黄国君

(中国科学院流固耦合系统力学重点实验室,中国科学院力学研究所,北京 100190)

引言

冰激振动(ice-induced vibration,IIV)中的锁频共振现象是指流动的浮冰与冰区结构(或冰盖与在其中航行的交通船只如破冰船)的交互作用中,在一定的冰速范围内冰力和结构振动的主频皆锁定在结构固有频率,从而导致结构共振.其结构振幅可较常规振幅有数量级的差异,这与涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)中的锁频共振在动力学上是相似的[1],然而两者的物理本质完全不同.冰激锁频共振严重威胁冰区结构的安全,导致结构疲劳加剧,甚至直接摧毁结构,此外还会恶化结构上的人员工作环境和设备运行条件.因此探索冰激锁频共振的力学机理、明确其产生的临界条件不仅具有重要的科学意义,而且可以为冰区结构的设计和安全运行控制提供理论指导,具有显著的工程价值.

IIV 已受到冰区相关国家学术界和产业界的广泛关注[2],其中锁频共振是研究的重点和难点,为此已开展了不少实验和理论研究.实验研究包括现场监测和实验室模型实验,较为代表的工作如:Engelbrektson[3]在Bothnia 海湾现场观察到冰激共振发生时,结构的加速度可达0.7g,大大超过人体可接受的振动水平,而当天大多时间结构处于低幅振动水平,只有0.07g左右,这表明冰激共振的出现具有一定的随机性;Määttänen[4]通过实验室模型研究发现在一个较宽的冰速范围内结构产生锁频共振;Tsuchiya 等[5]在实验室模型研究中发现结构的振动主频……