一種用于測(cè)試海冰彎曲強(qiáng)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程領(lǐng)域的海冰力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)方法，特別是關(guān)于一種用于驗(yàn)證海冰各 項(xiàng)參數(shù)對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響程度的實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境非常復(fù)雜，它要承受風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐荷載的作 用，同時(shí)還有承受地震荷載的威脅。海冰會(huì)對(duì)船體、平臺(tái)和生產(chǎn)設(shè)備等造成重大威脅。歷史 上曾發(fā)生過(guò)許多海洋平臺(tái)被海冰推倒，海冰導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞失效的工程事故。海冰還有可 能劃過(guò)海底形成溝壑，嚴(yán)重威脅海底生產(chǎn)系統(tǒng)。海冰的存在嚴(yán)重阻礙著供給船和運(yùn)輸油船 的通行，給能源生產(chǎn)、安全管理和人員撤離等造成了很大困難。
[0003] 冰荷載已經(jīng)成為很多海洋結(jié)構(gòu)物的主要荷載，其對(duì)結(jié)構(gòu)物及船舶的破壞方式有很 多種，包括擠壓破壞、海冰撞擊、凍結(jié)附著、摩擦及在有斜面結(jié)構(gòu)物上的爬坡等。在極值冰力 作用下，海洋結(jié)構(gòu)物容易被推倒，在交變冰力作用下會(huì)產(chǎn)生冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)，導(dǎo)致疲勞破壞如 管節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞、平臺(tái)管線斷裂、法蘭松動(dòng)等，冰激振動(dòng)還會(huì)影響甲板上人員的舒適度、 機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定等。
[0004] 海冰對(duì)海上結(jié)構(gòu)物的作用力很大程度取決于海冰的強(qiáng)度、厚度和結(jié)構(gòu)物的形狀。 在設(shè)計(jì)海上結(jié)構(gòu)物時(shí)要針對(duì)不同海域不同冰情條件來(lái)確定結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式，目前海洋平 臺(tái)采用在直立粧腿上加抗冰錐體，增強(qiáng)抗冰能力。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了讓我們更好的避免 工程事故的發(fā)生，減輕海冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞，降低損失，就必須研究清楚海冰的物理力學(xué)性 質(zhì)，包括海冰的鹽度、密度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等，彎曲強(qiáng)度由于在破壞形式上 的特點(diǎn)，其強(qiáng)度值較壓縮強(qiáng)度較小，通過(guò)研究海冰彎曲強(qiáng)度有利于優(yōu)化寒區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建 造。現(xiàn)有的海冰實(shí)驗(yàn)主要集中于海冰的壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)海冰的彎曲實(shí)驗(yàn)考慮較少。另外，現(xiàn)有 彎曲實(shí)驗(yàn)往往只針對(duì)主要關(guān)注參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)考慮，實(shí)驗(yàn)方法各有較大差異，通用性不強(qiáng)。本 方法綜合考慮了影響海冰彎曲強(qiáng)度的諸多因素，提供了一種系統(tǒng)的便于實(shí)現(xiàn)的海冰彎曲強(qiáng) 度測(cè)試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法的不足，本發(fā)明提供一種用于測(cè)試海冰彎曲強(qiáng)度及其物理特性 的方法，通過(guò)此方法可以得到海冰試樣的彎曲強(qiáng)度數(shù)值、溫度值、鹽度值、密度值。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方案的技術(shù)方案是：
[0007] -種用于測(cè)試海冰彎曲強(qiáng)度的方法，包括用于進(jìn)行海冰試樣加工的海冰切割機(jī)、 用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載的海冰壓力試驗(yàn)機(jī)、用于測(cè)量海冰試樣溫度的探針式溫度計(jì)、用于測(cè)量 海冰試樣鹽度的鹽度計(jì)、用于測(cè)量海冰密度的密度計(jì)、用于存儲(chǔ)試樣的低溫冷凍柜、用于記 錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程的高速錄像儀。
