一种三轴有压冻结制冰方法与流程

本发明涉及冰力学特性研究技术领域，具体涉及一种三轴有压冻结制冰方法。

背景技术：

许多年来，各国学者采用三轴试验进行了广泛的冰力学特性的研究，揭示了固态冰在不同加载条件下的变形及破坏规律；但是对于固态冰形成前，即结冰期(相变阶段)物理环境如冻结压力、冻结速度等对冰力学特性的影响尚无人讨论；研究冻结压力和冻结速度对冰力学特性影响，实验技术上需实现未冻水加压、冻结和三轴实验全过程应力状态和温度场可控。

cn108088757a公开了一种纯水有压冻结成冰三轴试验装置，其通过在三轴压力室内加装可溶外壳，用于在冻结过程中保证试样几何精度，可溶外壳在冰样成形一段时间后被彻底溶解，之后再进行三轴力学实验；该方案存在以下问题：1、由于可溶外壳的存在，冻结过程中围压无法直接作用在试样上，所以试样应力状态并非严格可控；2、由于可溶外壳的存在，可能出现试样还未完全冻结外壳已被溶解，造成制样几何精度不达标；3、为保证冻结制样几何精度，试样完全冻结后较长时间外壳才被溶解，产生时间浪费，实验效率低；4、溶剂材料多为有毒或易燃易爆类有机溶剂，存在安全隐患。

技术实现要素：

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种三轴有压冻结制冰方法，其适用于制取不同冻结压力、冻结速度下几何精度满足三轴实验规范的标准圆柱形冰试样，实现了从液态水加压、冻结至三轴力学实验全过程应力状态和温度场可控，所得冰样几何精度满足各类实验规范要求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种三轴有压冻结制冰方法，具体包括以下步骤：

s1、该装置包括加载系统、温控系统、测温系统；加载系统包括加载框架、压力体积控制器、三轴压力室以及注油泵，三轴压力室包括活塞、承压圆筒、法兰盘、底板以及上下对称设置的两个堵头，活塞穿过承压圆筒顶部预设的中心孔，中心孔与活塞密封配合，承压圆筒底部扣合密封有凸型法兰盘并与其螺栓连接，法兰盘放置在底板上，上下两个堵头分别与活塞下端、法兰盘上端螺栓连接，上下两个堵头之间设置试样，试样与两堵头外侧包裹有柔性膜，加载框架内部上下端面分别与活塞上端面、底板下端面接触，压力体积控制器、注油泵通过预设在法兰盘内的进液管连通三轴压力室内；温控系统包括分别与设在承压圆筒侧面的第一循环通道、设在承压圆筒顶面的第二循环通道以及设在法兰盘顶面的第三循环通道连通的第一降温机、第二降温机以及第三降温机，温控系统还包括包覆在承压圆筒和法兰盘外侧的保温层；测温系统包括电性连接的测温计和解调仪，测温计一端穿过承压圆筒并伸入到三轴压力室内部；

s2、获取温控参数；该温控参数为第一降温机、第二降温机以及第三降温机的温度控制参数，在加压冻结制冰前利用有限元数值计算模拟三轴压力室内温度场随时间变化，通过多步计算，找出温度变化满足要求的温度控制参数，用于冻结制冰时调整装置的温控系统；

s3、加压冻结；在冻结制冰过程中调整加载系统和温控系统，首先启动注油泵，将围压加载介质注满三轴压力室内部，然后以相同的加载速率调整加载框架轴向和压力体积控制器，使试样在静水压力作用下被加压，达到目标压力值后停止压力体积控制器动作，同时调整轴向加载框架以目标压力值稳压伺服，完成加载系统调整；在冻结制冰过程中按照步骤s2获取的温度控制参数实时调整温控系统中第一降温机、第二降温机以及第三降温机的温度设定值；

s4、力学试验；冻结制样完成后，根据实验设计继续调整加载系统和温控系统，使得冻结后的冰样受力状态和温度场达到力学实验要求，然后即可进行冰力学实验。

优选地，柔性膜材质选用聚四氟乙烯膜，围压加载介质选用航空液压油。

优选地，步骤s2中有限元数值计算方法包括以下步骤：

1)有限元建模；在有限元软件中建立与原型尺寸相同的三轴压力室有限元几何模型，然后输入模型材料参数，所有参数均与实际值相同，最后划分网格，生成有限元模型，准备计算；

