【摘 要】
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极地地区具有重要的战略地位,各类矿产资源极其丰富,同时也是影响地球气候的重要地区。特别的,极地是重要的军事中心,具有连接亚、欧、北美三大洲的最短路径,从北极出发可以最短的距离打击周围的三大洲,而且常年覆盖的冰层是天然的屏蔽场,能够为水下的活动提供良好的隐蔽作用。近年来,极区重要的军事战略地位得到越来越多的关注,而由于极地特殊的环境,研究极地冰层在结构物低速冲击下的破坏行为,具有重要的意义。冰材料具
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极地地区具有重要的战略地位,各类矿产资源极其丰富,同时也是影响地球气候的重要地区。特别的,极地是重要的军事中心,具有连接亚、欧、北美三大洲的最短路径,从北极出发可以最短的距离打击周围的三大洲,而且常年覆盖的冰层是天然的屏蔽场,能够为水下的活动提供良好的隐蔽作用。近年来,极区重要的军事战略地位得到越来越多的关注,而由于极地特殊的环境,研究极地冰层在结构物低速冲击下的破坏行为,具有重要的意义。冰材料具有随机性、各向异性及初始缺陷等特点,其破坏模式随应变率变化较大,低应变率下呈现延性破坏,高应变率下呈现脆性破坏,这些特点给冰结构破坏模拟带来挑战。有限元和离散元方法能够分别在准静态和高速下模拟出一定的冰层破坏特性,但在低速冲击下很难模拟出冰层的破坏特点。粘聚单元法基于有限元法,吸收了离散元法的思想,通过在有限单元之间插入粘聚单元模拟破坏和裂纹扩展,近几年逐渐被用于脆性材料破坏分析。因此,本文基于粘聚单元法,开展冰层低速冲击破坏行为模拟研究。首先,本文在粘聚单元法基础上,根据冰层特点进行建模,并与有限元与离散元的结果进行对比。冰层具有各向异性和晶界优先破坏特性,并含有随机初始缺陷,通过五面体建模并加强横向粘聚单元模拟出了冰晶的晶界破坏特性;通过随机删除竖向粘聚单元模拟出了冰层的随机性和初始缺陷。与有限元法和离散元法进行了对比,在冰层低速的冲击破坏模拟中,粘聚单元法既有有限元受力分析的准确性,得到了较好的裂纹扩展路径,同时也具有离散元模拟破坏的特点,模拟出了碎冰飞溅的现象,综合来看,粘聚单元法更适用于冰层低速冲击破坏的模拟。其次,进一步讨论了粘聚单元的各种参数影响,对人工依赖度进行分析,得到了粘聚单元法的参数适用范围。对TSL曲线形状与断裂能对模拟结果的影响进行了讨论,发现断裂能是影响结构破坏的最重要参数,而TSL曲线会影响破坏的形式。分析了不同单元形状对模拟结果的影响,发现三角形单元构成的结构边界更多,能更好的还原结构的破坏路径,因此在三角形基础上选择五面体单元作为冰层建模的主要单元。对人工依赖度进行分析,在模拟破坏的同时,尽量避免对结构的刚度影响,找到合适的粘聚单元刚度和单元尺寸大小。最后,分析了结构物不同冲击倾斜角度下冰层的破坏形式与速度变化。得到了不同倾斜角度下的结构与冰层的冲击情况,并根据不同的情况分为小角度、大角度和临界角度三种情况,为实际运用提供了模型预示参考。
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