基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置及方法

1.本发明属于冰力学性质试验技术领域，特别涉及一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置及方法。


背景技术：

2.冰是一种性质复杂的特殊晶体材料，其力学性能与晶体结构、含盐度、抗弯压强度等因素有关。海冰的物理力学性质对冰区海洋结构物开发、海冰动力学过程均有重要影响，对于位于冰区的海洋平台、超大型浮体、破冰船等海洋结构的设计、建造和工作过程中，冰荷载是必须要考虑到的重要环境荷载，其危害程度远高于风浪流荷载，而冰载荷的大小主要由其弯曲强度决定，海冰断裂方式主要以弯曲模型破坏为主，此外，海冰在波浪作用下的动力破碎、重叠和堆积特性，以及冰面承载力均与海冰的弯曲强度密切相关。因此，对海冰物理力学性质(弯曲强度)进行测试是冰区航道、油气资源开发中的重要研究内容。
3.近半个世纪以来，国内外许多学者进行了大量有关海冰弯曲强度的试验，提出两种测试方法：(1)悬臂梁试验，悬臂梁试验常在冰区实际场景下进行大尺度原位测试，制作真实的悬臂梁模型冰，测得在实际温度梯度和冰厚下的海冰弯曲强度；(2)简支梁试验，简支梁试验包括三点弯曲固定法和四点弯曲固定法，其需要的试样尺寸相对较小，操作简单，是室内试验的主要手段。专利cn 110220782 a公开一种采用悬臂梁变形设计模型冰力学性能测试装置，专利cn 110470548 a公开了采用简支梁设计的模型冰弯曲强度测量装置及其使用方法，不论是利用悬臂梁还是简支梁，其理论基础均为梁的弯曲变形解析解，在解析公式中假定梁的宽度为无穷，即冰板做筒形弯曲。然而，实际海冰弯曲强度测量过程中，均取有限宽度海冰进行测试。由于忽略了宽度方向两个边界的影响，测量得出的弯曲强度与实际情况有一定差别。
4.基于上述背景，迫切需要一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置及分析方法，对冰进行弯曲强度测量以及计算出精确的冰力学参数，为开展南北极以及渤海等寒区冰力学特性研究提供一种新的测量方法。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中冰弯曲强度测量装置存在的不足，提供一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置及方法，相比于传统的悬臂梁试验和简支梁试验测试方法，对冰力学参数计算具备更高的数值精度。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
7.一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置，其特征在于，包括运动机构、压头组件、冰样固定机构、非接触式三维应变测量装置和安装平台；所述运动机构设有纵向驱动装置、横向驱动装置和安装于横向驱动装置上的移动支架，运动机构通过驱动压头组件对压头挤压到冰面的接触点位置进行水平调整，所述压头组件可对冰样断裂前承受的压力值和位移值进行测量；所述冰样固定机构设于所述安装平台的支撑架底部，包括底
座和固定槽，所述固定槽可上下往复移动地安装在所述底座上；所述支撑架一侧设有控制箱，其内集成有电气原件及相关程序，以控制运动机构、压头组件等设备的运转。
8.优选的，所述压头组件包括基座、竖直向下安装在所述基座上的液压推动杆、安装在所述基座上的拉线式位移传感器以及设于液压推动杆末端的压头，所述基座通过螺栓可拆卸安装在所述移动支架上，所述液压推动杆和压头之间设有压力传感器一，所述拉线式位移传感器的拉线端部连接在压头上，所述拉线式位移传感与压力传感器一分别用于测量圆盘冰样断裂前承受的最大压力值和最大位移值。
9.优选的，所述压头包括手柄一、角接触轴承一、破冰压头、主动齿轮以及从动齿轮，通过转动手柄使主动齿轮带动从动齿轮旋转以选用点接触式、线接触式、或者面接触破冰压头。
