированием, характеризующимся осевой симметрией и симметрией относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину высот образцов, будут подобны в том случае, когда удовлетворяются следующие виды подобия:

• геометрическое подобие: заключается в том, что в геометрически подобных образцах одинаковое количество пор, в сходственных точках образцов подобны форма и ориентация осей одиночных пор и соблюдается подобие по шероховатости опорных граней;

• кинематическое подобие: заключается в том, что у образцов отношения скоростей продольного деформирования к скорости распространения упругой волны, а также отношения скоростей поперечного деформирования опорной грани к скорости распространения упругой волны должны быть равны;

• динамическое подобие: заключается в том, что отношения скоростей подвода внешней энергии к скорости накопления упругой энергии в образце должны быть равны;

2. Явление сжатия образца, изготовленного из морского льда, при наличии деформирования, характеризующегося осевой симметрией и симметрией относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину высоты образца, может характеризоваться нижеследующей системой параметров:

• параметры, характеризующие процесс деформирования: сила, продольная деформация образца, поперечная деформация опорной грани, время;

• параметры, характеризующие наличие пор: коэффициент содержания жидкой фазы, коэффициент содержания воздушной фазы.

3. По содержанию жидкой фазы морской лед в условиях северо-восточного шельфа о. Сахалин можно считать однородным по толщине ниже первого слоя толщиной 15 см.

4. При испытаниях на одноосное сжатие цилиндрических образцов с высотой, равной диаметру, и изготовленных из морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин, в диапазоне скоростей деформирования ?=0,0235 +0,0031 с" 1 и скоростях нагружения, больших, чем 6,0 МПа/с, изменение продольной деформации с увеличением скорости нагружения незначительно и сравнимо с точностью определения относительной продольной деформации.

5. Модуль деформаций при испытаниях цилиндрических образцов с высотой, равной диаметру, и изготовленных из морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин, при несоблюдении подобия по условиям нагружения, увеличивается с уменьшением скорости деформирования и увеличением скорости нагружения.

6. При соблюдении подобия по скорости нагружения и скорости продольного деформирования, сопротивление на сжатие морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин, определенное по результатам испытаний цилиндрических образцов с диаметрами, равными их высотам, прямо пропорционально зависит от относительной продольной деформации образца.

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЬДА.

5.1. Совершенствование методики испытаний льда на одноосное сжатие.

Полученные в работе результаты позволяют усовершенствовать предлагаемую СНиП 2.06.04−82* методику испытаний льда на одноосное сжатие.

В третьей главе работы исследовано влияние условий в системе «опорная грань-плита пресса» на напряженно-деформированное состояние цилиндрического образца с высотой равной диаметру. По результатам расчетов были найдены функции, позволяющие устранить искажение в определении механических характеристик в случае, когда условия в системе «опорная грань-плита пресса» не соответствуют точному решению задачи. В связи с этим методика, в части касающейся соотношения размеров цилиндрических образцов, может быть дополнена рекомендацией в соответствии, с которой испытаниям на одноосное сжатие могут быть подвергнуты образцы с соотношением высоты к диаметру равным 1. Есть и другие обстоятельства, учет которых делает еще более обоснованным принятие такого соотношения размеров. Так, при таком соотношении диаметр керна уменьшается и, следовательно, не возникает проблем с его выбуриванием и извлечением из ледяного покрова. К тому же уменьшение хотя бы одного из размеров ведет к уменьшению габаритов оборудования предназначенного для выбуривания кернов и приготовления образцов в естественных условиях или холодильных камерах.

В некоторых случаях при испытаниях на одноосное сжатие между плитами пресса и опорными гранями помещаются прокладки или на плиты пресса наносится смазка. Так как в работе установлено, что при отсутствии трения на опорных гранях напряженно-деформированное состояние образца соответствует напряженно-деформированному состоянию точного решения задачи о растяжении/сжатии стержня, то в методику необходимо включить рекомендации по свойствам материалов прокладок и смазочных материалов. Испытаниям могут быть подвергнуты образцы геометрически подобные, но с отличающимися характерными размерами. В этом случае необходимо моделировать силы трения на контакте опорной грани и плиты пресса. Так как сила трения зависит от площади действительного контакта, которая в свою очередь зависит от шероховатости, то в методику необходимо включить рекомендации касающиеся обеспечения подобия по шероховатости опорных граней геометрически подобных образцов.

