海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。     

非共轴本构模型在吸力桶地基承载力

土体在剪切变形过程中产生主应力方向的旋转时,主应变率方向与主应力方向之间存在着非共轴现象,然而,传统的弹塑性本构模型并不能考虑该现象的影响。通过在传统本构模型屈服面的切线方向增加一项非共轴塑性应变率,即可实现对非共轴现象的反映。利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口UMAT,通过显式积分算法和自动分步方法实现了非共轴模型在有限元分析中的应用。首先,对砂土的单剪试验进行数值模拟,预测了主应力方向和主应变率方向之间的关系,所得结论与试验结果较为吻合。然后,针对吸力桶与砂质地基间的相互作用问题进行弹塑性有限元计算,分析了土体主应力方向在剪切变形过程中的旋转规律,以及桶体的端部阻力、侧壁摩擦阻力和顶部阻力在变形过程中的变化规律。最后,检验了非共轴现象对地基承载力计算结果的影响。研究结果表明,所开发的非共轴模型对非共轴现象具有良好的预测能力。     

粘塑性海冰流变模型的稳定性分析

对Hibler 1977提出的具有粘塑性本构关系的海冰模型进行了修改和稳定性分析.在已有的工作中,应用这样一个粘塑性本构关系进行数值积分时大多都必须引入人工扩散项.这里我们用数值逼近技巧提出计算相邻浮冰之间相互作用力的新方法,并且证明修改后的模型无论是海冰的收敛还是发散流动都是稳定的,模式积分无需引入人工扩散项.以二维...     

膨胀式自应力灌浆卡箍灌浆本构关系模型的研究

膨胀式自应力灌浆卡箍是一种典型的钢/灌浆组合结构,由于膨胀受限灌浆处于三向受压状态,在这种结构的强度校核中采用合适的灌浆本构模型是影响设计结果的重要因素。采用ABAQUS建模这种卡箍,构筑了三种灌浆本构关系模型,主要测试了莫尔库仑模型和塑性损伤模型的相关材料参数,然后通过一个节点灌浆卡箍的设计算例,比较和分析了三种灌浆本构模型的计算结果。仿真分析发现对于卡箍的灌浆强度校核,线弹性模型最保守,容易校核不合格,而塑性损伤模型最不保守。建议采用能反映灌浆的压碎和开裂行为的塑性损伤模型作为膨胀式灌浆卡箍强度校核分析的本构关系。研究结果可以为自应力灌浆卡箍的有限元强度校核方法提供有益的借鉴和指导。     

一种改进的水合物沉积物弹塑性损伤本构模型

为了全面考虑水合物对沉积物的力学影响,提出了一个改进的水合物沉积物弹塑性损伤本构模型。首先通过分析水合物在沉积物中的存在形式,认为沉积物的力学特性是水合物胶结以及密实两种作用共同影响的结果;然后在弹塑性损伤理论框架内,引入状态相关砂土本构模型来描述水合物填充的影响,从而建立一个能反映体变特性和围压影响的水合物沉积物本构模型;最后,利用已有试验结果对模型进行了验证。此成果可为将来的水合物开采提供参考。     

考虑波浪引起的主应力轴旋转效应的砂土本构模型及其验证

Principal stress axes rotation influences the stress-strain behavior of sand under wave loading. A constitutive model for sand, which considers principal stress orientation and is based on generalized ...     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

基于高光谱遥感的渤海海冰厚度半经验模型

Sea ice thickness is one of the most important input parameters for the prevention and mitigation of sea ice disasters and the prediction of local sea environments and climates. Estimating the sea ice thickness is currently the most important issue in the study of sea ice remote sensing. With the Bohai Sea as the study area, a semiempirical model of the sea ice thickness(SEMSIT) that can be used to estimate the thickness of first-year ice based on existing water depth estimation models and hyperspectral remote sensing data according to an optical radiative transfer process in sea ice is proposed. In the model, the absorption and scattering properties of sea ice in different bands(spectral dimension information) are utilized. An integrated attenuation coefficient at the pixel level is estimated using the height of the reflectance peak at 1 088 nm. In addition, the surface reflectance of sea ice at the pixel level is estimated using the 1 550–1 750 nm band reflectance. The model is used to estimate the sea ice thickness with Hyperion images. The first validation results suggest that the proposed model and parameterization scheme can effectively reduce the estimation error associated with the sea ice thickness that is caused by temporal and spatial heterogeneities in the integrated attenuation coefficient and sea ice surface. A practical semi-empirical model and parameterization scheme that may be feasible for the sea ice thickness estimation using hyperspectral remote sensing data are potentially provided.     

