碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用實驗技術(shù)研究

王川 葉柔柔 劉志慧

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（20CX02320A）；NSFC-山東聯(lián)合基金重點項目（U2006226）；中國石油大學(xué)（華東）教學(xué)改革項目（CM2022013）

第一作者簡介：王川（1987-），男，博士，講師。研究方向為海洋結(jié)構(gòu)物環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)物強度。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.015

摘? 要：針對難以開展冰載荷測量的實驗難題，設(shè)計一套碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)實驗方案。制備非凍結(jié)模型冰，以微小力傳感器為數(shù)據(jù)采集工具，利用波流水槽開展碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)實驗。實驗測試不同冰速下的碎冰載荷，對冰載荷實驗的現(xiàn)象，冰力特性以及數(shù)值精度進行分析。通過與文獻結(jié)果對比，該實驗方案測試所得冰載荷幅值吻合良好，呈現(xiàn)載荷分布的離散現(xiàn)象，展現(xiàn)碎冰與結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、堆積現(xiàn)象，為碎冰載荷的技術(shù)研究及分析預(yù)報奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冰載荷；圓柱結(jié)構(gòu)；微小力傳感器；實驗設(shè)計；碎冰載荷

中圖分類號：P752? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0063-04

Abstract： A mechanical experimental scheme was designed to address the challenge of difficult ice load measurements. A non-frozen model ice was prepared， and a wave flume was used with miniature force sensors as data acquisition tools to conduct mechanical experiments on the interaction between fragmented ice and cylindrical structures. The experiments tested the ice loads under different ice velocities and analyzed the phenomena， ice force characteristics， and numerical accuracy of the ice load experiments. By comparing the results with the literature， the experimental scheme demonstrated good agreement in terms of ice load amplitude and revealed the discrete distribution of loads. It also presented the flipping， rotating， and stacking phenomena between fragmented ice and structures， laying the foundation for the technical research， analysis， and prediction of ice loads.

Keywords： ice load; cylindrical structure; miniature force sensor; experimental design; breaking ice load

冰載荷是制約高緯度海域海工裝備結(jié)構(gòu)安全的控制載荷，是海工結(jié)構(gòu)抗冰強化設(shè)計的重要輸入條件[1-5]。海冰與結(jié)構(gòu)作用特性復(fù)雜，載荷隨機特性強。隨著南北極地科考任務(wù)的增多，極地海洋結(jié)構(gòu)物強度受到了冰載荷的威脅與挑戰(zhàn)。層冰與碎冰是兩種較為主要的海冰作用形態(tài)，學(xué)者對層冰的研究較多，同時開展了相應(yīng)的數(shù)值以及實驗研究，并取得了若干成果，受限于低溫實驗設(shè)備[6]，以及碎冰形態(tài)的差異性，碎冰對結(jié)構(gòu)的影響受到了諸多制約。碎冰對結(jié)構(gòu)的影響如堆積、旋轉(zhuǎn)、摩擦等效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的威脅尤為突出，因浮冰作用而導(dǎo)致的平臺倒塌安全事故均有發(fā)生，碎冰與結(jié)構(gòu)的相互作用的實驗與數(shù)值研究是當(dāng)前面臨的難題。

楊彩虹等[7]構(gòu)建SPH冰-水兩相流模型，對小尺度碎冰和海水混合環(huán)境下直立圓柱結(jié)構(gòu)的冰載荷特性進行研究，得到了碎冰載荷與結(jié)構(gòu)尺寸、碎冰厚度及密集度之間的關(guān)系。剛旭皓等[8]利用非凍結(jié)模型冰開展某型破冰船在不同速度、密集度下的極地船舶阻力試驗，在此基礎(chǔ)上，利用實船換算方法，對船舶在不同航速及密集度下的碎冰阻力進行了預(yù)報。Luo等[9]基于CFD-DEM耦合方法來計算某型冰強化巴拿馬散貨船在碎冰通道中的船舶阻力。Wang等[10]基于有限元方法，利用彈塑性模型研究了散貨船在碎冰環(huán)境中的載荷作用，獲得了冰塊的壓力分布。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，對于碎冰載荷的研究，以數(shù)值方法為主，對相應(yīng)實驗驗證還存在較大的空缺，如何開展碎冰載荷測量實驗，分析碎冰與結(jié)構(gòu)作用特性，對加強對碎冰載荷的研究預(yù)報具有重要意義。

本文基于模型相似準(zhǔn)則，利用非凍結(jié)模型冰，以微小力傳感器作為數(shù)據(jù)采集工具，利用波流水槽開展了碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)實驗。實驗結(jié)果表明，該方案測試換算所得冰載荷在幅值上與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，并展現(xiàn)了碎冰與結(jié)構(gòu)作用的實驗現(xiàn)象。

1? 實驗概況

碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用實驗在中國石油大學(xué)（華東）波流水槽采用非凍結(jié)模型冰進行。

