Ученые ТГУ установили механизм разрушения льда при ударах

Ученые Томского государственного университета разработали компьютерную программу для моделирования поведения льда при динамических нагрузках и с её 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.

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. 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 в лабораториях, проводя эксперименты, приближенные к реальным природным условиям. Ученые Томского государственного университета 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 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.

Полученные результаты позволили не только установить механизм разрушения льда при ударных нагрузках, но и убедиться в корректности предложенных численных алгоритмов моделирования.

«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», – рассказывает руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ Максим Орлов.