Томские ученые с использованием численных методов установили механизм разрушения льда при ударах

Ученые разработали компьютерную программу для моделирования поведения льда при динамических нагрузках и с его помощью исследовали разрушение конструкций, состоящих из ледяного блока и металлических пластин. Оказалось, что механизм разрушения зависит от пористости льда и параметров прилагаемой ударной нагрузки. Так, высокопористый лед разрушается с образованием более крупных фрагментов, в отличие от низкопористого льда, который разбивается на большое число мелких осколков. Полученные результаты могут быть полезны, например, при разрушении ледовых заторов, длина которых на сибирских реках может достигать сотни километров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале «Механика композиционных материалов и конструкций».

В связи с активным развитием северных территорий, добычей природных ископаемых на Крайнем Севере и борьбой с ледовыми заторами на реках ученые стремятся лучше понять процесс разрушения льда. Так, например, знать о прочностных и механических свойствах льда важно для безопасного судоходства в акватории Северного Ледовитого океана и успешной реализации проекта Северного морского пути. Традиционно свойства льда изучают, проводя в лабораториях эксперименты, приближенные к реальным природным условиям. Однако более простым и дешевым вариантом может служить компьютерное моделирование с использованием численных алгоритмов, описывающих поведение льда в экстремальных условиях — в частности, при ударных и взрывных нагрузках, которые действуют на лед при использовании ледоколов или при разрушении ледовых заторов на крупных реках.

Ученые из Национального исследовательского Томского государственного университета (Томск) разработали численные алгоритмы и импортозамещающий пакет прикладных программ на их основе для моделирования процесса разрушения льда при ударных и взрывных нагрузках. Используя этот инструмент, авторы исследовали процесс разрушения конструкций, состоящих изо льда и металлических пластин, при действии на них металлического ударника, который движется вертикально со скоростью 600 метров в секунду и пробивает исследуемый образец.

Всего авторы смоделировали 11 конструкций, каждая из которых состояла из ледяного блока размерами 40×30×50 миллиметров, помещенного между стальными пластинами толщиной в один миллиметр. Над блоком механики расположили две пластины, а под ним — от одной до одиннадцати. Число этих пластин меняли, чтобы оценить отклик материала на ударные нагрузки: количество пластин подо льдом увеличивалось до количества, после которого пробитие ударником становилось невозможным. С помощью численного моделирования ученые определили время появления первых очагов разрушения, а также установили доминирующие механизмы разрушения льда и пластин.

Оказалось, что с увеличением количества пластин подо льдом от одной до одиннадцати время пробития конструкций изменялось от 105 микросекунд до 250 микросекунд. При этом процесс разрушения льда зависел от его пористости. Низкопористый лед, который содержал в своем объеме до 0,5% воздуха или другого газа, разрушался по так называемому хрупкому механизму — в образце появлялось большое количество трещин, из-за которых лед распадался на множество осколков. Высокопористый лед, содержание воздуха в котором достигало 30%, разрушался по иному механизму с образованием меньшего числа трещин и более крупных осколков. Это значит, что конструкции из высокопористого льда могут выдержать большие нагрузки, нежели конструкции из низкопористого льда, и для разрушения высокопористого льда требуется затратить большее количество энергии по сравнению с разрушением низкопористого. Стальные пластины при этом разрушались по механизму прокалывания — без образования трещин и разбиения на осколки.

Полученные результаты позволили не только установить механизм разрушения льда при ударных нагрузках, но и убедиться в корректности предложенных численных алгоритмов моделирования — физико-математическая модель поведения материалов, заложенная в основу расчетов, достоверно описывает поведение различных элементов конструкции — и ледяного блока, и стальных пластин.

«Результаты нашей работы могут быть полезны при планировании противопаводковых мероприятий на сибирских реках и озерах, в том числе безопасного разрушения ледовых переправ и уменьшения использования взрывчатого вещества. В дальнейшем мы планируем развить физико-математическую модель, заложенную в основу компьютерного моделирования, и улучшить некоторые алгоритмы расчетов. Для этого будут проведены как лабораторные, так и полномасштабные полевые эксперименты», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Орлов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов Национального исследовательского Томского государственного университета.

Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда