Отставить Арктику: как в Подмосковье будут испытывать ледоколы

Подмосковные ученые из Московского физико-технического института создали уникальную компьютерную модель, способную точно предсказать, как лед разрушается при столкновении с корпусом корабля. Эта разработка позволит значительно повысить безопасность и надежность ледоколов, работающих в сложных условиях Северного морского пути, информирует пресс-служба Министерства инвестиций, промышленности и науки Московской области.

По словам исследователей, новая физико-математическая модель дает возможность избежать дорогостоящих и рискованных натурных испытаний в Арктике, заранее оценить потенциальные аварийные сценарии и спроектировать более прочные суда. Научная статья с описанием разработки уже опубликована в журнале Lobachevskii Journal of Mathematics.

Как пояснил научный руководитель кафедры вычислительной физики МФТИ, член-корреспондент РАН Игорь Петров, лед является материалом со сложным поведением. Он отметил, что под нагрузкой лед может вести себя то как упругое стекло, то как пластилин, а затем внезапно раскрошиться. То есть перед разрушением он деформируется и накапливает внутреннее напряжение. Разработанный подход позволяет учитывать эти эффекты с высокой точностью, сообщил ученый.

До сих пор существующие компьютерные модели, основанные на методах конечных или дискретных элементов, не могли полноценно описать двойственную природу льда. Они не учитывали одновременно его хрупкость, приводящую к раскалыванию, и пластичность, вызывающую медленную деформацию.

Эта неточность заставляла инженеров закладывать в конструкции избыточную прочность и проводить чрезвычайно затратные испытания в реальных условиях. По оценкам экспертов, такие ледовые испытания одного судна могут обходиться в десятки миллионов долларов из-за расходов на топливо, логистику и страховку, неся при этом риски для экипажа и арктической экосистемы.

Решение, найденное учеными МФТИ, учитывает все ключевые стадии взаимодействия: упругую деформацию, пластическое течение и хрупкое разрушение. В основе модели лежит математический аппарат Прандтля-Рейсса — система уравнений, описывающих связь между деформацией и напряжением в материале. Для решения этих уравнений был применен разрывный метод Гарелкина.

Модель уже прошла успешную проверку на двух типах задач: ударном взаимодействии с высокой энергией и медленном продавливании льда массивным объектом. Для расчетов использовались реальные физические параметры льда, полученные из экспериментальных данных. Результаты наглядно показали, как при разных скоростях взаимодействия образуются либо магистральные трещины, либо зоны пластического прогиба, что полностью соответствует данным реальных наблюдений.

В будущем ученые планируют расширить возможности модели, чтобы учесть влияние таких факторов, как соленость и температура, на прочностные характеристики льда. Это позволит делать прогнозы еще более точными и поможет в создании новых поколений арктических судов.