一种冰脊模型制备方法与流程

本发明涉及极地船舶与海洋工程，尤其是一种冰脊模型制备方法。

背景技术：

1、冰脊是海冰在风、浪、流等的组合环境动力作用下发生破碎后由于重叠、挤压等作用而由大小不同、形状各异的冰块在海冰上表面形成的隆起部分，主要由脊帆和龙骨组成。

2、随着全球气候变暖，两极冰川不断融化，对极地资源开发和航运业发展带来极大机遇，同时也伴随着巨大的考验。船舶在极地航行时不可避免会与海冰发生碰撞，这将严重威胁冰区船的航行安全，为保证冰区船舶的安全性，针对冰载荷研究具有重大意义。冰脊一般尺寸较大，相对平整冰、碎冰等其他海冰类型，冰脊的形成更加复杂，其物理特性和力学性质的随机性相对增加。

3、冰脊模型制备是研究其冰脊性质的基础，在极地装备的工程设计中，建立冰脊的物理性质参数和力学性质参数是非常重要的影响规律，可为极地装备的研发提供海冰环境基础数据的支持。

4、目前通常将冰板切割形成碎冰体，然后对碎冰体施加外力堆积成型，制作出冰脊模型。这种制作冰脊模型的方法不仅人为改变了冰脊龙骨和脊帆的强度，同时制作过程与真实的冰脊形成过程具有一定的差异，不能提供较为准确的海冰环境数据。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种冰脊模型制备方法，从而使形成冰脊模型的碎冰强度更贴合实际，通过模拟真实的冰脊形成过程来制作冰脊模型，使冰脊模型的物理性质参数和力学性质参数更加贴近真实的极地海冰，提供较为准确的海冰环境数据。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种冰脊模型制备方法，包括以下步骤：

4、s1、预制第一冰层和第二冰层；

5、s2、将第一冰层和第二冰层间隔放置于冰水池的水面，第一冰层和第二冰层之间的水域为碎冰区，第一冰层的位置相对于所述冰水池固定；

6、s3、移动第二冰层，使第二冰层的端部与位于碎冰区的挡冰结构相互作用，在挡冰结构和所述第二冰层的端部之间形成碎冰体，碎冰体分为上部分碎冰和下部分碎冰，上部分碎冰从所述挡冰结构的上表面翻越，下部分碎冰从挡冰结构的下表面翻越；

7、s4、逐次移动所述挡冰结构，使挡冰结构远离所述第一冰层，每次移动所述挡冰结构后重复步骤s3；

8、s5、当所述挡冰结构多次移动后总位移量为设定位移时，所述挡冰结构停止移动并离开碎冰区，碎冰体一侧被所述第一冰层阻挡，碎冰体的另一侧被所述第二冰层阻挡，碎冰体的碎冰堆积再冻结形成同时与所述第一冰层、第二冰层连接的冰脊模型。

9、其进一步技术方案在于：

10、所述第一冰层和所述第二冰层之间的碎冰中沿垂直方向设置温度链，检测形成的冰脊模型中部的纵向温度分布；

11、在水下用摄像机检测水下冰脊模型的成型过程及冻结形态。

12、所述挡冰结构与所述第二冰层的端部相对的一侧为撞击部，用于与所述第二冰层的端部相互作用，所述撞击部的上部为第一导向面，用于导向所述上部分碎冰从所述挡冰结构的上表面翻越，所述撞击部的下部为第二导向面，用于导向所述下部分碎冰从所述挡冰结构的下表面翻越，第二导向面与水面之间夹角为姿态角；

