[发明专利]一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置及方法

说明书

一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置及方法，装置包括底座、立柱、反力框架、冰试样低温加载室及五台液压作动器，环形反力框架由多根立柱支撑在底座上，四台液压作动器水平均布在反力框架四周，一台液压作动器竖直位于反力框架下方，冰试样低温加载室位于反力框架中心处。方法为：选取点接触式破冰压头、线接触式破冰压头或面接触式破冰压头安装到竖直向液压作动器上；开启冰试样低温加载室制冷模式直到设定温度；将制备好的冰试样吊装到冰试样低温加载室内的指定位置，并维持吊装状态，通过水平四台液压作动器对冰试样进行预夹紧，之后撤去吊装，再通过竖直液压作动器对冰试样施加预载荷；最后对冰试样施加设定载荷，直到冰试样破坏。

技术领域

本发明属于冰力学试验技术领域，特别是涉及一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置及方法。

背景技术

在地球的南北两极，即使是较为温暖的夏季，海面上也会常年覆盖大量的海冰，想要在极地区域航行，破冰船几乎是唯一选择。

目前，对于厚度低于0.5米的冰层，破冰船可以直接通过船首破切冰层的方式向前航行，对于厚度大于0.5米的冰层，破冰船基本依靠的是重力破冰法。由于冰层厚度不同，破冰时的海冰受力状态也会不同，而海冰的力学性能又对破冰船的抗冰能力设计和破冰能耗设计等至关重要。

现阶段，海冰破冰过程中冰力学测试方面的相关研究还比较欠缺，现有试验设备还无法真实模拟破冰过程中的海冰受力状态，也就无法准确获取海冰的真实力学性能，如果不能较为真实获取破冰过程中的海冰力学性能，就无法在破冰船的抗冰能力设计和破冰能耗设计方面进行优化，从而阻碍破冰船的性能提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置及方法，具备对冰试样进行低温控制和真三轴加载的能力，同时可以模拟点接触式破冰、线接触式破冰和面接触式破冰的受力状态，为研究自然受压条件下冰试样破坏全过程的变形及强度力学性质提供了可行性手段，也为优化破冰船的抗冰能力设计和破冰能耗设计提供了技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置，包括底座、立柱、反力框架、冰试样低温加载室、第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器、第四液压作动器及第五液压作动器；所述反力框架采用环形结构，反力框架水平设置在底座正上方，反力框架通过多根立柱固定支撑在底座上；所述第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器及第四液压作动器水平均布设置在反力框架的四周，第一液压作动器与第三液压作动器同轴正对设置，第二液压作动器与第四液压作动器同轴正对设置；在所述反力框架上均布开设有四个水平通孔，四个水平通孔分别与第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器及第四液压作动器一一对应，且第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器及第四液压作动器的活塞杆分别从各自对应的通孔中穿入反力框架内侧；所述第五液压作动器竖直设置在反力框架正下方的底座上，第五液压作动器的活塞杆朝上穿入反力框架内侧；所述冰试样低温加载室采用矩形结构，冰试样低温加载室位于反力框架内侧中心处，在冰试样低温加载室的底板和四面侧壁板上均开设有加载孔，在冰试样低温加载室的底板和四面侧壁板内均嵌装有制冷管路，通过制冷管路对冰试样低温加载室内的温度进行调控；在所述第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器、第四液压作动器及第五液压作动器的活塞杆端部均固装有测力传感器，在第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器、第四液压作动器及第五液压作动器的活塞杆与作动器缸筒之间均安装有位移传感器；在所述第一液压作动器、第二液压作动器、第三液压作动器及第四液压作动器的测力传感器上均固连有传立柱，传立柱穿过冰试样低温加载室侧壁板上的加载孔与冰试样直接接触；在所述第五液压作动器的测力传感器上固连有破冰压头，破冰压头采用点接触式破冰压头、线接触式破冰压头或面接触式破冰压头，破冰压头穿过冰试样低温加载室底板上的加载孔与冰试样直接接触。

一种模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验方法，采用了所述的模拟海冰破冰过程的多轴压缩试验装置，包括如下步骤：