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Variational Methods for Glacier Mechanics Problems*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Robert G. Oakberg*
Affiliation:
Department of Civil Engineering and Engineering Mechanics, Montana State University, Bozeman, Montana 59717, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The object of the research is to determine whether direct methods from the calculus of variations can provide convenient approximate solutions of complex problems in glacier mechanics. The Ritz technique is used to minimize an appropriate functional. Coordinate functions obtained from a finite-element model are combined with a coordinate function that is the solution of a related problem. The finite-element coordinate functions make localized adjustments to the related solution. Solutions of two sample problems are presented. An analysis of the closure of an intergranular vein in ice at the melting point is based upon a variational principle for velocities. An analysis of the flow of ice in a cylindrical channel is based upon a variational principle for stresses.

Résumé

Résumé

L’objet de la recherche est de déterminer si des méthodes directes issues du calcul des variations peut fournir des solutions approchées convenables de problèmes complexes de mécanique des glaciers. La technique de Ritz est utilisée pour minimiser un fonctionnel approprié. Les fonctions coordonnées obtenues à partir d’un modèle aux éléments finis sont combinées avec une fonction coordonnée qui est la solution d’un problème particulier. Les fonctions coordonnées issues du modéle aux éléments finis permettent des ajustements locaux de la solution particuliére. On présente les solutions de deux problèmes types. Une analyse de la fermeture d’un pore intergranulaire dans de la glace à la température de fusion est basée sur un principe variationnel pour les vitesses. Une analyse de l’écoulement de la glace dans un chenal cylindrique est fondée sur le principe variationnel pour les efforts.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Ziel der Untersuchung ist die Klärung der Frage, ob direkte Methoden der Variationsrechnung für ausreichende Näherungslösungen von komplizierten Problemen der Gletschermechanik geeignet sind. Zur Minimierung zugehöriger Funktionen wird das Ritz-Verfahren herangezogen. Koordinaten-Funktionen, die sich aus einem Modell mit finiten Elementen ergeben, werden mit einer Koordinaten-Funktion verknüpft, die sich als Lösung eines verwandten Problems erweist. Die Koordinaten-Funktionen mit finiten Elementen führen zu ortsgebundenen Angleichungen an die verwandte Lösung. Für zwei Musterprobleme werden Lösungen angegeben: Die Analyse des Schliessens einer intergranularen Ader in Eis bei Schmelztemperatur stüzt sich auf ein Variationsprinzip für Geschwindigkeiten. Die Analyse des Eisflusses in einem zylindrischen Bett benutzt ein Variationsprinzip für Spannungen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1981
Figure 0

Fig. 1. Shape of vein and finite-element model.

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Fig. 2. Non-dimensional nodal velocities on the ice-water interface, multiplied by 10000.

Figure 2

Fig. 3. Isoclinics of the stress tensor.

Figure 3

Fig. 4. Finite-element model and non-dimensional nodal velocities, multiplied by 1000.

Figure 4

Fig. 5. Contours of maximum shear stress.