[0008] 具體步驟如下：
[0009] 第一步：將現(xiàn)場(chǎng)采集的毛坯冰塊切割成彎曲的六面體試樣，其長(zhǎng)*寬*高為 70mm*70mm*600mm，并保證試樣各面的平整度，誤差不超過(guò)3mm;置于零下10°C-零下20°C環(huán)境下存儲(chǔ)24小時(shí)；
[0010] 第二步：將上述試樣取出，使用密度計(jì)測(cè)量試樣密度，使用探針式溫度計(jì)記錄試樣 各表面溫度；
[0011] 第三步：采用四點(diǎn)彎曲方式將試樣固定放置于海冰壓力試驗(yàn)機(jī)加載位置，并調(diào)節(jié) 海冰壓力試驗(yàn)機(jī)將試樣預(yù)緊，產(chǎn)生0~(λ5N的預(yù)緊力；
[0012] 第四步：按照位移加載方式設(shè)置海冰壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率控制為1~40mm/s，實(shí) 時(shí)采集所產(chǎn)生的應(yīng)力；
[0013] 第五步：?jiǎn)?dòng)海冰壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)啟高速錄像儀對(duì)試樣 整個(gè)加載過(guò)程進(jìn)行記錄，待試樣出現(xiàn)明顯破壞時(shí)停止操作；
[0014] 第六步：從破壞部位選取6份試樣碎肩，使用鹽度計(jì)對(duì)試樣鹽度進(jìn)行測(cè)量并記錄 數(shù)據(jù)。
[0015] 根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)試樣數(shù)量以及實(shí)驗(yàn)要求重復(fù)第一步到第六步實(shí)驗(yàn)。
[0016] 進(jìn)一步，將第二步中測(cè)得的6組溫度值中去除最低溫度值和最高溫度值，取其余4 個(gè)溫度平均值作為試樣溫度記錄。
[0017] 進(jìn)一步，將第六步中測(cè)得的6組鹽度中去除最高鹽度和最低鹽度，取其余4個(gè)鹽度 的平均值作為試樣鹽度記錄。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] (1)本發(fā)明采用四點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行海冰彎曲實(shí)驗(yàn)，相比于常規(guī)的三點(diǎn)彎曲方法，此 方法可使海冰試樣的受力更加均勻。
[0020] (2)本發(fā)明考慮了影響海冰彎曲強(qiáng)度的溫度、鹽度、密度因素，為后續(xù)綜合分析影 響海冰彎曲強(qiáng)度的方法提供方便。
[0021] (3)本發(fā)明采用高速錄像儀對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行記錄，為后續(xù)針對(duì)海冰破壞瞬間的破 壞形式分析提供數(shù)據(jù)支撐。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1海冰彎曲實(shí)驗(yàn)流程圖。
[0023] 圖2試樣形狀及加載示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明提供了一種測(cè)量海冰彎曲強(qiáng)度及其物理特性的實(shí)驗(yàn)方法，具體實(shí)驗(yàn)方法如 下：
[0025] 第一步：利用現(xiàn)場(chǎng)采集的毛坯冰塊通過(guò)海冰切割機(jī)加工成彎曲實(shí)驗(yàn)所需 600mm*70mm*70mm(長(zhǎng)*寬*高）長(zhǎng)方體試樣，并保證試樣各面的平整度，誤差不超過(guò)3mm。 一個(gè)試樣加工完成后放置于零下l〇°C到零下20°C范圍內(nèi)的低溫環(huán)境下存儲(chǔ)24小時(shí)。由 于海冰冰晶生長(zhǎng)有一定方向，在試樣加工時(shí)應(yīng)確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)加載方向與冰晶生長(zhǎng)方向一 致。
[0026] 第二步：從上述低溫環(huán)境下取出試樣，使用密度計(jì)測(cè)量試樣密度，使用探針式溫度 計(jì)記錄試樣各表面溫度。
[0027] 從所獲6組溫度值中去除最低溫度值以及最高溫度值，取其余4個(gè)溫度平均值作 為實(shí)驗(yàn)試樣溫度進(jìn)行記錄。
[0028] 第三步：采用四點(diǎn)彎曲方式將試樣固定放置于海冰壓力試驗(yàn)機(jī)加載位置，并調(diào)節(jié) 海冰壓力試驗(yàn)機(jī)將試件進(jìn)行預(yù)緊，產(chǎn)生0N~0. 5N的預(yù)緊力即可認(rèn)為試樣已經(jīng)夾持牢固。
[0029] 根據(jù)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)試樣受力特點(diǎn)，計(jì)算彎曲應(yīng)力〇b，即：
