一种模型冰脊及其制备方法与流程

1.本发明属于极地船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种模型冰脊及其制备方法。


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。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。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种模型冰脊及其制备方法。
8.一种模型冰脊，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。
9.一种制备模型冰脊的方法，包括以下步骤：
10.步骤1：制备开始前，根据冰水池的宽度设计冰脊的长度尺寸，满足冰脊的长度小于水池的最大宽度；准备模型冰脊的制备装置；
11.所述模型冰脊的制备装置由对称的左右两部分组成，包括龙帆整形装置、龙骨整形装置、驱动装置、驱动杆；所述龙骨整形装置呈一定角度固定安装在驱动装置上；所述龙帆整形装置通过驱动杆安装在驱动装置上；
12.步骤2：根据需制备的冰脊形式和密度等材料属性需求，对称调节龙帆整形装置与龙骨整形装置的角度、长度，调节驱动装置的挤压速度；在模型冰脊的制备装置内部布置冰板，在冰板中央位置进行预割缝，保证冰脊的中央垂向生长；
13.龙帆整形装置与水平面所成角度为arctan(2h1/d1)，龙骨整形装置与水平面所成角度为arctan(2h2/d2)；
14.步骤3：两侧对称同步挤压冰板，冰板在整形装置的作用下向上或向下发生断裂并滑移挤压，两侧的加载装置距离与设计冰脊最大龙骨宽度d2一致时停止加载；
15.步骤4：驱动杆开始工作挤压冰板，由于龙骨宽度d2≥d1帆高宽度，需对龙帆的形状进行调整，根据设计的龙骨宽度和帆高宽度的数值进行工作距离的条件，两侧驱动杆的挤压距离均应为(d2-d1)/2；
16.步骤5：将驱动装置退回至原位，在现有初步模型冰脊的基础上，重新在对称的模型冰脊的制备装置内部，再次布置冰板；
17.步骤6：再次进行对称挤压加载，模型冰脊两侧的平整冰继续发生断裂，并与生成的初步冰脊模型挤压，融合；两侧的加载装置距离与设计最大冰脊龙骨宽度d2一致时停止加载；随着加载进行冰脊内部孔隙率降低，模型冰脊密度、强度升高；
18.步骤7：驱动杆开始工作再次挤压冰板，根据设计的龙骨宽度和帆高宽度的数值进行工作距离的条件，两侧驱动杆的挤压距离均应为(d2-d1)/2；
19.步骤8：多次重复步骤5至步骤7，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冰脊模型。
20.本发明的有益效果在于：
21.本发明采用模拟实际冰脊的生成过程的制备方法，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，可满足冰脊的结构形式与力学性质和实际冰脊的相似性。本发明提供的模型冰脊的制备方法采取的结构形式较为简单，易于在实验室条件下进行制备，同时采用特殊构型，可满足冰脊几何形状与实际冰脊的形式一致，填补了现有模型冰脊制备方法的空白。
附图说明
22.图1为本发明中一种模型冰脊的结构简化示意图。
23.图2为本发明中模型冰脊制备过程的简化剖面示意图。
24.图3为本发明中模型冰脊制备过程的简化俯视图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步描述。
26.冰脊剖面图如图1所示，长度根据设计要求不等。主要由龙帆，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；龙骨深度h2与脊帆高度h1相比，6h1≥h2≥2h1。
27.制备模型冰脊的装置由对称的两部分组成，整个装置位于冰水池中，由龙帆整形装置1和2，龙骨整形装置3和4，及驱动装置5和6，冰层7和驱动杆8和9构成。龙帆整形装置1和2，龙骨整形装置3和4的角度在0
°
至90
°
及长度可调，长度调节用于满足制备冰脊尺寸，角度调节制备不同模型冰脊龙骨和龙帆宽度及高度比值的要求，驱动装置5和6的挤压速度可调，可根据不同的冰厚进行调整。
28.步骤1：制备开始前，根据冰水池的宽度设计冰脊的长度尺寸，满足冰脊的长度小于水池的最大宽度；并需在对称的制备装置内部，冻结或者布置相应的模型冰或者淡水冰，并在中央位置进行预割缝，保证冰脊的中央垂向生长。
29.步骤2：根据需制备的冰脊形式和密度等材料属性需求，对称调节龙帆整形装置1和2，龙骨整形装置3和4的角度及长度，驱动装置5和6的挤压速度。龙帆整形装置1和2应为arctan(2h1/d1),龙骨整形装置3和4的角度应为arctan(2h2/d2)，角度调整可以满足需制备的模型冰脊的结构参数，龙骨宽度，帆高宽度，龙骨深度，脊帆高度等参数。
30.步骤3：两侧对称同步挤压冰板，冰板在整形装置的作用下向上或向下发生断裂并滑移挤压，两侧的加载装置距离与设计冰脊最大龙骨宽度d2一致时停止加载。
31.步骤4：驱动杆8和9开始工作挤压冰板，由于龙骨宽度d2≥d1帆高宽度，需对龙帆的形状进行调整，根据设计的龙骨宽度和帆高宽度的数值进行工作距离的条件，两侧驱动杆的挤压距离均应为(d2-d1)/2。
32.步骤5：将驱动装置退回至原位，在现有初步模型冰脊的基础上，重新在对称的制备装置内部，再次冻结或者布置相应的盐水冰或者淡水冰。
33.步骤6：再次进行对称挤压加载，模型冰脊两侧的平整冰继续发生断裂，并与生成的初步冰脊模型挤压，融合。两侧的加载装置距离与设计最大冰脊龙骨宽度d2一致时停止加载。随着加载进行冰脊内部孔隙率降低，模型冰脊密度、强度升高。
34.步骤7：驱动杆8和9开始工作再次挤压冰板，根据设计的龙骨宽度和帆高宽度的数值进行工作距离的条件，两侧驱动杆的挤压距离均应为(d2-d1)/2。
35.步骤8：多次重复步骤5-7，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冰脊模型。
36.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。