CN110220782B - 一种模型冰力学性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冰力学试验技术领域，具体涉及一种模型冰力学性能测试装置。首先使用模具将模型冰加工成矩形或长方形悬臂梁试件，通过控制液压活塞做垂向或水平方向的运动实现对模型冰的加载，再通过传感器及数据采集器组成的测试模块测量压头的荷载和位移变化，最后经过弯曲、压缩强度公式核算后检验模型冰的力学性能。本发明拟补了国内模型冰材料测量技术的不足，可实现模型冰的高精度测量，保证了材料性能，从而保证了模型试验的准确性。

Description

一种模型冰力学性能测试装置
技术领域
本发明属于冰力学试验技术领域，具体涉及一种模型冰力学性能测试装置。
背景技术
南、北两极分别位于地球的最南端和最北端，是地球还未被开发出来的“聚宝盆”，那里具有十分丰富的自然资源及能源，然而由于两极所处的地理位置十分特殊，位于地球最远的两个位置，常年冰封，环境异常的寒冷，船只难以通行，人们也很难生存，所以南北两极的开发进展一直很慢。近年来由于全球变暖，极地及周边地区冰川大面积消融，海平面不断上升，极地航道得以开发。近年来，由于航道的开发和北极资源的吸引，各方开始研究冰区的相关知识，研究海冰的形态及运动特征、海况环境，用理论和试验的方法分析冰载荷的结构及在风浪流耦合状态下的运动性能、破冰能力、破冰船舶应具备的结构性能、在极地及周边地区航行的船舶的运动性能等等多方面的内容，以此来设计破冰船舶，开发更多的资源与能源。
为了测量结构物与冰之间的相互作用，国内外一般使用模型试验的方法。由于模型冰不同种类之间的晶粒尺寸，弹性应变模量，压缩和拉伸强度有一定差异，此外模型冰的受时间和温度影响较大，所以需要统一的测试设备和测试流程以实现模型冰测量的规范化。公开号为CN108871978A的专利公开了一种测量冰压缩破坏强度的实验装置，该装置通过铁球下落来对冰施加应力进而计算出施加的压缩破坏强度，但该装置只能单一测量冰压缩破坏强度。
发明内容
本发明的目的在于拟补国内模型冰材料测量技术的不足，提供可以测量弯曲强度和压缩强度的一种模型冰力学性能测试装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括测试模块和支撑模块；所述的测试模块包括液压缸、荷载传感器和压板；所述的液压缸内设有活塞，活塞的末端伸出液压缸与荷载传感器的上端连接；所述的荷载传感器下端与压板上端连接；所述的压板下端安装有压头；所述的支撑模块包括测试支撑杆和横向支撑杆；所述的横向支撑杆上安装有位移传感器和转柄，转柄的末端穿过穿过横向支撑杆与测试支撑杆连接；所述的液压缸安装在测试支撑杆上。
本发明还可以包括：
所述的支撑模块还包括纵向支撑杆；所述的纵向支撑杆与横向支撑杆垂直连接。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种可以检测模型冰材料力学性能的试验装置，首先使用模具将模型冰加工成矩形或长方形悬臂梁试件，通过控制活塞做垂向或水平方向的运动实现对模型冰的加载，再通过传感器及数据采集器组成的测量单元测量压头的荷载和位移变化，最后经过弯曲、压缩强度公式核算后检验模型冰的力学性能。本发明拟补了国内模型冰材料测量技术的不足，可实现模型冰的高精度测量，保证了材料性能，从而保证了模型试验的准确性。
附图说明
图1是本发明的测试模块处于竖直状态时整体结构示意图。
图2是本发明的测试模块处于竖直状态时整体结构的正视图。
图3是本发明的测试模块处于竖直状态时整体结构的侧视图。
图4是本发明的测试模块处于竖直状态时整体结构的俯视图。
图5是本发明的测试模块处于水平状态时整体结构的侧视图。
