[发明专利]一种基于挤压加载方式的模型冰脊制备装置及方法

说明书

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。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。

技术领域

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

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。

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)。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。