10.优选的，所述安装平台还包括位于所述冰样固定机构上方的边界固定装置，所述边界固定装置包括与支撑架连接的液压升降柱、位于所述液压升降柱下方的压环以及设于所述液压升降柱和压环之间的压力传感器二，并设置所述压力传感器二达到设定数值时，视为冰样夹固稳定。
11.优选的，所述纵向驱动装置包括纵移安装架、两根纵移蜗杆、若干个纵移蜗杆滑块以及纵向驱动电机，所述纵移蜗杆和纵向驱动电机设置于纵移安装架上，所述纵向驱动电机驱动纵移蜗杆转动，从而带动套在所述纵移蜗杆上的纵移蜗杆滑块沿纵向往复移动；所述横向驱动装置包括横移安装架、两根横移蜗杆、若干个横移蜗杆滑块以及横向驱动电机，所述横移蜗杆和横向驱动电机设置于横移安装架上，所述横向驱动电机驱动横移蜗杆转动，从而带动套在横移蜗杆上的横移蜗杆滑块沿横向往复移动；所述横向驱动装置安装于所述纵移蜗杆滑块上，所述横移蜗杆滑块上安装有移动支架。
12.优选的，所述冰样固定机构的底座上沿周向分布有两个丝杆和两个导向丝杆，两者都设有角接触轴承二和丝杆滑块，所述固定槽沿周向分布四个连接耳板，所述连接耳板分别与四个丝杆滑块可拆卸连接，所述丝杆上端安装有手柄二，手动旋转可上下往复移动所述固定槽；所述冰样固定机构可根据需求固定不同尺寸的圆盘冰样。
13.优选的，所述基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置还包括非接触式三维应变测量装置，其与所述拉线式位移传感器、压力传感器一组成荷载与位移变化测试系统，所述非接触式三维应变测量装置的测量头包括可移动支撑架和设于所述可移动支撑架上的高速工业相机与可调节激光源，所述非接触式三维应变测量装置还包括其它相机同步控制触发控制箱、动态采集分析软件、载荷加压控制通讯接口、计算机系统等装置，通过在变形过程中追踪物体表面的图像，实现物体三维坐标、位移及应变的测量。
14.优选的，所述安装平台底部设有万向轮。
15.一种实施上述基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置的测试方法，包括以下步骤：
16.第一步、手动调节冰样固定机构使固定槽下放，放置圆盘冰样后调节上移固定槽，并夹固圆盘冰样；
17.第二步、运动机构水平调整压头组件位置，同时使压头作用于圆盘冰样上表面；
18.第三步、校准压力传感器一、拉线式位移传感器及非接触式三维应变测量装置；
19.第四步、压头继续下移直至冰样断裂，获得冰样断裂时的压力值与位移值，计算冰
样的弯曲强度d。
20.优选的，所述基于刚性固定解析解的冰弯曲强度测量装置的测试方法，其冰样的弯曲强度d由下式计算
[0021][0022]
其中：x＝r/a和ξ＝b/a，a为圆盘冰样的半径，b为载荷施加点到圆盘中心点的水平距离，r为载荷施加点到圆盘冰样中心点的半径，θ为0和2π弧度之间的逆时针旋转角(当x＝ξ时，θ＝0)，p、w分别为压力传感器一与拉线式位移传感器测量圆盘冰样断裂前承受的最大压力值和最大位移值。
[0023]
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
[0024]
1.本发明的冰弯曲强度分析方法相比于传统的悬臂梁试验和简支梁试验测试方法，在测量和分析过程中基于刚性固定圆盘解析解，使得对冰力学参数计算具备更高的数值精度，提升测量准确性。
[0025]
2.通过设置的运动机构可以灵活调整压头挤压圆盘冰样表面的位置，降低差异性。
[0026]
3.采用的传感器以及非接触式三维应变测量装置组成的测试系统可以更加准确的分析、计算、记录变形数据，实现变形过程中的圆盘冰样三维坐标、位移及其它应变的测量，具有便携，速度快，精度高，易操作的特点。
[0027]
4.本发明结构合理紧凑、集成度高、操作方便，能够在冰区实际场景下进行冰力学测量试验，且便于在冰雪复杂环境下进行。
附图说明
[0028]