基于双极化SAR图像的U-Net海冰多分类模型

北极多年冰在近几十年有明显的减少趋势,与北极海冰的厚度、体积和夏季最小海冰范围的减少密切相关。合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)具有全天时、全天候成像能力,基于SAR卫星影像的海冰分类对监测北极多年冰具有重要意义。基于深度学习U-Net模型,以SAR图像的双极化信息为模型输入,构建了像素级的海水、一年冰和多年冰多分类模型。与已有SAR图像海冰分类方法(支持向量机、随机森林和卷积神经网络)进行对比,基于双极化SAR图像的U-Net海冰分类模型的准确率、平均重叠度和Kappa系数,分别达到了90.73%、0.831和0.849,优于其他对比模型,分别提升了4.08%～19.04%, 0.063～0.321和0.111～0.335。此外,针对SAR图像水平-垂直极化(horizontal-vertical polarization, HV)有明显的条状热噪声和水平-水平极化(horizontal-horizontal polarization, HH)受入射角效应而亮度不均匀的特点,设计敏感性实验,研究HV噪声、入射角和灰度共生矩阵(gray leve...     

南沙海槽南缘逆掩推复构造地区的动力学分析

提出南沙海槽南缘推复构造的运动和形变是一种周期性的弹塑性运动,周期约为14Ma.建立推复楔形体的动力学模型及两个约束条件,求解得推复楔形体的底部中点的推复方向的主应力和逆掩面动摩擦系数的解析式.建立推复楔形体前缘地层被推复剪断的力学模型、密度模型和内摩擦角模型,求得推复前缘地层被推复剪断时的有效主应力、静岩压应力、推复方向的主应力及其合力和推复构造应力的解析式,建立推复底部的有效塑性屈服模型,求得推复底部屈服时中点的有效主应力和推复方向的主应力的解析式.选择两个剖面进行动力学计算,得到推复楔形体前缘的两个应力图、逆掩面的动摩擦系数及推复方向的主应力的合力.     

A viscoelastic-plastic constitutive model with Mohr-Coulomb yielding criterion for sea ice dynamics

A new viscoelastic-plastic （VEP） constitutive model for sea ice dynamics was developed based on continuum mechanics. This model consists of four components： Kelvin-Vogit viscoelastic model, Mohr-Coulomb yielding criterion, associated normality flow rule for plastic rehololgy, and hydrostatic pressure. The numerical simulations for ice motion in an idealized rectangular basin were made using smoothed particle hydrodynamics （SPH） method, and compared with the analytical solution as well as those based on the modified viscous plastic（VP） model and static ice jam theory. These simulations show that the new VEP model can simulate ice dynamics accurately. The new constitutive model was further applied to simulate ice dynamics of the Bohai Sea and compared with the traditional VP, and modified VP models. The results of the VEP model are compared better with the satellite remote images, and the simulated ice conditions in the JZ20-2 oil platform area were more reasonable.     

Amodified discrete element model for sea ice dynamics

Considering the discontinuous characteristics of sea ice on various scales,a modified discrete element model（DEM） for sea ice dynamics is developed based on the granular material rheology.In this modified DEM,a soft sea ice particle element is introduced as a self-adjustive particle size function.Each ice particle can be treated as an assembly of ice floes,with its concentration and thickness changing to variable sizes under the conservation of mass.In this model,the contact forces among ice particles are calculated using a viscous-elastic-plastic model,while the maximum shear forces are described with the Mohr-Coulomb friction law.With this modified DEM,the ice flow dynamics is simulated under the drags of wind and current in a channel of various widths.The thicknesses,concentrations and velocities of ice particles are obtained,and then reasonable dynamic process is analyzed.The sea ice dynamic process is also simulated in a vortex wind field.Taking the influence of thermodynamics into account,this modified DEM will be improved in the future work.     

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。     

Numerical sea ice prediction in China

ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｅａｉｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａＷｕＨｕｉｄｉｎｇ,ＢａｉＳｈａｎ,ＺｈａｎｇＺｈａｎｈａｉ１（ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｅｐｔｅｍｂｅｒ１２,１９９６;ａｃｃｅｐｔｅｄＪｕｎｅ５,１９９７）Ａｂｓｔｒａｃｔ──Ａｄｙｎａｍｉ...     

北极海冰输出研究综述

北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。     

两种盐度参数化方案在海冰模式中的应用比较

本文详细介绍了SIS海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为：在海冰厚度增长季节（11月到次年5月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段（6．8月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段（9．10月）,盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中队海冰温度作用最大项小1．2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对海冰增长和消融影响很小。同时利用冰洋耦合模式（ModularOceanModel,MOM4）,分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响.油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义.针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制.在2...