2)数值计算；具体步骤包括：

a、在有限元软件中输入模型初始温度，围压加载介质初始温度为-16～-5℃，根据冻结速度需要选择，温度越低冻结速度越快，其他部分温度为室温16℃；

b、选择初始温控参数，即初始状态下，三轴压力室内第一循环通道、第二循环通道、第三循环通道三条冷媒循环通道中冷媒介质的温度，实际操作时，分别由第一降温机、第二降温机以及第三降温机对冷媒介质控温实现；

c、求解设置并开始计算；

d、试算判断；

e、数值计算完成；不断重复上述试算过程步骤d，直至数值计算中试样完全结冰，计算完成；

3)温控参数提取：数值计算完成后，提取计算过程中控温参数随时间变化，用以在实际操作中调整温控系统中的第一降温机、第二降温机以及第三降温机。

优选地，步骤c求解设置并开始计算的具体方法为：计算前先进行求解设置，设置单次求解步长为30秒，i表示计算步数，即当i＝40时，数值计算模拟1200秒时压力室内温度场分布，然后开始第一步计算。

优选地，步骤d试算判断的方法为：当前步即第i步计算完成后，判断该步计算结果是否满足围压加载介质平均温度较初始温度变化＜1℃和试样一维单向冻结两个条件，若满足，继续进行下一步计算，若不满足，调整温控参数后重新进行本步计算。

本发明的有益效果在于：本发明实现了试样在加压、冻结、实验的全过程应力场、温度场可控，可以制得不同冻结压力和冻结速度条件下满足三轴试验规范的试样，适合研究冻结压力和冻结速度对冰力学特性的影响；实验效率高，不涉及有毒或易燃易爆材料，安全环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三轴有压冻结制冰方法中各结构连接图；

图2为本发明实施例提供的三轴压力室的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的承压圆筒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第三循环通道的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第一循环通道的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的法兰盘的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的有限元数值计算方法流程图。

附图标记说明：

1、加载框架；2、活塞；3、保温层；4、围压加载介质；5、柔性膜；6、测温计；7、试样；8、进液管；9、法兰盘；10、第一循环通道；11、堵头；12、承压圆筒、第二循环通道；14、第三循环通道；15、第一降温机；152、第二降温机；153、第三降温机；16、注油泵；17、底板；18、解调仪；19、压力体积控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，一种三轴有压冻结制冰方法，具体包括以下步骤：

s1、装置组装；该装置包括加载系统、温控系统、测温系统；加载系统包括加载框架1、压力体积控制器19、三轴压力室以及注油泵16，三轴压力室包括活塞2、承压圆筒12、法兰盘9、底板17以及上下对称设置的两个堵头11，活塞2穿过承压圆筒12顶部预设的中心孔，中心孔与活塞2密封配合，承压圆筒12底部扣合密封有凸型法兰盘9并与其螺栓连接，法兰盘9放置在底板17上，上下两个堵头11分别与活塞2下端、法兰盘9上端螺栓连接，上下两个堵头11之间设置试样7，试样7与两堵头11外侧包裹有柔性膜5，加载框架1内部上下端面分别与活塞2上端面、底板17下端面接触，压力体积控制器19、注油泵16通过预设在法兰盘9内的进液管8连通三轴压力室内；温控系统包括分别与设在承压圆筒12侧面的第一循环通道10、设在承压圆筒12顶面的第二循环通道13以及设在法兰盘9顶面的第三循环通道14连通的第一降温机15、第二降温机152以及第三降温机153，温控系统还包括包覆在承压圆筒12和法兰盘9外侧的保温层3；测温系统包括电性连接的测温计6和解调仪18，测温计6一端穿过承压圆筒12并伸入到三轴压力室内部；

s2、获取温控参数；该温控参数为第一降温机15、第二降温机152以及第三降温机153的温度控制参数，在加压冻结制冰前利用有限元数值计算模拟三轴压力室内温度场随时间变化，通过多步计算，找出温度变化满足要求的温度控制参数，用于冻结制冰时调整装置的温控系统；

s3、加压冻结；在冻结制冰过程中调整加载系统和温控系统，首先启动注油泵16，将围压加载介质4注满三轴压力室内部，然后以相同的加载速率调整加载框架1轴向和压力体积控制器19，使试样7在静水压力作用下被加压，达到目标压力值后停止压力体积控制器19动作，同时调整轴向加载框架1以目标压力值稳压伺服，完成加载系统调整；在冻结制冰过程中按照步骤s2获取的温度控制参数实时调整温控系统中第一降温机15、第二降温机152以及第三降温机153的温度设定值；

s4、力学试验；冻结制样完成后，根据实验设计继续调整加载系统和温控系统，使得冻结后的冰样受力状态和温度场达到力学实验要求，然后即可进行冰力学实验。

柔性膜5材质选用聚四氟乙烯膜，围压加载介质4选用航空液压油。

如图7所示，步骤s2中有限元数值计算方法包括以下步骤：

1)有限元建模；在有限元软件中建立与原型尺寸相同的三轴压力室有限元几何模型，然后输入模型材料参数，所有参数均与实际值相同，最后划分网格，生成有限元模型，准备计算；