图1为本发明基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置整体结构示意图；
[0029]
图2为本发明的运动机构结构示意图；
[0030]
图3为本发明的压头组件结构示意图；
[0031]
图4为本发明的压头结构及其剖面示意图；
[0032]
图5为本发明的安装平台结构示意图；
[0033]
图6为本发明的冰样固定机构结构示意图；
[0034]
图7为本发明的冰样固定机构的底座结构示意图；
[0035]
图8为本发明的冰样固定机构的固定槽结构示意图；
[0036]
图9为本发明的非接触式三维应变测量装置结构示意图；
[0037]
图10为本发明所述的圆盘冰样结构示意图；
[0038]
图11为本发明的基于刚性固定圆盘解析解冰弯曲强度测量装置的测试工作流程图。
[0039]
附图标记：运动机构1、压头组件2、冰样固定机构3、非接触式三维应变测量装置4、安装平台5、纵向驱动装置1-1、横向驱动装置1-2、纵移蜗杆1-1-1、纵移蜗杆滑块1-1-2、纵向驱动电机1-1-3、纵移安装架1-1-4、横移蜗杆1-2-1、横移蜗杆滑块1-2-2、横向驱动电机1-2-3、横移安装架1-2-4、移动支架1-3、基座2-1、拉线式位移传感器2-2、压力传感器一2-3、液压推动杆2-4、压头2-5、手柄一2-5-1、角接触轴承一2-5-2、破冰压头2-5-3、主动齿轮
2-5-4、从动齿轮2-5-5、底座3-1、固定槽3-2、角接触轴承二3-1-1、丝杆3-1-2、丝杆滑块3-1-3、手柄二3-1-4、导向丝杆3-1-5、连接耳板3-2-1、可调节激光源4-1、高速工业相机4-2、可移动支撑架4-3、支撑架5-1、万向轮5-2、控制箱5-3、边界固定装置5-4、液压升降柱5-4-1、压力传感器二5-4-2、压环5-4-3。
具体实施方式
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
本发明提供一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置，如图1所示，该装置包括运动机构1、压头组件2、冰样固定机构3、非接触式三维应变测量装置4和安装平台5；所述运动机构1设有纵向驱动装置1-1、横向驱动装置1-2和安装于横向驱动装置1-2上的移动支架1-3，运动机构1通过驱动压头组件2对压头2-5挤压到冰面的接触点位置进行水平调整；所述冰样固定机构3设于所述安装平台5的支撑架5-1底部，包括底座3-1和固定槽3-2，所述固定槽3-2可上下往复移动地安装在所述底座3-1上；所述安装平台5还包括万向轮5-2、控制箱5-3和圆盘冰样边界固定装置5-4，所述控制箱5-3设于安装平台5一侧，其内集成有电气原件及相关程序，用于控制运动机构1、压头组件2等设备的运转。
[0042]
图2所示为本发明的运动机构，其中纵向驱动装置1-1包括纵移安装架1-1-4、两根纵移蜗杆1-1-1、若干个纵移蜗杆滑块1-1-2以及纵向驱动电机1-1-3，所述纵移蜗杆1-1-2和纵向驱动电机1-1-3设置于纵移安装架1-1-4上，所述纵向驱动电机1-1-3驱动纵移蜗杆1-1-1转动，从而带动套在所述纵移蜗杆1-1-1上的纵移蜗杆滑块1-1-2沿纵向往复移动；所述横向驱动装置1-2包括横移安装架1-2-4、两根横移蜗杆1-2-1、若干个横移蜗杆滑块1-2-2以及横向驱动电机1-2-3，所述横移蜗杆1-2-1和横向驱动电机1-2-3设置于横移安装架1-2-4上，所述横向驱动电机1-2-3驱动横移蜗杆1-2-1转动，从而带动套在横移蜗杆1-2-1上的横移蜗杆滑块1-2-2沿横向往复移动；所述横向驱动装置1-2安装于所述纵移蜗杆滑块1-1-2上，所述横移蜗杆滑块1-2-2上安装有移动支架1-3，在调整压头组件2位置时，通过协调纵移蜗杆滑块1-1-2和横移蜗杆滑块1-2-2的移动，使移动支架1-3及其安装在所述移动支架1-3上的基座2-1移动至合适位置。
