Ученые Института проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН) создали модель, позволяющую предсказать вибрационные режимы для сооружений, работающих в ледовых условиях Арктики, таких, например, как нефтяные платформы, и снизить риски их повреждения. Об этом сообщили ТАСС в пресс-службе учреждения.

«Модель дает теоретическую базу для более точной оценки сил, действующих на конструкцию, в зависимости от скорости льда, его прочности и свойств смеси воды и льда в зоне разрушения. Это позволяет на этапе проектирования более точно предсказывать границы опасных режимов. Зная параметры своего сооружения и типичные ледовые условия в районе установки, инженеры могут с помощью модели оценить, попадет ли конструкция в зону резонанса или хаоса, и, при необходимости, скорректировать проект, чтобы сместить опасные зоны за пределы реально возможных скоростей дрейфа льда», — говорится в сообщении.

Уточняется, что эксплуатация инженерных сооружений в ледовых условиях Арктики и субарктики сопряжена с серьезной проблемой: воздействием движущихся ледовых полей, вызывающим опасные вибрации конструкций. От того, насколько точно можно предсказать поведение конструкции, напрямую зависит безопасность и долговечность объектов. Инженеры выделяют три режима реакции сооружения: прерывистое дробление льда с умеренными вибрациями, резонансный захват частоты (самый опасный режим с критическим ростом амплитуды) и непрерывное хрупкое дробление, характеризующееся сложным, нерегулярным поведением.

Существующие модели часто упрощали картину, рассматривая лед как монолитную среду, а воду - лишь в виде дополнительной массы, присоединенной к конструкции. Такой подход не учитывал тот важный факт, что вода смешана со льдом в зоне контакта.

По данным пресс-службы, идея учета двухфазной среды была предложена членом-корреспондентом РАН, экс-директором ИПМаш РАН Дмитрием Индейцевым, однако его модель описывала только первые два режима вибрации. Сотрудники учреждения предложили ввести в модель более детальное описание зоны разрушения - пространства между движущейся льдиной и конструкцией. В этой зоне, как показывают натурные наблюдения, лед не просто давит на преграду, а крошится, образуя сложную двухфазную смесь из воды и ледяных обломков разного размера.

«Учет свойств этой смеси, ее способности накапливаться или покидать зазор, а также включение в модель случайности процессов отлома и размеров кусков льда, позволили описать все три режима. Именно это нововведение дало возможность объяснить, как одна и та же система может переходить от периодической реакции к резонансу и далее к хаотическому поведению в зависимости от скорости льда», — привели в пресс-службе слова главного научного сотрудника лаборатории математического моделирования волновых процессов ИПМаш РАН Андрея Абрамяна.

Как рассказали в учреждении, модель позволила описать все три классических режима ледовых вибраций. Анализ показал, что переход от режима к режиму определяется конкуренцией двумя факторами: временем между ударами льда и скоростью диссипации энергии. При низких скоростях льда обломки успевают покинуть зазор, и мы наблюдаем устойчивые периодические колебания малой амплитуды.

При увеличении скорости до критической, условия в зазоре меняются так, что система входит в резонанс: амплитуда начинает резко расти. Наконец, при еще больших скоростях интервал между ударами становится настолько коротким, что энергия не успевает рассеяться. Система накапливает ее, что приводит к срыву колебаний в хаотический, широкополосный режим.

Изображения: Shutterstock