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海洋学报 2024年第6期46卷 40-50页

作者：吴家和王庆凯李金钊卢鹏李志军大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116023 自然资源部中国极地研究中心上海200136

强度是影响海冰与结构物相互作用关系的关键性质之一。海冰内部的卤水胞和气泡等孔隙结构对海冰的强度有重要影响。为从细观角度探究冰内孔隙含量、形状和尺寸等海冰结构参数对海冰力学性质的影响,基于离散元方法,建立了包含孔隙的数值... 详细信息

强度是影响海冰与结构物相互作用关系的关键性质之一。海冰内部的卤水胞和气泡等孔隙结构对海冰的强度有重要影响。为从细观角度探究冰内孔隙含量、形状和尺寸等海冰结构参数对海冰力学性质的影响,基于离散元方法,建立了包含孔隙的数值海冰模型,模拟粒状冰在平行和垂直冰面方向加载脆性破坏的单轴压缩过程。孔隙尺寸设置为符合均匀分布、标准正态分布和Gamma分布等不同随机分布类型。数值模拟试验结果表明孔隙率是影响海冰强度的主要因素,海冰单轴压缩强度和弹性模量均随孔隙的增加而减小。当压缩应力达到极值时,冰内裂缝迅速扩展。对于圆形孔隙,裂缝主要沿荷载施加方向开展,因此平行冰面方向试样破坏时多表现为大裂缝;对于椭圆形孔隙,裂缝易扩展形成裂缝带。当孔隙率相同时,孔隙尺寸随机分布类型和位置对单轴压缩强度和弹性模量影响不大,但影响冰内裂缝的扩展方式。

关键词：海冰孔隙单轴压缩强度弹性模量离散元

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水池常规模型冰的单轴压缩强度特征试验研究

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中国舰船研究 2025年第2期20卷 266-282页

作者：徐佩李龙辉王超江苏海洋大学海洋工程学院江苏连云港222005 江苏海洋大学马卡洛夫海洋工程学院江苏连云港222005 哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

[目的]在冰-螺旋桨切削或碰撞试验中,采用满足几何相似和冰力学特性相似准则的模型冰对螺旋桨冰载荷的测试结果而言至关重要。[方法]以淡水冰、盐水冰、尿素冰、混合乙二醇/脂肪族洗涤剂/糖(EG/AD/S)冰以及石蜡模型冰作为研究对象,开展... 详细信息

[目的]在冰-螺旋桨切削或碰撞试验中,采用满足几何相似和冰力学特性相似准则的模型冰对螺旋桨冰载荷的测试结果而言至关重要。[方法]以淡水冰、盐水冰、尿素冰、混合乙二醇/脂肪族洗涤剂/糖(EG/AD/S)冰以及石蜡模型冰作为研究对象,开展不同材质模型冰的单轴压缩试验,对比测试分析不同应变速率以及冷冻和回温状态下冰试样的压缩强度和破坏模式。[结果]采用冷冻温度为-20℃,冷冻时间为48h,回温温度为-5℃,回温时间为24h所制作的盐水冰可以满足冰-桨的接触试验要求;模型冰的压缩强度从大到小依次为尿素冰、淡水冰、EG/AD/S冰、石蜡模型冰、淡水冰-回温、EG/AD/S冰-回温、盐水冰、尿素冰-回温以及盐水冰-回温。[结论]试验测试结果可为后续冰-螺旋桨切削或碰撞试验中模型冰的选择提供参考。

关键词：淡水冰盐水冰单轴压缩强度冰-桨试验船用螺旋桨结冰压缩强度

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基于热力数值模式的营口海域海冰单轴压缩强度分布规律

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海洋环境科学 2023年第6期42卷 834-840页

作者：马玉贤袁光奇陈元田野袁帅许宁国家海洋环境监测中心辽宁大连116023 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 大连船舶重工集团有限公司辽宁大连116083 大连市气象装备保障中心辽宁大连116001

海冰灾害对冰区人类经济活动有着重要影响。本文基于2020/2021年冬季在将军石港观测的海冰温度与海冰盐度数据,结合海冰卤水体积参数化方案,给出基于海冰温度的海冰卤水体积分数评估公式;结合近67年的海冰温度计算结果,重现历年海冰单... 详细信息

