CN108871978A - 一种测量冰压缩破坏强度的实验装置 - Google Patents

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徐述
刘仁伟
齐柏澄
韩端锋
狄少丞
王庆
倪宝玉
鞠磊
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Abstract

本发明属于冰力学特性实验研究领域，具体涉及一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。由箱体和铁球控制支架两部分组成，冰放在实验池中构成箱体，铁球、电磁铁、实验伸缩杆前段、实验伸缩杆后段、横支架、纵支架依次连接构成铁球控制支架。实验池具有制作冰水混合物并储存冰的功能，而且还可控制冰面温度的变化。电磁铁的通电产生磁力来控制铁球，可以使铁球的初始状态良好，收放简易，使实验操作起来方便。实验伸缩杆前段和实验伸缩杆后段可以左右移动和前后伸缩，横支架通过卡槽固定于纵支架上，可以上下移动来控制垂向高度，固定铁球的装置自带伸缩杆刻度尺，配合横支架刻度尺和纵支架刻度尺使用使实验操作起来方便并且精准。

Description

一种测量冰压缩破坏强度的实验装置
技术领域
本发明属于冰力学特性实验研究领域，具体涉及一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。
背景技术
海冰的力学特性研究将涉及到船舶、平台和海洋生产设备的开发领域。并且冰荷载对长期工作在海冰较多环境中的海上结构物来说，是主要的荷载。其危害性大大超过风浪流荷载。
由于破冰船的破冰方式主要是重力式弯曲破冰，所以冰力学特性研究主要是围绕关于海冰弯曲强度的研究。以申请号为201510640314.2的中国实用新型专利“一种测量海冰弯曲强度的方法”为例，其需要利用海冰切割机到现场采集冰块，并且采集所得冰块不能立即使用，需要将其放在存储试样的低温冷冻柜中存储24小时之后取出，然后再使用探针式温度计记录试样各表面温度之后方能使用，且其主要是用于验证海冰各项参数对海冰弯曲强度的影响程度的实验方法，未实现测量冰压缩破坏强度的功能。
综上所述，现有技术中存在实验步骤繁琐，对海冰的处理要用到很多的设备，实用性不强等问题。
发明内容
本发明的目的是利用球体撞击冰，分析其破环程度进而设计出一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。其原理简单，有相关经验公式。实验装置系统化，操作方便。另外，利用电磁铁进行收放球体，控制了球体的初始状态，使实验更加精准。
一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，由箱体和铁球控制支架两部分组成，其特征在于：冰12放在实验池1中构成箱体，铁球11、电磁铁10、实验伸缩杆前段7、实验伸缩杆后段6、横支架3、纵支架5依次连接构成铁球控制支架。
所述的试验池1为顶端无盖的长方体试验池，所述的纵支架5固定在试验池四周的任意一侧。
所述的横支架3通过卡槽固定于纵支架5上，且在横支架3中固定实验伸缩杆后段6。
所述的实验伸缩杆前段7通过卡槽固定在实验伸缩杆后段6内。
所述的纵支架5上有纵支架刻度尺2。
所述的横支架3上有横支架刻度尺4。
所述的电磁铁10贯穿放置在实验伸缩杆前段7，且铁球11吸附在电磁铁10上。
所述的实验伸缩杆前段7上有伸缩杆刻度尺9，且实验伸缩杆前段7上固定有电磁铁开关8。
本发明的有益效果在于：
实验池1具有制作冰水混合物并储存冰的功能，并且其可控制冰面温度的变化，避免了使用多种设备，简化了实验操作。
电磁铁10的通电产生磁力来控制铁球11，可以使铁球11的初始状态良好，收放简易，使实验操作起来方便。
实验伸缩杆前段7和实验伸缩杆后段6可以左右移动和前后伸缩，横支架3通过卡槽固定于纵支架5上，可以上下移动来控制垂向高度，通过移动这些装置可以进行多组实验测得多组数据，使实验操作起来方便。
固定铁球11的装置自带伸缩杆刻度尺9，配合横支架刻度尺4和纵支架刻度尺2使用使实验操作起来方便并且精准。
附图说明
图1是一种测量冰压缩破坏强度的实验装置示意图(a)
图2是一种测量冰压缩破坏强度的实验装置示意图(b)
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1中：1.实验池，2.纵支架刻度尺，3.横支架，4.横支架刻度尺，5.纵支架，6.实验伸缩杆后段，7.实验伸缩段前段，8.电磁铁开关，9.伸缩杆刻度尺，10.电磁铁，11.铁球，12.冰。
图2中：1.实验池，2.纵支架刻度尺，3.横支架，4.横支架刻度尺，5.纵支架，6.实验伸缩杆后段，7.实验伸缩段前段，8.电磁铁开关，9.伸缩杆刻度尺，10.电磁铁，11.铁球，12.冰。
本发明涉及冰力学特性实验研究领域，尤其是一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。
海冰的力学特性研究将涉及到船舶、平台和海洋生产设备的开发领域。并且冰荷载对长期工作在海冰较多环境中的海上结构物来说，是主要的荷载。其危害性大大超过风浪流荷载。
由于破冰船的破冰方式主要是重力式弯曲破冰，所以冰力学特性研究主要是围绕关于海冰弯曲强度的研究。以申请号为201510640314.2的一种测量海冰弯曲强度的方法为例，其主要是用于验证海冰各项参数对海冰弯曲强度的影响程度的实验方法。而尚未见到一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。
本发明利用球体撞击冰，分析其破环程度进而设计出一种测量冰压缩破坏强度的实验装置。其原理简单，有相关经验公式。实验装置系统化，操作方便。另外，利用电磁铁进行收放球体，控制了球体的初始状态，使实验更加精准。
本发明的实现技术方案是：
本发明是一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，主要应用于工程领域的冰力学特性实验研究领域，包括凝结并存放冰的实验池，纵支架，横支架，实验伸缩杆，电磁铁，电磁铁开关，铁球，刻度尺。实验箱水平放置在地板上，冰存放在实验箱内，纵支架固定于实验箱一侧。横支架通过卡槽固定于纵支架上，并且横支架中固定实验伸缩杆。其中，实验箱可以控制冰温度，并且制作水冰混合物；横支架可以上下移动来控制垂向高度；伸缩杆可以左右移动和前后伸缩，进而控制水平位置。在纵支架、横支架上都有着刻度尺，可以测量垂向高度和水平位置。电磁铁贯穿放置在实验伸缩杆前端，铁球通过电磁铁通电产生磁力固定于伸缩杆前端。在不实验时，应关闭电磁铁开关，取下铁球。实验时，先控制好冰面温度，垂直高度和水平位置，断开电磁铁开关，使铁球铅垂下落，作用于冰上，最后取出铁球并测量冰的破坏直径。
本发明的突出优点在于：
本发明结构简单，利用重力测量压缩破环强度，不需要动力装置，并且其相关公式易得。利用电磁铁的通电产生磁力的方式来控制铁球，可以使铁球的初始状态良好，收放简易。实验中固定铁球的装置自带刻度，使实验操作起来方便并且精准。
本发明的具体实施方式是：
图1中实验池子1固定放置在支架上，冰12存放于实验池1中。纵支架5、横支架3、实验伸缩杆后段6、实验伸缩杆前段7组成实验的主要构架并且通过纵支架5分别固定于实验池1一侧两角。其中横支架3置于纵支架5，可垂直移动。实验伸缩杆后段6置于横支架3中，可水平前后方向移动。实验伸缩杆前段7与实验伸缩杆后端6共同组成实验伸缩杆，其可以改变伸缩杆长度控制水平左右方向。在纵支架5上有纵支架刻度尺2，在横支架3上有横支架刻度尺4，在实验伸缩杆后段6有伸缩杆刻度尺9。
电磁铁10与电磁铁开关8贯彻置于实验伸缩杆前段7前方接近于铁球连接处。铁球11通过电磁铁10通电后固连于实验伸缩杆前段7处。
实验箱1控制冰12温度，实验时，通过断开电磁铁开关8，使电磁铁10失去磁性，铁球11自然落下，对冰12造成破坏并留下破坏直径D。其中通过纵支架刻度尺2得出垂直高度H，通过横支架刻度尺4得出水平前后距离Y，通过伸缩杆刻度尺9得出水平左右距离X。其中铁球11的质量为M，半径为R。
由如下公式计算出压缩破坏强度：
其中，M为铁球11的质量，单位为kg。v为速度，单位为m/s。
其中g为当地重力加速度，单位为m/s2。H为纵支架刻度尺2得出的垂直高度H。
其中f由如下公式得出
其中R为铁球11的半径，D为冰12的破环直径。
通过公式计算压缩破环强度，通过设置不同的水平位置X、Y来重复实验，取多次实验的平均压缩破环强度，最后得出冰的压缩破环强度。
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。