Поскольку в работе разработан комплекс констант подобия и, следовательно, установлен набор параметров характеризующих процесс деформирования при одноосном сжатии, то в методику необходимо включить раздел содержащий перечень параметров подлежащих измерению. В этот же раздел необходимо включить рекомендации по регистрации формы разрушения образцов в соответствии с рассмотренными в главе 3 формами разрушения. Эта рекомендация должна быть введена в связи с тем, что форма разрушения является классификационным признаком напряженно-деформированных состояний образцов при сжатии.

Лед на некоторых слоях может быть однородным по параметрам, влияющим на механические характеристики. Установление этого факта позволит проводить анализ влияния различных факторов на механические характеристики не по данным с отдельных слоев, а по объединенным данным со слоев, лед на которых однороден. Это обстоятельство, за счет увеличения количества экспериментальных данных, позволит повысить ценность выводов по анализу. В связи с этим в методику необходимо включить способ проверки гипотезы об однородности льда по толщине ледяного покрова.

Дальнейшее развитие методов расчета сооружений взаимодействующих с ледяными образованиями или сооружений, материалом которых является лед может пойти в направлении предполагающем, что расчетные значения характеристик будут приниматься с определенной обеспеченностью. В этом случае важными являются законы распределения как самих характеристик так и параметров на них влияющих. Поскольку в работе были получены результаты по закону распределения коэффициента содержания жидкой фазы, то в методику необходимо включить рекомендации касающиеся закона распределения этого параметра.

В работе установлено, что при напряженно-деформированном состоянии соответствующем точному решению задачи о растяжении/сжатии стержня образец должен разрушится образованием вертикальной трещины параллельной оси образца. Кроме того, получены функции, позволяющие устранить искажение в определении сопротивления разрушения в случае, когда точное решение применяется к образцам, напряженно-деформированное состояние которых не соответствует точному решению. Так как не соответствие напряженно-деформированного состояния образца напряженно-деформированному состоянию точного решения устанавливается еще и по форме разрушения, то в методику необходимо ввести рекомендации касающиеся определения сопротивления разрушения в зависимости от формы разрушения.

Поскольку в работе на основе численного решения разработан способ и критерии оценки применимости теорий прочности к материалам, то в методику необходимо включить рекомендации связанные с этой проблемой.

При совершенствование методики за основу была принята методика СНиП 2.06.04−82*. В связи с этим усовершенствованная методика приводится в терминах и обозначениях СНиП 2.06.04−82*, причем положения СНиПа напечатаны курсивом, а положения, разработанные автором-обычным шрифтом.

5.2. Методика испытаний льда на одноосное сжатие 5.2.1. Отбор, изготовление и подготовка образцов к испытаниям.

Образцы льда отбираются из N слоев ледяного поля так, чтобы их длинные оси были перпендикулярны направлению роста кристаллов, при этом N>3.

Образцы льда изготавливаются в виде призм квадратного сечения или цилиндров. Отношение высоты призматического образца к его ширине принимается равным 2,5, а отношение высоты цилиндрического образца к его диаметру принимается равным 2,5 или 1,0. Ширина (диаметр) образца должна не менее чем в 10 раз превышать средний поперечный размер кристалла, определяемый по данным кристаллографического исследования.

Отклонение размеров образцов от средних в серии не должно превышать ±1%. Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без трещин, сколов, раковин, заусенцев и других дефектов.

Цилиндрические образцы следует изготавливать на токарном станке, а призматические-на горизонтально-фрезерном станке.

Грани призматических образцов рекомендуется обрабатывать попарно двумя фрезами, установленными на одном валу с расстоянием между ними, равными ширине образца при обработке боковых граней, и с расстоянием, равным высоте образца при обработке опорных граней.

При изготовлении геометрически подобных образцов с отличающимися размерами, технология обработки опорных граней должна обеспечивать равенство отношений характерных размеров шероховатости к характерным размерам образцов.

Материал прокладок, помещаемых между плитами пресса и опорными гранями, в температурном диапазоне испытаний должен обеспечивать минимальное трение по контакту «опорная грань-прокладка» при давлениях, не менее чем в два раза превышающих предполагаемую величину разрушающих напряжений для испытываемых образцов.