图6是两种用于测试的模型冰示意图。
图7是本发明测试模型冰弯曲强度示意图。
图8是本发明测试模型冰压缩强度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种模型冰力学性能测试装置，包括测试模块和支撑模块；所述的测试模块包括液压缸2、荷载传感器3和压板4；所述的液压缸内设有活塞，活塞的末端伸出液压缸与荷载传感器3的上端连接；所述的荷载传感器3下端与压板4上端连接；所述的压板4下端安装有压头5；所述的支撑模块包括测试支撑杆10、横向支撑杆9和纵向支撑杆8；所述的横向支撑杆9上安装有位移传感器1和转柄11，转柄11的末端穿过穿过横向支撑杆9与测试支撑杆10连接；所述的液压缸2安装在测试支撑杆10上；所述的纵向支撑杆8与横向支撑杆9通过螺栓12垂直连接。
本发明提供了一种可以检测模型冰材料力学性能的试验装置。首先使用模具将模型冰加工成矩形或长方形悬臂梁试件，通过控制活塞做垂向或水平方向的运动实现对模型冰的加载，再通过传感器及数据采集器组成的测量单元测量压头的荷载和位移变化，最后经过弯曲、压缩强度公式核算后检验模型冰的力学性能。所以本发明是为满足研究极地海冰模拟、冰-船和冰-桨之间相互作用时检测模型冰性能是否达标的需求而发明的。
位移传感器1用于测量压头的位移，刚性固定在横向支撑杆9上，采用量程较小，精度较高的拉线传感器，但不限于拉线式，激光式位移等位移传感器均可实现位移测量的功能。液压缸2通过注入压力液体实现压头5的位移，液压缸2侧面用内六角螺丝刚性固定在测试支撑杆10上。荷载传感器3用于测量压头与模型冰之间的荷载。压板4用于测量模型冰的压缩强度。压头5用于弯曲强度的测量，焊接在压板4下，下端为待测模型冰试样6。
模型冰试样6是被检测模型冰，有两种尺寸，第一种尺寸为长乘宽6.5h*2.25h其中h为模型冰厚度，用于模型冰弯曲强度的测试；另一种尺寸为正方形边长h，用于模型冰压缩强度的测试。模型冰试样6的制作方式是利用模具在平整模型冰7上加工成所需的试样。平整模型冰7用于模拟天然海冰，为海冰和结构物之间的相互作用提供材料基础。
测试支撑杆10用于液压缸2、转柄11等构件的固定。转柄11用于旋转测试支撑杆10，实现加载方向由垂直改变为水平，附图1所示位置为弯曲强度测试状态，压缩强度状态如测试端旋转90°侧视图所示。纵向支撑杆8、横向支撑杆9和测试支撑杆10整体结构采用铝型材，保证了整体的结构强度和轻量化。实现弯曲和压缩两种状态的测试具体操作方式见附图7和附图8。
本发明的目的是为了提供模型冰力学性能测试装置，材料的力学性能主要是对弯曲强度和压缩强度进行测定，以下为两个强度测量时的具体实现方式。
测试模型冰的弯曲强度：
使用悬臂梁法测量冰盖的弯曲强度。通过液压缸2输出的压力使压头5向下运动，实现悬臂梁模型冰的弯曲直至破坏。位移传感器1用于检测压头的垂向运动，荷载传感器3用于检测模型冰的荷载。
长度L，和宽度B的浮动悬臂梁在现场被切割好。梁的前端以一定速度加载直至到梁破坏。加载的方向可以是向上或者是向下，并与预模型实验中预计的弯曲方向一致。
采用ITTC推荐的悬臂梁的试件尺寸为：L＝(5～7)*h，B＝(2～3)*h，其中h是冰的厚度。每次以相同的方式切割梁，建议使用标准模式/夹具来进行冰厚度值的选择。加载速度约为1mm/s。
弯曲强度σf可以用下式来计算
Figure BDA0002094579560000031
其中F为加载力(测量的)，L为到加载点的距离，b为；梁的宽度，h为冰的厚度，最后需要记录的量有梁的主尺度L、b、h、破坏载荷F、载荷-挠度随时间的变化曲线。
测试模型冰的压缩强度：
