RU2614922C1

RU2614922C1 - Method for determining deformation and strength response of flat ice cover to bend in natural conditions

Info

Publication number: RU2614922C1
Application number: RU2015152704A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Смирнов; Александр Иванович Шушлебин; Сергей Михайлович Ковалёв; Алексей Александрович Нюбом
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-03-30

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method involves the use of the vessel (icebreaker), which has a short stem force action on the ice field up to its destruction or creation of a ship in open water free wave aimed at the edge of the ice field. At the same time on the ice cover are installed in a line along the ship's motion on several pickets (points) seismometer, deform meter, inclinometer and frozen into a voltage sensor, and the bow is set accelerometer to determine when breaking the ice. Such ice pickets organize from one to three or more. Distance between pickets selected depending on the thickness of the ice and the nature of the impact on the ice field. In the case of force action on the edge of the vessel, stem floes carry one of two modes: slow continuous movement through the installation of the sensors on the vessel or solitary pickets breaking the ice with stops bending movement of the vessel between the effects. In the bow of the vessel the accelerometer that records the time of breaking the ice is installed. In the case of a free wave is necessary that before the ice-field was a pure land on which the ship could get up to speed and to brake before the edge of the field, which will lead to the spread of the ice field in the flexural-gravity waves. As a result, the following parameters are determined: the time of breaking the ice at a bend, critical slopes of the ice field, the relative strains, and stresses in the surface layer of ice. In the formation of cracks in the ice in the vicinity of any picket can receive ice breaking stress plate.

EFFECT: improved accuracy of the data.

2 dwg

Description

Способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова при изгибе относится к ледоведению и ледотехнике. Такие данные могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей и для обеспечения ледового плавания.The method for determining in situ conditions the deformation and strength characteristics of an even ice cover during bending refers to ice research and ice engineering. Such data can be used in the design and construction of hydraulic structures on the shelf of the freezing seas and to ensure ice navigation.

Известен способ определения прочности при центральном изгибе образцов льда в виде круглых пластин с последующим пересчетом результатов на всю толщину льда [1, 2]. Испытания проводятся на полевой испытательной машине (ПИМ). Для этого образцы в виде круглых пластин изготавливаются из кернов льда, взятых на всю толщину при помощи ручного кольцевого бура или керноотборником типа «Kovacs Enterprise». Керн распиливается без пропусков на пластины толщиной 1,5-2,0 см, которые подвергаются испытанию на прочность при центральном изгибе.A known method for determining the strength in the central bending of ice samples in the form of round plates with subsequent recalculation of the results for the entire thickness of the ice [1, 2]. Tests are conducted on a field testing machine (PIM). For this, samples in the form of round plates are made of ice cores taken to the entire thickness using a hand ring drill or a core sampler of the Kovacs Enterprise type. The core is sawn without gaps on plates with a thickness of 1.5-2.0 cm, which are tested for strength under central bending.

Недостатком указанного аналога является косвенный способ определения прочности ледяного поля при изгибе на основании испытаний небольших образцов льда, изъятых из ледяного покрова, с последующим пересчетом результатов испытаний на всю толщину льда без учета масштабного эффекта. Такие испытания приводят к завышению значений прочности ровного льда и экономическим потерям.The disadvantage of this analogue is an indirect method for determining the strength of the ice field during bending based on tests of small samples of ice taken from the ice cover, followed by recalculation of the test results for the entire thickness of the ice without taking into account the scale effect. Such tests lead to an overestimation of the strength values of flat ice and economic losses.

Известен также способ определения прочности при изгибе ледяных консолей на плаву, взятый за прототип [3], в котором консольная балка изготавливается в ровном ледяном поле на всю толщину бензопилой. Для этого лед пропиливается с трех сторон. Длина, ширина и толщина консоли имеет согласованные размеры. При испытаниях сила прикладывается к свободному концу консоли. Напряжение σ_к во льду у основания консоли определяется по формуле [4]:There is also a method of determining the bending strength of ice consoles afloat, taken as a prototype [3], in which the cantilever beam is made in a flat ice field for the entire thickness of the chainsaw. To do this, ice is sawn from three sides. The length, width and thickness of the console have agreed dimensions. During testing, force is applied to the free end of the console. The stress σ _k in ice at the base of the console is determined by the formula [4]:

где F- разрушающая нагрузка; l, b, h_л - длина, ширина и толщина консоли соответственно.where F is the breaking load; l, b, h _l - the length, width and thickness of the console, respectively.