海冰灾害对冰区人类经济活动有着重要影响。本文基于2020/2021年冬季在将军石港观测的海冰温度与海冰盐度数据,结合海冰卤水体积参数化方案,给出基于海冰温度的海冰卤水体积分数评估公式;结合近67年的海冰温度计算结果,重现历年海冰单轴压缩强度演变过程,发现营口海域海冰单轴压缩强度呈减小趋势(0.0027 MPa/a);分析海冰单轴压缩强度的概率分布,发现20世纪90年代后低强度海冰发生概率增大;评估营口海域20世纪60年代与近十年不同重现期下的单轴压缩强度,发现随着重现期的增大两个年份对应的力学强度差值也越来越大,且规范给出的重现期强度值小于上述计算结果。本文可为冰区经济活动的防灾减灾精细化管理提供科学支撑。

关键词：海冰热力学模式卤水体积分数单轴压缩强度概率分布

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卤水体积和应变率影响下的渤海海冰单轴压缩强度分布

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海洋预报 2021年第4期38卷 38-44页

作者：隋俊鹏李宝辉赵倩王兆宇何帅康付鹏博何文全国家海洋环境预报中心北京100081 辽宁省海洋预警监测中心辽宁沈阳110001 大连理工大学辽宁大连116024 营口市海洋预警监测中心辽宁营口115007

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10^(-5)~7.5×10^(-3)/s,海冰试样的温度在-3~... 详细信息

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10^(-5)~7.5×10^(-3)/s,海冰试样的温度在-3~-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。

关键词：渤海海冰单轴压缩强度卤水体积应变率

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中国船舶科学研究中心小型冰水池柱状盐水模型冰单轴压缩强度分析

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船舶力学 2020年第12期24卷 1647-1656页

作者：田于逵季少鹏寇莹国威陈支银刚旭皓中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

新建的中国船舶科学研究中心小型冰水池采用淡盐水溶液制成了柱状模型冰。为了评估该模型冰的物理力学性能,进行了一系列试验测量。其中,利用取自冰层的大量样本对模型冰单轴压缩强度特性进行了检测分析,观察了模型冰的破坏模式和断裂行... 详细信息

新建的中国船舶科学研究中心小型冰水池采用淡盐水溶液制成了柱状模型冰。为了评估该模型冰的物理力学性能,进行了一系列试验测量。其中,利用取自冰层的大量样本对模型冰单轴压缩强度特性进行了检测分析,观察了模型冰的破坏模式和断裂行为,研究了压缩强度对应变率的依赖性。在对试验结果进行综合分析和评价的基础上,提出了进一步改进模型冰单轴压缩强度研究的方向。

关键词：冰水池柱状盐冰单轴压缩强度加载速率失效模式

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加载方向对海冰脆性破坏时单轴压缩强度的影响

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海洋预报 2019年第4期36卷 52-59页

作者：宋洪芳隋俊鹏刘煜李子牛王兆宇陈海军陈晓东营口市海洋环境预报站辽宁营口115007 国家海洋环境预报中心北京100081 辽宁省海洋预警监测中心辽宁沈阳110001 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116023

对渤海的柱状海冰开展了系统的现场单轴压缩试验。在试验过程中,分别采用垂直于(水平加载)/平行于(竖直加载)冰晶的两种加载方向。同时,通过改变加载速率的方式研究了应变速率对压缩强度的影响。在测试结果中,结合试样的应变、应力以及... 详细信息

对渤海的柱状海冰开展了系统的现场单轴压缩试验。在试验过程中,分别采用垂直于(水平加载)/平行于(竖直加载)冰晶的两种加载方向。同时,通过改变加载速率的方式研究了应变速率对压缩强度的影响。在测试结果中,结合试样的应变、应力以及裂纹特征分析了脆性破坏模式下海冰单轴压缩强度特征。试验结果表明:平行于冰晶方向的加载强度约为垂直于冰晶方向强度的3倍,并且两种加载方向的海冰单轴压缩强度均随加载速率的提高而降低。破坏模式的分析表明:脆性破坏主要由裂纹的发展所主导。随着加载速率的提高,海冰的破坏过程由单次破碎向多次破碎转变从而弱化了压缩强度。由于裂纹更容易在晶界处发展,不同加载方向下的裂纹特征以及最终的破坏模式有所区别。水平加载下的破坏模式以剪切形式为主,而竖直加载时主要发生柱状冰晶的屈曲破坏。屈曲破坏更容易发生在冰晶内部而表现出较高的压缩强度,因此竖直压缩强度更高。