冰的压缩强度可以用三种不同的方法进行：切断冰块，将之从水中提起，并进行单轴压缩试验，或在水中进行单轴向试验，或使用压头水平按压冰盖。本设计使用第三种测试方法，首先转动转柄11将与之相连的测试支撑杆转动90°，加载方式与弯曲强度测试的方法一致，不再赘述。试验在一定速度下进行，例如30，10，3，1mm/s。
抗压强度σc可以用下式计算
Figure BDA0002094579560000041
其中，F为测量力，m为形状因素(圆形为0.9)，k为接触因子(0.4～0.7)，h冰厚度，b压头直径，ci常数，需要记录的量有压头尺寸、测量的冰厚度、试验的位置、测量的时间、速度、测量负载、计算的抗压强度。
本发明还包括这样一些结构特征：液压缸2、荷载传感器3、压板4、压头5须按顺序连接，顺序颠倒会造成无法测量或准确性难以保证。位移传感器1放置在结构的最后，通过连接压板4实现位移的测量。纵向支撑杆8的作用是将装置放到冰面上方便于测试，整体结构以纵向支撑杆8进行升降，和试验设备的按装，实现刚性固定的需求，同时结构轻便易于升降。横向支撑杆9用于放置位移传感器1并连接纵向支撑杆8和测试支撑杆10，纵向支撑杆8和横向支撑杆9之间通过螺栓12连接。横向支撑杆9通过转柄11连接测试支撑杆10，测试支撑杆10作为主要测试端。
本发明拟补了国内模型冰材料测量技术的不足，可实现模型冰的高精度测量，保证了材料性能，从而保证了模型试验的准确性。
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 (1)

1.一种模型冰力学性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备模型冰力学性能测试装置；
所述的模型冰力学性能测试装置包括测试模块和支撑模块；所述的测试模块包括液压缸(2)、荷载传感器(3)和压板(4)；所述的液压缸(2)内设有活塞，活塞的末端伸出液压缸(2)与荷载传感器(3)的上端连接；所述的荷载传感器(3)下端与压板(4)上端连接；所述的压板(4)下端安装有压头(5)；所述的支撑模块包括测试支撑杆(10)和横向支撑杆(9)；所述的横向支撑杆(9)上安装有位移传感器(1)和转柄(11)，转柄(11)的末端穿过横向支撑杆(9)并与测试支撑杆(10)连接；所述的液压缸(2)安装在测试支撑杆(10)上；
步骤2：将平整模型冰(7)加工成所需的模型冰试样(6)；
所述的模型冰试样(6)包括悬臂梁试样和正方形试样；所述的悬臂梁试样的长L为(5～7)*h，宽B为(2～3)*h，用于模型冰弯曲强度的测试；所述的正方形试样的边长为h，用于模型冰压缩强度的测试；其中h为平整模型冰(7)的厚度；
步骤3：测试模型冰的弯曲强度；
通过转柄(11)旋转测试支撑杆(10)使压头(5)与悬臂梁试样端部垂直；通过液压缸(2)输出的压力使压头(5)向下运动，实现悬臂梁试样的弯曲直至破坏；通过位移传感器(1)检测压头(5)的垂向运动距离L，通过荷载传感器(3)测量加载力F；
模型冰的弯曲强度σf的测试结果为：
Figure FDA0003292422840000011
步骤4：测试模型冰的压缩强度；
通过转柄(11)旋转测试支撑杆(10)使压头(5)与正方形试样平行，通过液压缸(2)输出的压力使压头(5)水平运动，通过压头(5)水平按压正方形试样；通过荷载传感器(3)测量加载力F；
模型冰的压缩强度σc的测试结果为：
Figure FDA0003292422840000012
其中，m为形状因素，圆形为0.9；k为接触因子，k∈(0.4,0.7)；b为压头(5)的直径，ci为常数。
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