1.1? 實驗原理及系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1? 實驗原理

碎冰載荷與結(jié)構(gòu)作用以碰撞力及摩擦力為主。因此，在對豎直圓柱模型進行實驗測試以研究冰載荷時，重點在于模擬破碎冰對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊載荷，并探索結(jié)構(gòu)冰載荷與浮冰速度之間的相關(guān)性。聚乙烯具有與真實海冰相當(dāng)?shù)膹姸萚6]，可用作與結(jié)構(gòu)相互作用的模型冰的材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺度，實驗?zāi)Ｐ捅环譃槎鄠€尺寸。

為分離破碎冰載荷對圓柱結(jié)構(gòu)的影響，必須確定作用于結(jié)構(gòu)上的流體載荷的各個組成部分。因此，首先在冰與無冰環(huán)境中進行單獨的模型實驗，然后進行數(shù)據(jù)處理以區(qū)分破碎冰載荷。

成功制備了模型冰后，實驗過程可以分為3個主要部分：①實驗?zāi)Ｐ偷陌惭b、傳感器的校準(zhǔn)和測試系統(tǒng)的調(diào)試。②產(chǎn)生受控流動，以評估在不同流速下對圓柱結(jié)構(gòu)施加的流體載荷。③在存冰的工況下，模型冰伴隨水流動，并與結(jié)構(gòu)接觸。

針對每個工作條件進行多次實驗，以確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。圖1展示了實驗系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備。

注：1-微小力傳感器；2-傳感器連接固定裝置；3-攝像機；4-多普勒流速儀；5-鋼管（用于限制石蠟?zāi)Ｐ捅奶庯h散）；6-模型冰；7-防漂移紗網(wǎng)；8-造流儀、水槽。

圖1? 海冰模擬實驗布置簡圖

1.1.2? 實驗設(shè)備

本實驗使用的主要儀器設(shè)備及部件如下。波流水槽，長度×寬×深=40 m×1.2 m×2.5 m，以及YTCL3005L型微小力傳感器，LSH10-1S超聲波多普勒流速儀，攝像機，傳感器連接固定裝置，防漂移紗網(wǎng)，熱熔箱和模具等。

1.1.3? 實驗樣品

聚乙烯顆粒制作模型冰，直徑為10 mm的圓柱鋼管。

1.2? 實驗步驟

1.2.1? 模型冰制備

采用加熱爐將石蠟顆粒融化，石蠟溶液倒入模具中冷卻，得到石蠟塊。將冷卻好的石蠟塊取出，將其切割成實驗所需大小，即完成石蠟?zāi)Ｐ捅闹谱鳎鐖D2所示。

圖2? 模型冰制備

1.2.2? 實驗系統(tǒng)搭建

在波流水槽上，結(jié)合預(yù)計的碎冰密集度，將模型冰置于水槽中，將微小力傳感器與鋼管通過連接件固定，調(diào)節(jié)鋼管位置，使其置于碎冰浮層中心位置，如圖3所示。

圖3? 碎冰冰載荷實驗系統(tǒng)實景

1.2.3? 實驗數(shù)據(jù)采集

通過造流機造流，移除浮冰攔網(wǎng)。浮冰隨流速向鋼管處漂移，通過傳感器采集冰-柱作用載荷，并用流速儀測定對應(yīng)流速，浮冰完全通過鋼管區(qū)，單次實驗結(jié)束。往復(fù)多組流速工況。

1.3? 實驗工況

本文研究對象為極地平臺立管結(jié)構(gòu)，直徑約為55 cm?；趯嶒炘O(shè)施及材料尺度，模型縮尺比為55，碎冰阻力實驗取70%密集度，實驗冰速為0.2 m/s，碎冰域內(nèi)冰塊隨機分布。進行模型實驗同時遵循佛汝德相似準(zhǔn)則和柯西相似準(zhǔn)則，實驗數(shù)據(jù)與實際工況對應(yīng)數(shù)據(jù)見表1[11]。

表1? 工況數(shù)據(jù)

2? 實驗數(shù)據(jù)處理方法

2.1? 冰載荷提取

通過對無冰環(huán)境下的實驗數(shù)據(jù)的綜合分析，統(tǒng)計得到流體作用平均載荷。在此基礎(chǔ)上，對有冰環(huán)境載荷進行整體偏移調(diào)整，獲得碎冰載荷作用力，以此可較為準(zhǔn)確地理解和評估結(jié)構(gòu)在碎冰條件下的受力情況。

2.2? 碎冰載荷統(tǒng)計值計算

為統(tǒng)計冰載荷的隨機特性，借鑒有義波幅的統(tǒng)計方法，引入三一有義冰載荷及十一有義冰載荷，通過統(tǒng)計各周期的碎冰載荷幅值，對其進行數(shù)值排列，選取冰力幅值的前三分之一及十分之一均值以確定冰載荷的特征值。

