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二维离散单元模拟结构相互作用
摘要
本文介绍了离散单元技术在研究移动冰盖和柔性静止结构之间相互作用的平面应变问题中的应用。 离散单元技术说明了在最初完整的冰盖内发生故障的原因。 冰的失效对应于冰能够表现出脆性碎裂和粘塑性流动的组合的情况。 建模也解释了碎裂后冰块强度的尺寸依赖性。 片段间相互作用由包括库仑摩擦行为的非线性约束建模。 计算方案用于评估平均接触应力的时间历程以及碎裂区冰结构界面局部接触应力的分布。
关键词
冰结构相互作用 离散单元技术 碎片化机制 大小碎片化效应 计算冰力学
1.介绍
移动的冰盖和静止结构之间的动态相互作用是一个非常复杂的过程，受多种因素控制，包括冰的本构行为，结构的构造和灵活性，冰结构界面处的接触条件 ，冰盖的运动速度以及冰盖几何特征的空间分布，其可以包括压力脊，盐水包裹体和其他不均匀性以及冰盖的演变历史。 在动态结构交互场景中考虑所有上述因素是一项困难的工作。 结果，冰结构相互作用的建模已经沿着几条不同的路线发展。 在这些处理中最基本的部分，冰结构系统由模拟模型表示(e.g. Matlock et al., 1971; Eranti et al., 1981; Sodhi and Nakazawa, 1990; Eranti, 1992) . 类似物或模拟模型的元素可以包括弹簧，缓冲器，非线性摩擦元件和质量来表示相互作用问题中机械和物理变量的各个方面。尽管从计算的角度来看这些表示虽然方便，但缺乏准确定义与建模相关的参数所必需的唯一性程度。此外，这些基本模型并不是完全通用的，用于表示与冰崩和脊形建立过程相关的具体过程，这些过程是移动冰盖和静止结构持续相互作用的特征。对这些模拟模型的改进侧重于冰的力学行为的连续表示。这种连续体模型在过去二十年中引起了很大的关注，特别是在涉及弹性，塑性，蠕变，损伤和粘塑性现象的连续表征 (e.g. Jellinek, 1958; Croasdale, 1984; Timco and Frederking, 1984; Nadreau and Michel, 1986;Hallam and Pickering, 1988; Buck et al., 1994; Karr and Choi, 1989; Joensuu and Riska, 1989;Jordaan and McKenna, 1989; Selvadurai and Au, 1992; Comfort et al., 1992; Jordaan and Xiao, 1992; Buck et al., 1994; Nixon et al., 1994; Selvadurai and Sepehr, 1995) . 这些冰行为的连续表征又被用于研究冰结构相互作用过程。 使用冰行为的连续描述的一个主要缺点是相互作用发生在独立的弹性，塑性，损伤，蠕变和粘塑性区域的发展，这些区域单独保持其连续性特征。 这与移动冰盖和静止结构之间的全尺度相互作用的观察结果大不相同，在冰盖持续移动到结构上的过程中，冰盖经历碎裂和逐渐碎裂 (see e.g. Jefferies and Wright, 1988; Sanderson, 1988) .这些过程总是不存在于连续描述所支配的所有构成响应中。 连续模型即使扩展到包括大应变现象甚至局部化现象，也不足以模拟相互作用区域中冰碎片的脆性碎裂，破碎和大规模运动。 模拟能够适应从初始完整状态到碎裂变换状态的转变的冰盖的能力被认为是实现动态冰结构相互作用过程的真实模拟的关键步骤。 适应这种过程的方法是在交互过程中考虑冰层的碎裂。 虽然碎裂的发生和演变可以通过利用基于有限元和边界元方案的计算方法来检验 (e.g., Ingraffea and Saouma, 1984; Ingraffea, 1987; Selvadurai et al., 1993; Selvadurai, 1995; Selvadurai and ten Busschen, 1995) , 这些发展还没有发展到与片段分离，大规模片段运动，大规模运动期间的片段相互作用等有关的过程可以在没有进一步研究的情况下进行检查。 从初始连续体状态，大尺度碎片运动和碎片的持续演化建模碎片的能力被认为是在冰结构相互作用区附近观察到的过程的成功建模的基本要素。 因此，离散元素建模技术在研究结构 - 相互作用中的应用被认为是一种有用的方法，可以解决与冰结构相互作用中文献中提出的一些方法相关的缺陷。 离散元素技术在冰结构相互作用研究中的一些早期应用是由于Hocking等人(Hocking et al., 1985a, Hocking et al., 1985b, Hocking et al., 1987) , Williams et al. (1986) and Mustoe et al. (1987)他们研究了平面冰盖与静止结构的相互作用。这些作者开发的离散元素程序有能力适应通过应用相对简单的标准从连续统一到分散状态的转变。另外，通过考虑可以分配非线性交互式约束的片段的动态，来容纳冰块的大规模移动和相互作用。在这项研究中，离散元素建模过程中提出的基本概念和方法被扩展到检查动态冰结构相互作用过程。第一种修改涉及在应力状态主要为压应力的区域引入粘塑性失效的概念，并且在应
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