Свойства смазочных материалов, применяемых для обработки поверхностей плит пресса или опорных граней, в температурном диапазоне испытаний должны обеспечивать минимальное трение по контакту «опорная грань-плита пресса» при давлениях, не менее чем в два раза превышающих предполагаемую величину разрушающих напряжений для испытываемых образцов.

Перед испытанием образцы исследуемого слоя выдерживаются не менее чем 1 час при температуре слоя 1лсЬ определяемой по опытным данным, а при их отсутствии по формулам1 (116) и (117).

1 Формулы СНиП 2.06.04−82*.

5.2.2. Оборудование.

Испытательные машины должны быть устроены по типу машин с управляемой скоростью деформации. Наибольшая создаваемая машиной нагрузка должна не менее чем в два раза превышать разрушающую нагрузку для испытываемых образцов.

Испытательные машины или применяемые измерительные приборы должны иметь автоматическую запись кривой «нагрузка-деформация-время» и обеспечивать измерение параметров с погрешностью не более ±5%.

5.2.3. Проведение испытаний.

Образцы сжимаются вдоль оси перпендикулярной направлению роста кристаллов. Образцы исследуемого слоя испытываются при температуре /лг и постоянной скорости деформации, принимаемой для пресноводного льда равной &-с-3 -10' 4 с1, а для морского льда-по табл. 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Цель работы достигнута тем, что при решении поставленных задач получены следующие результаты:

1. На основе представлений физики твердого тела дана интерпретация физической сущности механических характеристик материалов и сделан вывод о том, что механические характеристики, являясь отражением зависимости сил взаимодействия между частицами от расстояния между ними, не могут зависеть от размеров образцов и режимов нагружения.

2. На основе анализа особенностей морского льда как поликристалла выявлено, что основными природными факторами, уменьшающими объемную плотность межмолекулярных связей и, следовательно, уменьшающими сопротивление разрушению, являются: дефекты молекулярного кристаллалинейные дефекты кристаллической решетки в кристалле и на границе смерзания кристалловналичие пор.

3. Изменение механических характеристик с изменением размеров образцов и режимов нагружения следует рассматривать как их искажение, возникающее в результате применения точного решения к явлениям, ему не соответствующим по размерам образцов, условиям в системе «опорная грань-плита пресса», режимам нагружения.

4. На основе численного решения задачи об одноосном сжатии цилиндрического образца с высотой, равной диаметру, при его деформировании, характеризующимся осевой симметрией и симметрией относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину высоты образца получены следующие результаты:

• при граничных условиях на опорных гранях, соответствующих отсутствию трения, напряженно-деформированное состояние образца соответствует напряженно-деформированному состоянию точного решения задачи о растяжении/сжатии стержня. Разрушение образца при этом произойдет посредством образования вертикальной трещины, параллельной оси образца;

• получены функции, позволяющие при определении напряжений устранить их искажение, которое возникает в результате применения точного решения к явлениям, ему не соответствующим по граничным условиям в системе «опорная грань-плита пресса»;

• разработаны способ и критерии оценки применимости теорий прочности к материалам.

5. Рассматривая процесс испытания на одноосное сжатие как физическое моделирование явлений, разработан полный комплекс констант подобия, с помощью которого можно провести классификацию напряженно-деформированных состояний образцов в случае, когда для обеспечения подобия никаких специальных мероприятий не проводилось.

6. Предложена система параметров, характеризующая процесс деформирования цилиндрического образца при одноосном сжатии.

7. По экспериментальным данным института «СахалинНИПИморнефть» получена зависимость коэффициента содержания жидкой фазы от температуры для морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин.

8. Разработан алгоритм проверки гипотезы об однородности льда по толщине ледяного покрова. С применением разработанного алгоритма произведена проверка гипотезы об однородности морского льда северо-восточного шельфа о. Сахалин по содержанию жидкой фазы по толщине ледяного покрова.

9. На основе полученных в работе результатов, разработаны дополнения и изменения предлагаемой СНиП 2.06.04−82* методики испытаний льда на одноосное сжатие. Дополнения и изменения предложены в частях касающихся размеров цилиндрических образцов, условий нагружения, обработки результатов испытаний. Кроме того, методика дополнена положениями, регламентирующими набор измеряемых и регистрируемых параметров, способ проверки однородности льда по толщине ледяного покрова, способ оценки применимости теорий прочности ко льду.