关键词：海冰脆性破坏加载方向单轴压缩强度现场试验

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融冰期北极海冰单轴压缩强度的试验研究

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哈尔滨工程大学学报 2018年第10期39卷 1589-1597页

作者：王庆凯雷瑞波李志军大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136

为了评估融冰期北极海冰的单轴压缩强度,其中在中国第七次北极科学考察期间,现场钻取冰芯,测量冰层温度、盐度、密度和晶体结构;在低温实验室内将冰芯加工成标准试样并测量单轴压缩强度,其中试验应变速率为10^(-7)～10^(-2)s^(-1),温度... 详细信息

为了评估融冰期北极海冰的单轴压缩强度,其中在中国第七次北极科学考察期间,现场钻取冰芯,测量冰层温度、盐度、密度和晶体结构;在低温实验室内将冰芯加工成标准试样并测量单轴压缩强度,其中试验应变速率为10^(-7)～10^(-2)s^(-1),温度分别为-3℃、-6℃和-9℃,加载方向为垂直冰面加载。试验结果表明:融冰期北极海冰表现出高温、低盐、低密度的物理性质;随应变速率增加,单轴压缩强度先增加再降低最后稳定,试样破坏形态由主裂缝贯穿转变为产生较多微裂缝;随孔隙率增加,单轴压缩强度降低。试验建立了以应变速率和孔隙率评估海冰单轴压缩强度的计算模型,通过冰层物理参数计算孔隙率,给出了融冰期北极冰层垂直方向的极限单轴压缩强度参考值。

关键词：海冰单轴压缩强度应变速率孔隙率北极融冰期试验研究

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海冰与海水间热力作用过程及海冰单轴压缩强度特性的试验研究

海冰与海水间热力作用过程及海冰单轴压缩强度特性的试验研究

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作者：陈晓东大连理工大学

学位级别：博士

海冰的力学性质与破坏机理是冰区海洋结构与船舶等工业装备的主要设计依据。在风、浪、流等海洋环境驱动下,海冰受拉伸、挤压或剪切作用而发生断裂、破碎并可形成冰脊。此时,海冰厚度可在短期内成倍增长,但其力学性质却又与平整冰有很... 详细信息