2)数值计算；具体步骤包括：

a、在有限元软件中输入模型初始温度，围压加载介质4初始温度为-16～-5℃，根据冻结速度需要选择，温度越低冻结速度越快，其他部分温度为室温16℃；

b、选择初始温控参数，即初始状态下，三轴压力室内第一循环通道10、第二循环通道13、第三循环通道14三条冷媒循环通道中冷媒介质的温度，实际操作时，分别由第一降温机15、第二降温机152以及第三降温机153对冷媒介质控温实现；

c、求解设置并开始计算；

d、试算判断；

e、数值计算完成；不断重复上述试算过程步骤d，直至数值计算中试样7完全结冰，计算完成；

3)温控参数提取：数值计算完成后，提取计算过程中控温参数随时间变化，用以在实际操作中调整温控系统中的第一降温机15、第二降温机152以及第三降温机153。

步骤c求解设置并开始计算的具体方法为：计算前先进行求解设置，设置单次求解步长为30秒，i表示计算步数，即当i＝40时，数值计算模拟1200秒时压力室内温度场分布，然后开始第一步计算。

步骤d试算判断的方法为：当前步即第i步计算完成后，判断该步计算结果是否满足围压加载介质平均温度较初始温度变化＜1℃和试样一维单向冻结两个条件，若满足，继续进行下一步计算，若不满足，调整温控参数后重新进行本步计算。

本发明将圆柱形水样装入三轴压力室内加压冻结直接形成标准圆柱形冰样，实现了加压、冻结、试验三阶段全过程应力状态和温度场可控；本发明技术原理如下：

1、冻胀控制技术

水样冻结成冰的过程中，体积会发生膨胀，称之为“冻胀”；为实现该技术方案，首先要解决冻胀问题。本方案采用侧向变形限制、冻胀量轴向释放的冻结方式，即冻结时，停止压力体积控制器19动作，利用三轴压力室内围压加载介质4体积不变来限制试样7径向尺寸不变；轴向加载设置为稳压伺服状态，当试样7发生冻胀时，未冻水压增大，同时活塞2下端压力增大，加载框架1让压使活塞2相对承压圆筒12上移，试样7长度增大，水压下降至设定值；整个冻结过程不断重复让压，直至试样7中的水完全结冰，制样完成。

2、冻胀控制技术的实现

冻胀控制技术利用三轴压力室内围压加载介质4体积不变来限制试样7径向尺寸不变；因此，在冻结过程中需保持围压加载介质4平均温度不变，否则围压加载介质4体积随平均温度变化而变，无法达到限制试样7径向尺寸的要求，进而难以保证制样几何精度。

冻胀控制技术采用轴向稳压伺服引导冻胀沿轴向发展，该方案可行的前提为试样7在冻结过程中要保证一维单向冻结；若试样7多维多向冻结，将会出现多条冻结锋面；试样7完全冻结前，冻结锋面相互结合，出现冰包水；继续冻结便会出现轴向无法让压、冰样侧面局部鼓胀的现象。

上述两个情况为温度场问题，即要求三轴压力室内温度场发展满足以下两个条件：(1)冻结过程中围压加载介质4平均温度不变；(2)试样7一维单向冻结；本方案可通过温控系统控制三轴压力室内温度场发展，但由于目前尚无能够精确测量高压密封三轴压力室内平均温度的手段，且试样7内部难以布设传感器，无从获取试样7冻结发展状态，故无法通过实时测量反馈的方法调整温控系统；为此，本方案采用有限元数值计算模拟预测三轴压力室内温度场发展，通过多次试算找出满足上述两个条件的温度控制方式，用以在实际操作中控制制样装备的温控系统；需要说明的是，保证冻结过程中围压加载介质4平均温度完全不变是不现实的，通过理论计算，当平均温度变化＜1℃时即能保证制样几何精度，因此在数值计算中围压加载介质4平均温度以波动＜1℃为标准。

本发明优点：1、压力控制精度高：本方案无可溶外壳，利用围压加载介质体积不变限制试样径向变形，围压直接作用在试样侧面，试样应力状态严格可控；2、本方案不存在溶解外壳问题，试样冻结完全后可立即开展力学实验，实验效率明显提高；3、本方案围压加载介质采用航空液压油，无毒且不可燃，属于常规液压物质，安全性高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。