海冰粘弹塑性统一本构模型及在渤海海冰数值模式中的应用

Sea ice is common natural phenomenon of the Bohai sea in winter，it exerts an important impact on maritime shipping, oil and gas exploitation, fisheries in Bohai bay, which is increasingly prominent with regional rapid progress of marine economy. Therefore, it is important to develop relative numerical model with different scales of time and space. In the process of sea ice numerical simulation, there is one key breakthrough to study, dynamical constitutive model with accurate internal force between ices. In this study, visco-elastic-plastic unified constitutive model adapting to characteristics of Bohai sea ice is derived, basing on internal variable theory in the thermodynamic framework. Meanwhile, relative parameters in constitutive model are determined through interior sea ice testing about physical and mechanical properties and field detecting data. And considering dynamic factors of sea ice，the programs of numerical simulation about sea ice dynamics for kinetic evolution mechanism are developed. Then, corresponding numerical forecast mode is developed combining with visco-elastic-plastic unified constitutive model. Throughout the entire process, strict modern mechanical theory method has been applied in this study of constitutive model for sea ice dynamics, so the study has strong practicability, and which makes it as an effective tool to improve accuracy and timeliness of sea ice numerical simulation.

海冰是冬季渤海常见的一种自然现象，其对渤海区域冬季的海上航运、油气开发和渔业生产等具有重要的影响，随着海洋经济的快速发展，这一影响日益突出。因此开发适应不同时间、空间尺度的海冰数值模式显得尤为重要。在海冰数值模式中，能够精确反映冰间相互内力的海冰动力学本构模型是重要研究内容，本项目基于力学理论中的热力学框架，以内变量理论为基础，建立了适用于渤海海冰特征的海冰动力学粘弹塑性统一本构模型；通过实验室内的海冰物理力学性能试验与现场海冰监测数据确定了本构模型中的相关参数；考虑海冰的动力因素，针对渤海海冰的运动演化特点并与建立的海冰动力学统一粘弹塑性本构模型相结合，开发出适用于渤海海冰数值模拟的海冰数值预报模式。该研究将现代力学理论应用到海冰动力学本构模型研究中，具有坚实的理论基础，又结合当代国际先进的数值模拟方法。

每年冬季，在我国渤海的部分海域由于寒流等因素的影响而出现海冰，它的存在对冬季渤海区域的海上航运、油气开发和渔业生产等产生不利的影响，随着海洋经济的快速发展，这一影响日益突出。因此开发适应不同时间、空间尺度的海冰数值模式显得尤为重要。在海冰数值模式中，能够精确反映冰间相互内力的海冰动力学本构模型是重要研究内容。目前海冰数值预报模式中所采用的海冰动力学本构模型在判断海冰进入屈服时需要考虑屈服面，而对于海冰这种没有明显屈服面材料来说，确定屈服面是比较困难的。因此发展一种不以屈服面存在作为其理论前提和基本假设的海冰动力学本构理论应该是海冰动力学本构模型新的研究方向。基于此，本项目采用经典弹塑性力学理论，以内变量理论为基础，考虑海冰的弹性与非弹性特征，引入了包含屈服面信息的非弹性乘子，建立了适用于渤海海冰特征的海冰动力学粘弹塑性统一本构模型，并通过实验室内的海冰物理力学性能试验确定了粘弹塑性统一本构模型中的相关参数。利用此统一本构模型对海冰的单轴压缩试验进行模拟，模型模拟曲线与试验曲线吻合的较好。同时，将粘弹塑性统一本构模型应用到渤海海冰的数值模拟中，模拟结果证明粘弹塑性统一本构模型应用到海冰数值模拟中是可靠的，可以对海上冰区冰情进行较为精确的预测，因此对维护冬季海上冰区的经济活动安全具有重要意义。