Numerical modeling of ice mechanical behavior under quasi-static and dynamic loads

Abstract

Представлена математическая модель деформирования и разрушения льда в широком диапазоне внешних воздействий. Модель основана на методе сглаженных частиц Галёркина (SPG) и современных подходах механики повреждаемых сред. В качестве модели материала для льда используется модель динамического разрушения Джонсона-Холмквиста. В рамках единой модели выполнено численное моделирование квазистатического (скорость 1 мм/с) и динамического (скорость 10 м/с) сжатия ледовых образцов. Результаты численного моделирования находятся в согласии с экспериментальными наблюдениями. Представлены подходы к учету факторов, напрямую влияющих на прочностные характеристики ледовых образований – скорость деформации, гидростатическое давление, а также температура, пористость и соленость – в рамках единой вычислительной модели. Рассмотрены возможности сопряжения бессеточного метода Галеркина с классическими сеточными методами механики сплошной среды с целью моделирования взаимодействия льда с конструкциями и сооружениями. В настоящее время в задачах ледовой механики численное моделирование практически не применяется, а существующие традиционные методы не могут описать комплексное поведение льда, особенно при высоких скоростях деформаций. В этой связи построение и реализация подобного рода моделей является необходимым условием для эффективного решения задач прикладной механики льда, соответствующих современному уровню развития численных методов и соответствующих вычислительных возможностей. A mathematical model of ice deformation and destruction under a wide range of external influences is presented. The model is based on the Smoothed Particle Galerkin method (SPG) and the recent approaches of damageable medium mechanics. The Johnson-Holmquist damage model is used as the material model for ice. Numerical modeling of quasi-static (velocity 1 mm/s) and dynamic (velocity 10 m/s) ice samples compression was performed within the unified numerical model. The numerical simulation results are in a good agreement with the experimental observations. The influence of the main factors affecting the ice strength characteristics – strain rate, pressure, temperature, porosity and salinity – is considered. Coupling between the SPG and the standard mesh methods of continuum mechanics in order to simulate ice-structure interaction is proposed and discussed. At present, numerical modeling in ice mechanics problems is practically not used. Meanwhile the existing traditional methods cannot fully simulate the complex ice behavior, especially at high strain rates. Thus, the development of this kind of models is a necessary condition in order to solve ice mechanics problems effectively. The instruments applied correspond to the most recent numerical methods and computational capabilities.