依據(jù)公式（1）對冰載荷進行無量綱化，得到碎冰載荷阻力系數(shù)。

依據(jù)三一有義值以及十一有義值進行統(tǒng)計分析，通過相似定律換算，得到冰載荷的特征統(tǒng)計值見表2。

表2冰載荷統(tǒng)計值

3? 實驗結(jié)果的分析與討論

3.1? 實驗現(xiàn)象

圖4為70%碎冰密集度在對碎冰-圓柱結(jié)構(gòu)相互作用的實驗現(xiàn)象。通過觀察，可獲得碎冰與結(jié)構(gòu)的如下作用形式。

1）冰塊碰撞：碎冰環(huán)境中，冰塊之間以及與結(jié)構(gòu)的相互碰撞是最為常見的力學(xué)過程。冰塊之間的碰撞會產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受具有一定慣性的碎冰載荷。

2）冰塊摩擦：碎冰環(huán)境中，冰塊與結(jié)構(gòu)表面之間會發(fā)生摩擦。這種摩擦力會對結(jié)構(gòu)施加額外的荷載，該載荷與碰撞壓力、摩擦速度有關(guān)。

3）冰塊堆積：碎冰環(huán)境中，冰塊會在結(jié)構(gòu)周圍發(fā)生堆積，進而作用在結(jié)構(gòu)上。這種堆積會增加結(jié)構(gòu)的受力面積，導(dǎo)致碎冰載荷增大。

4）冰塊的翻轉(zhuǎn)：在結(jié)構(gòu)法向作用力作用下，碎冰逐漸向下旋轉(zhuǎn)，沉沒，進而翻轉(zhuǎn)。

以上實驗現(xiàn)象如圖4和圖5所示。模型冰之間以及模型冰與結(jié)構(gòu)之間的相互作用呈現(xiàn)較為明顯的隨機現(xiàn)象，與真實冰池的模型試驗[12]相符合。

圖4? 實驗現(xiàn)象總體圖

圖5聚集、摩擦、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象

以上實驗現(xiàn)象表明，碎冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)所受的冰載荷是復(fù)雜多變的，受到了冰塊形狀、速度、密集度及結(jié)構(gòu)表面特性等多個因素的影響。對這些現(xiàn)象的深入研究可更好地理解結(jié)構(gòu)在碎冰環(huán)境中的受力行為，并為結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全評估提供重要參考。

3.2? 冰載荷特性分析

由于浮冰與圓柱結(jié)構(gòu)作用形式的多樣性，會導(dǎo)致產(chǎn)生隨機冰載荷，同時碎冰區(qū)有覆蓋和聚集的分布特性。

圖6為實測碎冰載荷實驗數(shù)據(jù)。由圖6可知，碎冰載荷在24.4 s開始與圓柱結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，隨著時間的推移，模型冰與圓柱結(jié)構(gòu)的碰撞頻次增加并逐漸達到峰值，平穩(wěn)冰力峰值周期性持續(xù)近6.5 s。

圖6? 碎冰載荷隨時間變化曲線

為確定碎冰載荷的作用周期，對測試數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，碎冰與結(jié)構(gòu)的單次碰撞周期集中在0.08 s左右。碎冰載荷的特性呈現(xiàn)出一定的周期性和隨機性。對于圓柱結(jié)構(gòu)來說，冰載荷的頻次和峰值都會隨著時間的推移而變化，而單次碰撞的周期相對較短且集中。這與文獻[13]所得結(jié)果一致。

圖7? 碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)碰撞周期分析示意圖

3.3? 冰載荷幅值計算

基于MATLAB篩選26～32 s穩(wěn)定區(qū)間時域歷程下的冰力峰值，如圖8所示。

通過對幅值結(jié)果的無量綱處理，與文獻[14]比較，見表3。由表3可知，三一值對比精度較好，誤差為10.63%，十一有義值的誤差為13.77%，最大冰力的誤差較大，約為25.39%。結(jié)果存在差距的原因包含與碎冰的尺度，以及實驗忽略的碎冰破碎載荷有關(guān)。通過文獻對比，可知基于三一統(tǒng)計方法的模型冰載荷具有較強的指導(dǎo)意義。

圖8? 碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)峰值載荷示意圖

表3? 碎冰載荷與文獻結(jié)果對比

4? 結(jié)束語

本文設(shè)計并開展了一種基于非凍結(jié)模型冰開陣碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)實驗方案。通過測試分析可得如下結(jié)論。

1）基于聚丙烯作為模型冰材料進行的破碎實驗表明，冰載荷呈現(xiàn)出顯著的隨機性特點，可反映碎冰與圓柱結(jié)構(gòu)碰撞、聚集、翻轉(zhuǎn)和摩擦等作用形式。這些實驗觀察結(jié)果與實際情況非常相似，并提供了一種更高效、更具成本效益的實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2）破碎冰與結(jié)構(gòu)之間的阻力主要由碰撞阻力和摩擦阻力組成。通過使用平均阻力公式建立破碎冰阻力系數(shù)的統(tǒng)計值，進而快速預(yù)測特定結(jié)構(gòu)的破碎冰載荷。

3）碎冰環(huán)境下的測試冰載荷，通過與文獻結(jié)果對比，冰力均值精度良好。

綜上所述，本文提出的實驗方案降低了對實驗條件的要求，節(jié)約實驗操作時間，對碎冰載荷與結(jié)構(gòu)相互作用的進一步研究具有積極的促進作用。

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