13、在进行步骤s3之前，设定姿态角的大小，并将姿态角锁定；

14、完成一次冰脊模型的制备之后，改变设定姿态角大小进行多次冰脊模型的制备。

15、所述挡冰结构为截面呈四边形的杆状结构，所述挡冰结构的轴向与所述第二冰层的端部平行；

16、所述挡冰结构的一个突出的角部为所述撞击部，所述撞击部上部的斜面为所述第一导向面，所述撞击部下部的斜面为所述第二导向面。

17、所述冰水池上设置有一对连接结构，所述挡冰结构两端分别与两个连接结构转动连接，用于转动调整第二导向面与水面之间的姿态角；

18、通过调节所述连接结构调整和固定所述挡冰结构相对于第一冰层的位置，设定好姿态角后，通过安装于所述连接结构上的姿态调节结构将姿态角锁定。

19、所述姿态调节结构的结构为：包括基板，所述基板的两端分别与单个连接结构连接，与所述撞击部相反的挡冰结构另一侧固定安装有吊耳，还包括调节杆，所述调节杆的下端与所述吊耳的通孔铰接，所述调节杆的上端为螺纹部，所述螺纹部上安装有第一螺母和第二螺母，所述第一螺母与所述基板上表面配合，所述第二螺母与所述基板下表面配合，所述基板上设置有与所述螺纹部配合的长形孔，长形孔的长度方向垂直于所述挡冰结构的转动轴线，调节所述第一螺母和第二螺母在螺纹部上的位置以及螺纹部在所述长形孔中的位置，进而调节姿态角的大小。

20、步骤s3中，通过往复移动第二冰层使第二冰层的端部与挡冰结构相互作用，相互作用方式包括撞击和挤压；

21、在进行步骤s3之前，设定第二冰层的移动速度的大小；

22、完成一次冰脊模型的制备之后，改变移动速度进行多次冰脊模型的制备。

23、所述冰水池上设置有伺服驱动机构，所述冰水池内部设置有推冰板，所述推冰板与所述冰水池滑动连接；

24、所述伺服驱动机构的输出端与推冰板固定连接，所述伺服驱动机构驱动所述推冰板移动，使第二冰层的端部与所述挡冰结构相互作用。

25、所述伺服驱动机构的输出端与所述推冰板通过传感器连接，所述传感器用于测量第二冰层的端部与所述挡冰结构相互作用时伺服驱动机构的输出端与推冰板之间作用力的大小。

26、完成一次冰脊模型的制备之后，改变设定位移量，进行多次冰脊模型的制备。

27、本发明的有益效果如下：

28、本发明通过在冰水池水面放置固定的第一冰层和可移动的第二冰层，第二冰层撞击挤压挡冰结构的方式形成碎冰，使形成冰脊模型的碎冰强度更贴合实际，以第一冰层和第二冰层为固定基础，碎冰在第一冰层和第二冰层之间再冻结的方式，模拟真实的冰脊形成过程来制作冰脊模型，使冰脊模型的物理性质参数和力学性质参数更加贴近真实的极地海冰，提供较为准确的海冰环境数据。

29、同时，本发明还存在如下优势：

30、(1)通过在水下设置摄像机在冰脊模型中部设置温度链，用于检测冰脊模型成型过程确定最终成型结束的时间，同时监测冰脊固结层的厚度、实时监测龙骨形态，保证取样测量冰脊模型物理性质参数和力学性质参数时是冰脊模型的最佳状态。

31、(2)通过改变每次制作冰脊模型的挡冰结构第二导向面的姿态角，调整上部分碎冰和下部分碎冰的冰量，改变冰脊模型脊帆、龙骨的纵截面尺，获得不同形态的冰脊模型，进而得到更多类型冰脊模型的物理性质参数和力学性质参数，丰富海冰环境数据，为极地装备的研发提供更多的数据支持。

32、(3)移动速度不同对最终制作的冰脊模型的孔隙率有关，通过改变移动速度，经过多次制作获得不同孔隙率的冰脊模型，进而得到更多类型冰脊模型的物理性质参数和力学性质参数，丰富海冰环境数据，为极地装备的研发提供更多的数据支持。

33、(4)改变设定位移量改变形成冰脊模型区域尺寸及碎冰总量，进而得到横向尺寸和纵截面尺寸不同的冰脊模型。