冰工程中的关键力学问题专题序

季顺迎

(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116023)

我国大部分地区属于亚极区，北方的大部分河流、水库及海湾均存在冬季结冰现象.历史上，我国已发生多次比较严重的冰害，使人民生命和财产遭受巨大损失.如渤海海冰对近海结构作用及对航运的影响，河冰的凌汛、对桥墩的作用，水库冰对闸门、护坡及电站冬季运行的影响等，都是我国在寒区建设中不可回避的工程问题.近年来，由于我国在寒区的开发与建设速度加快，冰区海洋工程建设由渤海不断向北极拓展，北极航道趋于常态化通航，冰区核电和风能等新能源的开发，南水北调工程投入使用，这些均使冰工程问题变得更加突出，并对相关的科学研究和技术发展提出了更大的挑战.

《力学学报》组织了“冰工程中的关键力学问题研究”8 篇综述或研究论文，旨在反映我国冰工程装备制造企业、研究机构、高等院校的科技人员在冰工程关键力学问题上的最新研究进展，以促进学术交流，供从事该行业和领域的学者参考.

我国渤海湾、北黄海地区冬季常年存在一年生海冰.由于该海域油气、风能资源丰富，海冰力学与海洋结构冰害研究一直得到特别的重视.本专题有5 篇文章与海冰工程相关：哈尔滨工程大学船舶工程学院倪宝玉等针对海冰与波流相互作用问题，回顾和讨论国内外对海冰与波浪、海冰与海流及海冰与波流相互作用的研究现状和技术难点，展望了未来可以进一步深入研究的问题，提出了初步的思路以供参考；大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室杨冬宝等通过DEM-FEM 耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的冰激振动模型，模拟不同冰速、冰厚条件下风机与平整冰相互作用过程，对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响应时程，定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性及其原因；中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室黄国君介绍了冰间歇破坏型冰激振动模型对柔性结构锁频共振机理的理论研究，并应用该模型预报海洋结构在不同冰速区间内的锁频共振现象，分析了结构和冰特性参数对冰激振动及锁频共振的影响,并基于这些分析探索了锁频共振机理；天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室黄焱等通过开展低温拖曳冰水池物理模型试验测试气垫平台在遭遇平整冰时的破冰过程和破冰阻力，分别以垫升高度和航行速度为试验参数对不同试验工况下气垫平台的破冰过程进行测试，深入解析了气垫平台的破冰过程，并揭示了气垫平台的破冰机理；南方科技大学工学院屈衍等基于现场测量数据分析提出一种海冰的韧性损伤-破碎与结构振动耦合导致结构频率锁定振动的机理，在此基础上提出了一种分析冰的间歇性挤压破碎及其引起海上结构频率锁定振动的简化方法.

我国北方寒冷地区的江河渠库在冬季结冰时会引起一系列冰工程问题.这包括秋季流凌或春季开河时冰塞引起的冰凌、凌汛时流冰对河上建筑物及航运船舶的破坏、冬季渠道输水过程中浮冰在闸前堆积等.本专题有3 篇文章与河冰工程相关：中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室郭新蕾等从河渠冰水力学基本理论7 个方面、河渠冰情预测预报及过程模拟、河冰关键参数观测技术与装备等层面介绍了国内外的河冰水力学研究的主要进展和动向，剖析了当前科学研究和工程应用中存在的难题，并从理论和技术角度阐明了相关原因，总结提出了河渠冰水力学未来需要重点开展的研究；合肥工业大学土木与水利工程学院王军等对桥墩附近冰塞稳定性力学分析、桥墩对河道卡封以及临界流凌密度的影响、冰盖下桥墩周围局部冲刷等方面的研究工作进行了总结，介绍了冰塞条件下桥墩附近局部冲刷问题试验研究的进展，并对相关研究难点和需要进一步开展的研究工作进行了分析；四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室梁乃生等为判断渠道闸前浮冰的输移状态，开展了明渠水槽平板闸孔自由出流条件下的室内物理模型试验，提出了一种基于PCA-SVM 算法的闸前冰堆积与输移判别模型，进一步将其应用在倒虹吸口浮冰状态判别试验中以验证模型的分类性能.

当前，冰工程已发展成一门涉及力学分析、材料性能、工程结构、气象水文、遥感监测等多领域的综合学科.近年来，我国在寒区开发与经济建设的速度加快，冰工程研究得到了国家及有关工程界的高度重视，研究水平与研究规模取得了迅速的发展，并加大了与国际上冰工程研究先进国家间的交流合作，许多研究成果达到了国际先进水平.由于篇幅限制，本专题就冰工程中的关键力学问题研究方面组织了8 篇论文，仅从一个侧面反映我国科技工作者在冰工程科学与技术发展中的研究现状.随着我国“双龙探极”新时代的开启、“三极”协同科学研究的探索，以及“冰上丝绸之路”国家战略的实施，我们需要积极应对更加突出、复杂、多样的冰工程问题，奋力推动我国冰工程技术的持续发展，为解决寒区冰工程问题提供有力的理论基础和科学的技术支撑.