一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置及方法

1.本发明属于极地船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置及方法。


背景技术：

2.近年来，北极海冰的覆盖面积和厚度持续缩减，极地航行和资源开发日益现实，巨大的经济利益促使国际船舶市场对专业的破冰船、各类极地运输船舶与工程的需求越来越迫切。在破冰船等极地作业装备的设计建造中，冰载荷的输入相对于常规海域显得尤为重要。
3.破冰航行中遭遇的海冰，按其表面特性可分为平整冰(level ice)和变形冰(deformed ice)。其中，民用极地船舶适用的极地规范(如pc规范)通常针对层冰。不同冰级的类别划分主要按照冰厚以及冰的硬度。变形冰系指漂浮的海冰在海岸特征、气旋天气或汇集流等影响下受挤压导致表面变形并被迫向上或向下形成聚集在一起的冰。通常，冰较薄位置处，冰片可能相互叠起或浮冰块相互骑叠，形成重叠冰(rafted ice)；冰较厚位置处，因冰压力作用可能形成冰脊(ridge)。
4.换句话说，冰脊源于海冰在风、浪、流等环境作用下发生破碎后由于挤压、重叠等作用由大小不同、形状各异的冰块逐渐堆积，之后其内部冰块以及漂移的冰层在低温环境下发生冻结形成。其内部充满裂缝和缺陷，导致后续的破坏以局部变形失效为主。冰脊在水面以上的部分称为冰帆(sail)，水下的部分称为龙骨(keel)。尽管冰脊没有平整冰硬，但其尺寸相对较大；在不考虑冰山的极端影响下，当年生冰脊与船舶碰撞产生的冰载荷足以决定其设计冰载荷。
5.由此可以看出对于冰脊力学性质的分析和获取，以及分析结构物与冰脊碰撞的作用规律和载荷特性是十分必要的，然而由于运输成本，实验成本等的考虑，采用实地现场获取冰脊和测量力学参数会耗费大量的人力和物力。在实验室的条件下制备相应的模型冰脊，并对其力学性质进行分析可以极大程度上为破冰船及其他极地船舶的设计提供试验参考。
6.在现有的相关研究中，尚未出现关于模型冰脊制备方法的研究。专利号cn201310756056.5的发明专利“一种覆雪模型冰盖的制备方法”中，主要介绍了一种平整模型冰盖及其上表面覆雪层的制备方法。模型冰为平整冰，与本发明的模型冰脊的制备方法不同。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置及方法。
8.一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置，所述模型冰脊由龙帆、固结层和龙骨构成；所述龙帆的帆高宽度为d1，脊帆高度为h1；所述龙骨的宽度为d2，深度为h2，满足d2≥d1，6h1≥h2≥2h1；所述模型冰脊制备装置包括支撑装置与加载装置；所述支撑装置包括
底座1、左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3、龙骨整形装置4、左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6；所述龙骨整形装置4包括两块龙骨整形板，两块龙骨整形板一端通过龙骨角度调节器14连接并安装在底座1上，另一端分别通过左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3支撑；所述左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6分别布置于龙骨整形装置4的左右两侧；所述加载装置包括水平挡板7、脊帆整形装置8；所述脊帆整形装置8有两组，分别通过伸缩加载杆9、加载角度控制器(12,13)与左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6连接；所述水平挡板7通过板间角度调节器(10,11)与脊帆整形装置8连接。
9.进一步地，所述左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3在自身长度可变的同时为龙骨整形装置4提供直接支撑；所述龙骨整形装置4与模型冰脊的龙骨部分直接接触并为其定型；所述左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6支撑加载装置的重量同时还可以调节自身长度以调整加载方位；所述脊帆整形装置8在加载过程中作为加载面直接与模型冰脊的脊帆接触；所述伸缩加载杆9用于提供加载动力；所述加载角度控制器(12,13)用于调整加载方向的作用；所述板间角度调节器(10,11)用于在调整加载方向后使水平挡板7继续保持水平状态。
10.一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备方法，包括以下步骤：
11.步骤1：制备开始前，根据模型冰脊的设计体积，在冰水池中冻结平整冰；
12.步骤2：待平整冰厚度生长至满足要求的厚度h，将需制备模型冰脊区域的平整冰切割移除，并将模型冰脊制备装置放入该区域；
