Elastoplastic Ice Model with Dynamic Damage for Simula- tion of Non-linear Processes During a Low-speed Impact

Abstract

Estimation of ice deformations during dynamic loading plays a primary role in understanding many processes occurring in the Arctic region. However, the problem of choosing the most suitable model is complicated due to the complex structural changes in ice that affect its behaviour. In order to reconstruct observed damage localization, the dynamic von Mises–Schleicher criterion is applied to calculate the borders of the hydrostatic core in an elastoplastic specimen. This helps to account for the change in ice strength based on the stress magnitude. In the core, under conditions of uniform compression ice may pulverize. It results in microfracturing and recrystallization of ice. Additionally, inner and surface splits are introduced using the principal stress criterion. The model is verified with the use of numerical modelling of the laboratory experiment that consists of a direct low-speed impact. The main focus of this work is to study how non-linear processes influence the dynamics of the collision. The grid-characteristic method is used to accurately reconstruct waves formation. As a result, the formation of non-linear waves was observed. It causes further fracturing during propagation through the ice. Moreover, the conducted analysis of deformation curves confirmed that numerical results agree with the experimental data

Определение деформации льда в процессе приложения динамических нагрузок играет первостепенную роль для понимания многих процессов, происходящих в Арктическом регионе. Однако решение задачи выбора наиболее подходящей модели усложняется из-за происходящих структурных изменений, влияющих на поведение льда. Для отражения наблюдаемой локализации разрушений применяется динамический критерий Мизеса–Шлейхера для выделения гидростатического ядра в упругопластическом образце льда. Таким образом, также учитывается изменение прочности льда в зависимости от величины напряжений. В ядре в условиях всестороннего сжатия лед может крошиться, возможно образование микротрещин и рекристаллизация. Дополнительно учитывается трещинообразование в объеме материала с помощью критерия по главным напряжениям. Модель верифицируется на основе моделирования лабораторного эксперимента по низкоскоростному прямому удару. Основной особенностью данной работы является изучение влияния нелинейных процессов на динамику столкновения. Применение сеточно-характеристического метода позволяет точно разрешать образующиеся волны. В результате удалось продемонстрировать образование нелинейной волны, вызывающей трещинообразование при прохождении через лед. К тому же, анализ деформационных кривых подтвердил возможность согласования расчетов с экспериментом