Claims (8)

1.一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，由箱体和铁球控制支架两部分组成，其特征在于：冰(12)放在实验池(1)中构成箱体，铁球(11)、电磁铁(10)、实验伸缩杆前段(7)、实验伸缩杆后段(6)、横支架(3)、纵支架(5)依次连接构成铁球控制支架。
2.根据权利要求1所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的试验池(1)为顶端无盖的长方体试验池，所述的纵支架(5)固定在试验池四周的任意一侧。
3.根据权利要求1所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的横支架(3)通过卡槽固定于纵支架(5)上，且在横支架(3)中固定实验伸缩杆后段(6)。
4.根据权利要求1所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的实验伸缩杆前段(7)通过卡槽固定在实验伸缩杆后段(6)内。
5.根据权利要求1或3所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的纵支架(5)上有纵支架刻度尺(2)。
6.根据权利要求1或3所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的横支架(3)上有横支架刻度尺(4)。
7.根据权利要求1所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的电磁铁(10)贯穿放置在实验伸缩杆前段(7)，且铁球(11)吸附在电磁铁(10)上。
8.根据权利要求1所述的一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，其特征在于：所述的实验伸缩杆前段(7)上有伸缩杆刻度尺(9)，且实验伸缩杆前段(7)上固定有电磁铁开关(8)。
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