Формула для расчета σ_к справедлива для изотропного однородного материала. Физико-механические свойства льда изменяются по толщине вследствие изменения температуры и солености. Поэтому применение такого подхода может привести к существенным ошибкам. Другим недостатком являются ограниченные размеры консоли по отношению к ледяному полю, что требует проведения статистически значимого количества испытаний для получения осредненного значения прочности при изгибе, а изготовление консоли - трудоемкий и длительный процесс.The formula for calculating σ _{k is} valid for an isotropic homogeneous material. Physico-mechanical properties of ice vary in thickness due to changes in temperature and salinity. Therefore, the application of this approach can lead to significant errors. Another disadvantage is the limited size of the cantilever in relation to the ice field, which requires a statistically significant number of tests to obtain an average value of bending strength, and the manufacture of the cantilever is a laborious and lengthy process.

Техническим результатом изобретения является определение деформационных и прочностных характеристик ледяного покрова при изгибе в натуре. Указанный технический результат достигается при оказании кратковременного силового воздействия форштевнем судна ледокольного типа, на ледяное поле вплоть до его разрушения или при создании судном за счет его движения и торможения на чистой воде свободной волны, направленной на кромку ледяного поля. При этом на ледяной покров устанавливаются в линию по ходу движения судна на нескольких пикетах сейсмометр (например, широкополосный трехкомпонентный сейсмометр СМЕ-4111), кольцевой деформометр (например, [5]), наклономер (например, [6]) и вмораживается датчик напряжения (например [7]). Таких пикетов организуют от одного до трех и больше. Расстояние между пикетами выбирается в зависимости от толщины льда и характера воздействия на ледяное поле. В случае силового воздействия судна форштевнем на край льдины осуществляют один из двух режимов: медленное непрерывное движение судна по линии установки датчиков на пикетах или одиночные разрушения льда изгибом с остановками движения судна между воздействиями. При этом в носовой части судна устанавливается акселерометр (например, ОСП [8]), который фиксирует момент разрушения льда. В случае создания свободной волны необходимо, чтобы перед ледяным полем был участок чистой воды, на котором судно могло бы набрать скорость и затормозить перед кромкой поля, что приведет к распространению в ледяном поле изгибно-гравитационной волны.The technical result of the invention is the determination of the deformation and strength characteristics of the ice cover during bending in kind. The specified technical result is achieved by providing a short-term force impact by the ice rod of the icebreaking type vessel on the ice field until it is destroyed or when the vessel creates a free wave directed at the edge of the ice field due to its movement and braking in pure water. At the same time, a seismometer (for example, a CME-4111 broadband three-component seismometer), an annular strain gauge (for example [5]), an inclinometer (for example, [6]) are installed on the ice sheet along several directions of the vessel and the voltage sensor ( for example [7]). Such pickets are organized from one to three or more. The distance between the pickets is selected depending on the thickness of the ice and the nature of the impact on the ice field. In the case of forceful action of the vessel, one of two modes is carried out by the stem on the ice edge: slow continuous movement of the vessel along the line of installation of sensors at pickets or single destruction of ice by bending with stops of movement of the vessel between impacts. At the same time, an accelerometer is installed in the bow of the vessel (for example, OSP [8]), which records the moment of ice destruction. In the case of creating a free wave, it is necessary that there is a section of clean water in front of the ice field, on which the vessel could pick up speed and brake in front of the field edge, which will lead to the propagation of a bending-gravitational wave in the ice field.

Запись сигналов с датчиков на регистратор проводится в цифровом виде. В результате определяются следующие параметры: момент разрушения льда при изгибе, критические наклоны ледяного поля, относительные деформации и напряжения в поверхностном слое льда. При образовании трещины во льду в непосредственной близости от любого пикета можно получить напряжения разрушения ледяной пластины.The recording of signals from sensors to the recorder is carried out in digital form. As a result, the following parameters are determined: the moment of ice destruction during bending, the critical slopes of the ice field, the relative deformations and stresses in the surface layer of ice. When a crack is formed in ice in the immediate vicinity of any picket, fracture stresses of the ice plate can be obtained.

На фиг. 1(a) приведена схема создания форштевнем судна кратковременной нагрузки на ледяное поле. При этом возникает изгибная деформация и разлом, которые фиксируются датчиками деформации, установленными на льду в 20 и 40 метрах от места воздействия (датчики на фиг. 1 не указаны). Внизу приведена запись сигналов, полученная с деформометров (фиг. 1б). На фиг. 2(а) приведена схема испытания при создании судном на чистой воде цуга свободной волны, направленной на кромку ледяного поля. На фиг. 2(б) приведена запись, полученная от деформометров, установленных в 20, 40, 60 и 80 м от края ледяного поля (датчики на фиг. 2 не указаны).In FIG. 1 (a) is a diagram of the creation of a short-term load on an ice field by a ship's stem. In this case, bending deformation and fracture occur, which are recorded by deformation sensors mounted on ice at 20 and 40 meters from the impact site (the sensors in Fig. 1 are not indicated). Below is a record of signals obtained from deformometers (Fig. 1b). In FIG. Figure 2 (a) shows the test design for a vessel creating a free wave train in clean water directed to the edge of an ice field. In FIG. Figure 2 (b) shows the record obtained from deformometers installed at 20, 40, 60 and 80 m from the edge of the ice field (the sensors in Fig. 2 are not indicated).