[0031] 其中，P_為d試樣破壞時(shí)的最大壓力，c為力作用點(diǎn)到支撐點(diǎn)之間的距離，b為試 樣橫截面寬度，h為試樣橫截面高度。
[0032] 第四步：設(shè)置海冰壓力試驗(yàn)機(jī)的加載方式。加載方式主要包括：按照力加載和按 照位移加載。為了與實(shí)際海冰與結(jié)構(gòu)相撞擊的形式相符合，實(shí)驗(yàn)選取按位移加載方式。加 載速率控制在lmm/s~40mm/s的范圍內(nèi)。并設(shè)置試驗(yàn)機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)據(jù) 進(jìn)行米集。
[0033] 第五步：?jiǎn)?dòng)海冰壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)啟高速錄像儀對(duì)試樣 整個(gè)加載過(guò)程進(jìn)行記錄，待試樣出現(xiàn)明顯破壞時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。
[0034] 第六步：從破壞部位選取6份試樣碎肩，使用鹽度計(jì)對(duì)試樣鹽度進(jìn)行測(cè)量并記錄 數(shù)據(jù)。去除所測(cè)最高鹽度和最低鹽度，取其余4個(gè)鹽度的平均值作為實(shí)驗(yàn)試樣鹽度進(jìn)行記 錄。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于測(cè)試海冰彎曲強(qiáng)度的方法，其特征在于，步驟如下： 第一步：將現(xiàn)場(chǎng)采集的毛坯冰塊切割成彎曲的六面體試樣，其長(zhǎng)*寬*高為 70mm*70mm*600mm，并保證試樣各面的平整度，誤差不超過(guò)3mm;置于零下10°C -零下20°C 環(huán)境下存儲(chǔ)24小時(shí)； 第二步：將上述試樣取出，使用密度計(jì)測(cè)量試樣密度，使用探針式溫度計(jì)記錄試樣各表 面溫度； 第三步：采用四點(diǎn)彎曲方式將試樣固定放置于海冰壓力試驗(yàn)機(jī)加載位置，并調(diào)節(jié)海冰 壓力試驗(yàn)機(jī)將試樣預(yù)緊，產(chǎn)生O~〇? 5N的預(yù)緊力； 第四步：按照位移加載方式設(shè)置海冰壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率控制為1~40mm/s，實(shí)時(shí)采 集所產(chǎn)生的應(yīng)力； 第五步：?jiǎn)?dòng)海冰壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)啟高速錄像儀對(duì)試樣整個(gè) 加載過(guò)程進(jìn)行記錄，待試樣出現(xiàn)明顯破壞時(shí)停止操作； 第六步：從破壞部位取6份試樣碎肩，使用鹽度計(jì)對(duì)試樣鹽度進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將第二步中測(cè)得的6組溫度值中去除最低 溫度值和最高溫度值，取其余4個(gè)溫度平均值作為試樣溫度記錄。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將第六步中測(cè)得的6組鹽度中去除最 高鹽度和最低鹽度，取其余4個(gè)鹽度的平均值作為試樣鹽度記錄。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)試天然海冰材料彎曲強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，設(shè)有海冰切割機(jī)、海冰壓力試驗(yàn)機(jī)、探針式溫度計(jì)、鹽度計(jì)、密度計(jì)、低溫冷凍柜及高速錄像儀。實(shí)驗(yàn)方法包括試樣加工、數(shù)據(jù)測(cè)量記錄等步驟。本實(shí)驗(yàn)方法綜合考慮了影響海冰彎曲強(qiáng)度的諸多因素，提供了一種系統(tǒng)的便于實(shí)現(xiàn)的海冰彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法。本發(fā)明采用整合性較強(qiáng)的壓力機(jī)設(shè)備，避免了分體式設(shè)備在加載及采集過(guò)程中的不穩(wěn)定因素，減小了實(shí)驗(yàn)誤差。通過(guò)對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度性質(zhì)的測(cè)試，有助于進(jìn)一步明確海冰與海上結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理及影響因素。
【IPC分類】G01N3/20
【公開(kāi)號(hào)】CN105241760
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510640314
【發(fā)明人】張大勇, 岳前進(jìn), 于哲敏, 許寧, 王國(guó)軍, 婁春娟, 羅成喜
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年9月30日