13.步骤3：调整左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3以及龙骨角度调节器14，使龙骨整形装置4的夹角与待制备的模型冰脊的龙骨角度α相等；调整支撑装置吃水，使龙骨整形装置4的上平面低于水面0.9h，之后再对左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6进行调整，使加载装置处于适当高度；调整加载角度控制器(12,13)，使脊帆整形装置8的夹角与模型冰脊的脊帆角度β相等，并通过板间角度调节器(10,11)使水平挡板7继续保持水平状态；
14.步骤4：待模型冰脊制备装置布置完成后，将满足模型冰脊体积要求的平整冰切割为碎冰块，向模型冰脊制备装置内堆满碎冰块至谷堆状且保持水对碎冰块间缝隙的浸润；
15.步骤5：通过伸缩加载杆9带动脊帆整形装置8以及水平挡板7对装置内碎冰块进行加载，直至水平挡板7下表面与龙骨整形装置4上平面垂直距离为h时加载停止；随着加载的进行，模型冰脊内部孔隙率降低，模型冰脊密度、强度升高；
16.步骤6：将模型冰脊制备装置及初步制备的模型冰脊静止，待碎冰间浸润的水完全冻结后，将伸缩加载杆9退回原来位置；
17.步骤7：多次重复步骤4至步骤6，进行模型冰脊的相关力学参数，密度，温度梯度，弯曲强度，压缩强度等的测试，满足与设计要求的误差≤15％，直至生成满足需求的模型冰脊。
18.本发明的有益效果在于：
19.本发明考虑了实际冰脊的生成过程中的特点，提供的模型冰脊制备装置及方法适用于冰水池内，使用预切割碎冰堆积，并用模型冰脊制备装置对模型冰脊进行外形整理、加载施压、再冻结的方式构建模型冰脊，可满足模型冰脊的结构形式与力学性质和实际冰脊的相似性。本发明采取的结构形式简单，易于在实验室条件下进行制备，填补了现有模型冰脊制备装置及方法的空白。
附图说明
20.图1为本发明中模型冰脊的结构简化示意图。
21.图2为本发明中一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置的正面视图。
22.图3为本发明中一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置的侧面视图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步描述。
24.本发明主要介绍了在实验室的条件下进行模型冰脊的制备装置及方法，为极地极端环境下极地船舶与极地海洋结构物与冰脊的相互作用，及对于与冰脊相关冰载荷和力学性质的分析提供方法参考。本发明拟在冰水池内，采用冰层重复挤压，碰撞，破碎，再冻结的方式构建冻结冰脊，并进行冰脊的相关力学参数，弯曲强度，压缩强度等的测试，为后续的冰脊试验和力学性质研究提供分析方法。
25.一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置，所述模型冰脊由龙帆、固结层和龙骨构成；所述龙帆的帆高宽度为d1，脊帆高度为h1；所述龙骨的宽度为d2，深度为h2，满足d2≥d1，6h1≥h2≥2h1；所述模型冰脊制备装置包括支撑装置与加载装置；所述支撑装置包括底座1、左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3、龙骨整形装置4、左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6；所述龙骨整形装置4包括两块龙骨整形板，两块龙骨整形板一端通过龙骨角度调节器14连接并安装在底座1上，另一端分别通过左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3支撑；所述左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6分别布置于龙骨整形装置4的左右两侧；所述加载装置包括水平挡板7、脊帆整形装置8；所述脊帆整形装置8有两组，分别通过伸缩加载杆9、加载角度控制器(12,13)与左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6连接；所述水平挡板7通过板间角度调节器(10,11)与脊帆整形装置8连接。
26.所述左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3在自身长度可变的同时为龙骨整形装置4提供直接支撑；所述龙骨整形装置4与模型冰脊的龙骨部分直接接触并为其定型；所述左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6支撑加载装置的重量同时还可以调节自身长度以调整加载方位；所述脊帆整形装置8在加载过程中作为加载面直接与模型冰脊的脊帆接触；所述伸缩加载杆9用于提供加载动力；所述加载角度控制器(12,13)用于调整加载方向的作用；所述板间角度调节器(10,11)用于在调整加载方向后使水平挡板7继续保持水平状态。
