冰工程中的關鍵力學問題專題序

季順迎

(大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室,遼寧大連 116023)

我國大部分地區(qū)屬于亞極區(qū)，北方的大部分河流、水庫及海灣均存在冬季結冰現(xiàn)象.歷史上，我國已發(fā)生多次比較嚴重的冰害，使人民生命和財產遭受巨大損失.如渤海海冰對近海結構作用及對航運的影響，河冰的凌汛、對橋墩的作用，水庫冰對閘門、護坡及電站冬季運行的影響等，都是我國在寒區(qū)建設中不可回避的工程問題.近年來，由于我國在寒區(qū)的開發(fā)與建設速度加快，冰區(qū)海洋工程建設由渤海不斷向北極拓展，北極航道趨于常態(tài)化通航，冰區(qū)核電和風能等新能源的開發(fā)，南水北調工程投入使用，這些均使冰工程問題變得更加突出，并對相關的科學研究和技術發(fā)展提出了更大的挑戰(zhàn).

《力學學報》組織了“冰工程中的關鍵力學問題研究”8 篇綜述或研究論文，旨在反映我國冰工程裝備制造企業(yè)、研究機構、高等院校的科技人員在冰工程關鍵力學問題上的最新研究進展，以促進學術交流，供從事該行業(yè)和領域的學者參考.

我國渤海灣、北黃海地區(qū)冬季常年存在一年生海冰.由于該海域油氣、風能資源豐富，海冰力學與海洋結構冰害研究一直得到特別的重視.本專題有5 篇文章與海冰工程相關：哈爾濱工程大學船舶工程學院倪寶玉等針對海冰與波流相互作用問題，回顧和討論國內外對海冰與波浪、海冰與海流及海冰與波流相互作用的研究現(xiàn)狀和技術難點，展望了未來可以進一步深入研究的問題，提出了初步的思路以供參考；大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室楊冬寶等通過DEM-FEM 耦合方法建立了寒區(qū)單樁式風機結構的冰激振動模型，模擬不同冰速、冰厚條件下風機與平整冰相互作用過程，對比風機塔筒頂端和基礎頂端的位移和加速度響應時程，定性地給出風機結構不同部位振動響應行為差異性及其原因；中國科學院力學研究所流固耦合系統(tǒng)力學重點實驗室黃國君介紹了冰間歇破壞型冰激振動模型對柔性結構鎖頻共振機理的理論研究，并應用該模型預報海洋結構在不同冰速區(qū)間內的鎖頻共振現(xiàn)象，分析了結構和冰特性參數(shù)對冰激振動及鎖頻共振的影響,并基于這些分析探索了鎖頻共振機理；天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室黃焱等通過開展低溫拖曳冰水池物理模型試驗測試氣墊平臺在遭遇平整冰時的破冰過程和破冰阻力，分別以墊升高度和航行速度為試驗參數(shù)對不同試驗工況下氣墊平臺的破冰過程進行測試，深入解析了氣墊平臺的破冰過程，并揭示了氣墊平臺的破冰機理；南方科技大學工學院屈衍等基于現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)分析提出一種海冰的韌性損傷-破碎與結構振動耦合導致結構頻率鎖定振動的機理，在此基礎上提出了一種分析冰的間歇性擠壓破碎及其引起海上結構頻率鎖定振動的簡化方法.

我國北方寒冷地區(qū)的江河渠庫在冬季結冰時會引起一系列冰工程問題.這包括秋季流凌或春季開河時冰塞引起的冰凌、凌汛時流冰對河上建筑物及航運船舶的破壞、冬季渠道輸水過程中浮冰在閘前堆積等.本專題有3 篇文章與河冰工程相關：中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室郭新蕾等從河渠冰水力學基本理論7 個方面、河渠冰情預測預報及過程模擬、河冰關鍵參數(shù)觀測技術與裝備等層面介紹了國內外的河冰水力學研究的主要進展和動向，剖析了當前科學研究和工程應用中存在的難題，并從理論和技術角度闡明了相關原因，總結提出了河渠冰水力學未來需要重點開展的研究；合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院王軍等對橋墩附近冰塞穩(wěn)定性力學分析、橋墩對河道卡封以及臨界流凌密度的影響、冰蓋下橋墩周圍局部沖刷等方面的研究工作進行了總結，介紹了冰塞條件下橋墩附近局部沖刷問題試驗研究的進展，并對相關研究難點和需要進一步開展的研究工作進行了分析；四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室梁乃生等為判斷渠道閘前浮冰的輸移狀態(tài)，開展了明渠水槽平板閘孔自由出流條件下的室內物理模型試驗，提出了一種基于PCA-SVM 算法的閘前冰堆積與輸移判別模型，進一步將其應用在倒虹吸口浮冰狀態(tài)判別試驗中以驗證模型的分類性能.

當前，冰工程已發(fā)展成一門涉及力學分析、材料性能、工程結構、氣象水文、遙感監(jiān)測等多領域的綜合學科.近年來，我國在寒區(qū)開發(fā)與經(jīng)濟建設的速度加快，冰工程研究得到了國家及有關工程界的高度重視，研究水平與研究規(guī)模取得了迅速的發(fā)展，并加大了與國際上冰工程研究先進國家間的交流合作，許多研究成果達到了國際先進水平.由于篇幅限制，本專題就冰工程中的關鍵力學問題研究方面組織了8 篇論文，僅從一個側面反映我國科技工作者在冰工程科學與技術發(fā)展中的研究現(xiàn)狀.隨著我國“雙龍?zhí)綐O”新時代的開啟、“三極”協(xié)同科學研究的探索，以及“冰上絲綢之路”國家戰(zhàn)略的實施，我們需要積極應對更加突出、復雜、多樣的冰工程問題，奮力推動我國冰工程技術的持續(xù)發(fā)展，為解決寒區(qū)冰工程問題提供有力的理論基礎和科學的技術支撐.