[0043]
如图3所示，所述压头组件2包括基座2-1、竖直向下安装在所述基座2-1上的液压推动杆2-4、安装在所述基座2-1上的拉线式位移传感器2-2以及设于液压推动杆2-4末端的压头2-5，所述基座2-1通过螺栓可拆卸安装在所述移动支架1-3上，所述液压推动杆2-4和压头2-5之间设有压力传感器一2-3，所述拉线式位移传感器2-2的拉线端部连接在压头2-5上。如图4所示，所述压头2-5包括手柄一2-5-1、角接触轴承一2-5-2、破冰压头2-5-3、主动齿轮2-5-4以及从动齿轮2-5-5，在进行测量操作时通过转动手柄2-5-1使主动齿轮2-5-4带动从动齿轮2-5-5旋转，以选用点接触式、线接触式、或者面接触破冰压头2-5-3。
[0044]
为进行冰样的边界刚性固定，如图5所示，通过与支撑架5-1相固定的连杆在冰样固定机构3上方，即支撑架5-1中部的冰样测量位置设置边界固定装置5-4，其包括液压升降柱5-4-1、位于所述液压升降柱5-4-1下方的压环5-4-3以及设于所述液压升降柱5-4-1和压环5-4-3之间的压力传感器二5-4-2；当进行冰样边界固定操作时，使液压升降柱5-4-1下
降，控制压环5-4-3对放置在固定槽3-2上的圆盘冰样进行刚性边界固定，同时设置所述压力传感器二5-4-2达到一定数值时，视为冰样夹固稳定，可防止冰样边界刚性固定过度；并在所述安装平台5底部设有万向轮5-2，便于进行整个装置的灵活移动。
[0045]
如图6、7所示，所述冰样固定机构3的底座3-1上沿周向分布有两个丝杆3-1-2和两个导向丝杆3-1-5，两者都设有角接触轴承二3-1-1和丝杆滑块3-1-3，如图8所示所述固定槽3-2沿周向分布四个连接耳板3-2-1，所述连接耳板3-2-1分别与四个丝杆滑块3-1-3可拆卸连接，所述丝杆3-1-2上端安装有手柄二3-1-4，手动旋转可上下往复移动所述固定槽3-2；所述冰样固定机构3可根据需求固定不同尺寸的圆盘冰样。
[0046]
本发明的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置，还包括非接触式三维应变测量装置4，其与所述拉线式位移传感器2-2、压力传感器一2-3组成荷载与位移变化测试系统，如图9所示，所述非接触式三维应变测量装置4的测量头包括可移动支撑架4-3和设于所述可移动支撑架4-3上的高速工业相机4-1与可调节激光源4-2，所述非接触式三维应变测量装置4还包括其它相机同步控制触发控制箱、动态采集分析软件、载荷加压控制通讯接口、计算机系统等装置，通过在变形过程中追踪物体表面的图像，实现物体三维坐标、位移及应变的测量。
[0047]
如图11所示，本实施例的基于刚性固定解析解的冰弯曲强度测量装置的测试方法，包括以下步骤：
[0048]
第一步、手动调节冰样固定机构3使固定槽3-2下放，放置圆盘冰样后调节上移固定槽3-2，通过调节液压升降柱5-4-1伸长使压环5-4-3下移夹固圆盘冰样；
[0049]
第二步、运动机构1水平调整压头组件2位置，液压推动杆2-4下移使压头2-5作用于圆盘冰样上表面；
[0050]
第三步、校准压力传感器一2-3、拉线式位移传感器2-2及非接触式三维应变测量装置4；
[0051]
第四步、液压推动杆2-4下移使压头2-5继续下移直至冰样断裂，获得冰样断裂时的压力值与位移值，参考图10，根据下式计算冰样的弯曲强度d。
[0052][0053]
其中：x＝r/a和ξ＝b/a，a为圆盘冰样的半径，b为载荷施加点到圆盘中心点的水平距离，r为载荷施加点到圆盘冰样中心点的半径，θ为0和2π弧度之间的逆时针旋转角(当x＝ξ时，θ＝0)，p、w分别为压力传感器一2-3与拉线式位移传感器2-2测量圆盘冰样断裂前承受的最大压力值和最大位移值。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。