Предлагаемый способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ледяного покрова при изгибе реализуется следующим образом. Выбирается ледяное поле. На нем устанавливаются на каждом пикете сейсмометр, деформометр, наклономер и вмораживается датчик напряжения. Пикеты располагаются в линию по ходу движения судна. Таких пикетов организуют от одного до трех и больше в зависимости от условий проведения испытаний. В случае силового воздействия судна форштевнем на край льдины осуществляют один из двух режимов: медленное непрерывное движение судна по линии пикетов или одиночные разрушения льда изгибом с остановками движения судна между воздействиями. При этом в носовой части судна устанавливается акселерометр для определения момента разрушения льда. Расстояние от первого пикета до края льдины можно варьировать в зависимости от конкретных условий испытаний. Движение судна прекращается при критическом приближении ледокола к первому пикету. В случае создания свободной волны необходимо, чтобы перед ледяным полем был участок чистой воды, на котором судно могло бы набрать скорость и затормозить перед кромкой поля, что приведет к распространению подо льдом изгибно-гравитационной волны. Способ был опробован в Карском море и море Лаптевых.The proposed method for determining in situ conditions the deformation and strength characteristics of the ice cover during bending is implemented as follows. An ice field is selected. A seismometer, a deformometer, an inclinometer and a voltage sensor are frozen on each picket on it. Pickets are placed in a line in the direction of the vessel. Such pickets are organized from one to three or more, depending on the conditions of the test. In the case of forceful action of the vessel, one of two modes is carried out by the foreshafts on the ice edge: slow continuous movement of the vessel along the picket line or single destruction of ice by bending with stops of movement of the vessel between impacts. At the same time, an accelerometer is installed in the bow of the vessel to determine the moment of ice destruction. The distance from the first picket to the edge of the ice can vary depending on the specific test conditions. The movement of the vessel ceases when the icebreaker is critically close to the first picket. In the case of creating a free wave, it is necessary that there is a section of clean water in front of the ice field, on which the vessel could pick up speed and brake before the edge of the field, which will lead to the propagation of a bending-gravitational wave under the ice. The method was tested in the Kara Sea and the Laptev Sea.

Использованные источникиUsed sources

1. Руководство по изучению физико-механических свойств льда. / Под редакцией Т.Н. Яковлева. Л.: ротапринт ДАНИИ, 1971. - 45 с.1. A guide to the study of the physicomechanical properties of ice. / Edited by T.N. Yakovleva. L .: rotaprint of DENMARK, 1971. - 45 p.

2. Никитин В.А., Ковалев С.М. Прочность морского ледяного покрова. / Метеорология и гидрология - №12, 2002, с. 62-69.2. Nikitin V.A., Kovalev S.M. The strength of the sea ice cover. / Meteorology and hydrology - No. 12, 2002, p. 62-69.

3. СП 11-114-2004. «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений». / Госстрой России. - М.: 2004, 88 с.3. SP 11-114-2004. "Engineering surveys on the continental shelf for the construction of offshore oil and gas facilities." / Gosstroy of Russia. - M .: 2004, 88 p.

4. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. / Л.: Морской транспорт, 1968, 343 с.4. Peschansky I.S. Ice studies and ice engineering. / L .: Sea transport, 1968, 343 p.

5. Патент на ПМ №82838, 2009.5. Patent for PM No. 82838, 2009.

6. Линьков Е.М., Смирнов В.Н. Наблюдения за колебаниями морского ледяного покрова с помощью наклономеров. / Труды ААНИИ. 1971. Т. 300. С. 213-219.6. Linkov E.M., Smirnov V.N. Observations of fluctuations in sea ice cover using tilt meters. / Proceedings of AANII. 1971.Vol. 300.S. 213-219.

7. Авт. свид. №561887. 1977.7. Auth. testimonial. No. 561887. 1977.

8. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР. / Под ред. З.И. Арановича, Д.П. Кирноса, В.М. Фремда. М: Наука, 1974, 244 с.8. The equipment and methods of seismometric observations in the USSR. / Ed. Z.I. Aranovich, D.P. Kernos, V.M. Fremda. M: Science, 1974, 244 p.

Claims

A method for determining in situ conditions the deformation and strength characteristics of an even ice cover during bending, which consists in exposing the ice to its entire thickness up to destruction and determining such an effect, characterized in that the bending effect on the whole ice field is stable up to destruction during a slow continuous the movement of the vessel or during single destruction of ice by bending with stops of the movement of the vessel between influences, while the moment of destruction of ice is fixed by an accelerometer, set updated in the bow of the vessel, or when the vessel creates a free wave in pure water directed to the edge of the ice field, and the impact is determined simultaneously on one picket with a seismometer, tiltmeter, strain gauge and voltage sensor installed on the ice sheet or on several pickets along the application line exposure.