27.一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备方法，包括以下步骤：
28.步骤1：制备开始前，根据模型冰脊的设计体积，在冰水池中冻结平整冰；
29.步骤2：待平整冰厚度生长至满足要求的厚度h，将需制备模型冰脊区域的平整冰切割移除，并将模型冰脊制备装置放入该区域；
30.步骤3：调整左侧下部伸缩杆2、右侧下部伸缩杆3以及龙骨角度调节器14，使龙骨整形装置4的夹角与待制备的模型冰脊的龙骨角度α相等；调整支撑装置吃水，使龙骨整形装置4的上平面低于水面0.9h，之后再对左侧方伸缩杆5、右侧方伸缩杆6进行调整，使加载装置处于适当高度；调整加载角度控制器(12,13)，使脊帆整形装置8的夹角与模型冰脊的脊帆角度β相等，并通过板间角度调节器(10,11)使水平挡板7继续保持水平状态；
31.步骤4：待模型冰脊制备装置布置完成后，将满足模型冰脊体积要求的平整冰切割为碎冰块，向模型冰脊制备装置内堆满碎冰块至谷堆状且保持水对碎冰块间缝隙的浸润；
32.步骤5：通过伸缩加载杆9带动脊帆整形装置8以及水平挡板7对装置内碎冰块进行加载，直至水平挡板7下表面与龙骨整形装置4上平面垂直距离为h时加载停止；随着加载的进行，模型冰脊内部孔隙率降低，模型冰脊密度、强度升高；
33.步骤6：将模型冰脊制备装置及初步制备的模型冰脊静止，待碎冰间浸润的水完全冻结后，将伸缩加载杆9退回原来位置；
34.步骤7：多次重复步骤4至步骤6，进行模型冰脊的相关力学参数，密度，温度梯度，弯曲强度，压缩强度等的测试，满足与设计要求的误差≤15％，直至生成满足需求的模型冰脊。
35.实施例1：
36.冰脊剖面图如图1所示，长度根据设计要求不等。主要由脊帆，固结层和龙骨构成，本模型冰的制备方法中对于模型冰脊的结构参数应有其确定范围，龙骨宽度d2≥d1帆高宽度；h代表固结层厚度，龙骨深度h2与脊帆高度h1相比，6h1≥h2≥2h1，此外，α、β分别代表龙骨与脊帆角度。
37.制备模型冰脊的装置按功能分类可视为由两部分组成，分别为支撑装置与加载装置，支撑装置可以给装置各部件提供支撑作用，加载装置可以在冰脊制备过程中对冰脊原材料进行加载，以模拟实际冰脊形成过程。支撑装置由底座1、下部伸缩杆2和3、龙骨整形装置4、侧方伸缩杆5和6、龙骨角度调节器14组成。龙骨整形装置4与冰脊龙骨部分直接接触且为其定型；下部伸缩杆2和3在自身长度可变的同时为龙骨整形装置4提供直接支撑；侧方伸缩杆5和6支撑上部加载装置的重量同时还可以调节自身长度以调整加载方位。加载装置由水平挡板7、脊帆整形装置8、伸缩加载杆9、板间角度调节器10和11、加载角度控制器12和13。加载装置在对冰脊原材料进行加载时开始工作，其中脊帆整形装置8在加载过程中作为加载面直接与脊帆接触，伸缩加载杆9可提供加载动力，加载角度控制器12和13可起到调整加载方向的作用；板间角度调节器10和11可以在调整加载方向后调节，以继续保持挡板7的水平。
38.步骤1：制备开始前，根据设计冰脊的体积，在实验室中制备满足冰脊体积要求的平整冰，平整冰可依据工况要求为模型冰或者淡水冰，冰厚h与设计工况要求相同。
39.步骤2：等待平整冰厚度生长至满足要求的厚度h，将需制备冰脊区域平整冰切割移除，将制备模型冰脊装置放入该区域，并调整下部伸缩杆2和3以及龙骨角度调节器14，以调整龙骨整形装置4的夹角等于龙骨角度α。
40.步骤3：调整支撑装置吃水，使龙骨整形装置4的上平面低于水面0.9h，之后再对侧方伸缩杆5和6进行调整，使上部加载装置处于适当高度。
41.步骤4：根据脊帆角度β调节加载角度控制器12和13，使得脊帆整形装置8夹角为β。
42.步骤5：调节板间角度调节器10和11，继续保持挡板7的水平状态。
43.步骤6：待装置布置完成后，将满足冰脊体积要求的平整冰切割为碎冰块，向装置内堆满碎冰块至谷堆状且保持水对碎冰块间缝隙的浸润。
44.步骤7：伸缩加载杆9带动脊帆整形装置8以及水平挡板7对装置内碎冰块进行加载，直至水平挡板7下表面与龙骨整形装置4上平面垂直距离为h时加载停止；随着加载的进行，模型冰脊内部孔隙率降低，模型冰脊密度、强度升高。
45.步骤8：将驱动装置保持在加载停止时位置，将初步制备的模型冰脊及装置静止，
待碎冰间浸润的水完全冻结，随后将伸缩加载杆9退回原来位置。
46.步骤9：多次重复步骤6-8步骤，进行冰脊的相关力学参数，密度，温度梯度，弯曲强度，压缩强度等的测试，满足与设计要求的误差≤15％，直至生成满足需求的模型冰脊。
47.本发明的优势在于：
48.(1)本发明填补了现有模型冰脊制备方法的空白。
49.(2)本发明中基于挤压加载方式的模型冰脊制备方法参照并充分考虑了实际冰脊的生成过程中的特点。
50.(3)本发明的模型冰脊制备方法适用于冰水池内，使用预切割碎冰堆积，并用模型冰脊制备装置对模型冰脊进行外形整理、加载施压、再冻结的方式构建模型冰脊，可满足模型冰脊的结构形式与力学性质和实际冰脊的相似性。
51.(4)本发明方法采取的结构形式简单，易于在实验室条件下进行制备。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。