海冰的力学性质与破坏机理是冰区海洋结构与船舶等工业装备的主要设计依据。在风、浪、流等海洋环境驱动下,海冰受拉伸、挤压或剪切作用而发生断裂、破碎并可形成冰脊。此时,海冰厚度可在短期内成倍增长,但其力学性质却又与平整冰有很大差异。对于通过再冻结所形成的重叠冰或冰脊固结层等类型海冰,其强度不仅由平整冰的力学性质所决定,同时也与热力学影响下的冻结层冰晶结构密切相关。综合考虑热力学冻结过程与材料破坏机理是衡量冰载荷特性以及工程应用的有效途径。为此,本文以平整冰、冰脊和重叠冰为研究对象,分别对其冰-水间的热力作用过程及力学性质开展系统的研究。在海冰热力过程研究中,通过浸没试验分析海冰与海水间的瞬态热交换过程,以分析该过程中冰温与冰厚的变化特点,得到了新生冰在细观尺度下的冰晶结构特点及影响因素;在海冰力学性质的研究中,通过现场实测分别对平整冰与重叠冰进行单轴压缩试验,确定了两种类型海冰的强度特征与破坏模式,并结合冻结层的结构特点分析了两种海冰单轴压缩强度的差异性。本文研究内容主要包括以下几个方面:通过浸没试验和有限差分数值模拟研究了冰在瞬态热力作用过程中的冰温变化特点及相变特性。在瞬态热力作用过程中,冰水界面处的温差引起冰水间较强的热交换。根据瞬态热传导过程中冰温与冰厚的变化特征,在模型试验与数值模拟基础上进行的量纲分析表明,无量纲冰温仅随傅立叶数变化,而无量纲冰厚增长则由斯蒂芬数、影响热对流的初始冰温与初始冰厚共同决定。通过量纲分析得到了冰温与冰厚变化的无量纲关系式,并可通过该关系式对不同初始条件下的冰温变化与最终冰厚增长量进行预测。由于盐分使盐水冰的比热与盐水的相变热等热力学性质成为受温度与盐度影响的动态参数,并由此改变了瞬态热力作用过程中的冰温与冰厚变化特性。在盐水冰瞬态热传递过程中,冰厚变化率与盐度呈正相关的对应关系;冰温升高速率随着盐度增加而逐渐减弱。在相同的热传递条件下,新生冰厚度随水的盐度增加而明显增厚。通过对新生冰细观冰晶结构的测量发现,冰的生长过程本质上为水的结晶过程与排盐过程之间的相互竞争。当相变速率较慢且水的盐度较低时,冰在生长过程中能够有效排出水中的盐分,所形成的冰晶尺寸较大且冰水界面较为平滑;当相变速率较快且水的盐度较高时,生长过程中卤水通道的密度增加且冰水界面处的高盐度“过冷层”显著地抑制了冰的生长,此时产生的冰晶直径较小,且冰水界面处容易产生凹凸不平的“针状”结构。试验结果还进一步表明,冰晶直径与初始冰温-结冰点之间的温差、盐水的盐度呈反比,与冰的盐度呈正比。由此可知,冰水界面处的几何形态及冰晶结构与冰的生长速率、盐水的盐度密切相关。通过现场试验研究了平整冰在单轴压缩作用下的韧-脆转化及各向异性特点。在不同加载速率与加载方向下测量了海冰的应力、应变与宏观破坏模式。在低应变速率下,海冰的变形过程主要由冰晶之间的位错滑移作用产生并受到卤水的润滑作用,在宏观上由蠕变过程主导并最终产生韧性破坏;在高应变速率下,裂纹尖端的应力集中无法通过蠕变作用缓解而在宏观上表现出脆性破坏特征;当应变速率满足试样由蠕变向裂纹生长的临界条件时,海冰发生韧-脆转化。由于海冰内部晶体的柱状结构特点,外载荷与冰晶之间的相对方向对海冰的破坏模式及强度产生显著的影响。海冰在竖直方向的压缩强度要明显高于水平方向的压缩强度。本文试验表明海冰在竖直方向的压缩强度是水平方向的三倍左右,而发生韧-脆转化的临界应变速率降低约一个量级。在渤海自然环境下,本文制作生成重叠冰并保留海冰表面的几何特征,对重叠冰进行了不同加载速率下的单轴压缩试验。该重叠冰主要由上层平整冰、水下平整冰、两层之间的冻结层三部分组成。在低应变速率下,重叠冰内部主要发生韧性破坏。由于冻结层对蠕变过程中的晶间滑移位错过程的影响较小,因此重叠冰与平整冰的强度较为接近。在高应变速率下,重叠冰主要发生脆性破坏。此时裂纹有较大几率在冻结层的粒状晶体间穿过,其不同于平整冰的柱状冰晶破坏,因此重叠冰在高加载速率下的强度明显低于平整冰。重叠冰发生韧-脆转化的应变速率要低于平整冰。最后,对本文的主要研究工作进行了总结,并对海冰物理力学性质试验中的主要问题进行了讨论和展望。

关键词：平整冰重叠冰瞬态热传递热交换冰晶结构单轴压缩强度韧-脆转化

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乌梁素海湖冰单轴压缩强度试验研究

乌梁素海湖冰单轴压缩强度试验研究

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作者：徐梓竣大连理工大学

学位级别：硕士

20世纪以来,人类对冰的力学行为愈加关注,希望能更准确地估算出结构的极限荷载,可以保证寒区结构物的安全性,减少冰带来的灾害。冰的单轴压缩强度是计算冰荷载过程中的一个重要参数,因此,研究冰的单轴压缩强度对于结构物的设计与保护具... 详细信息

20世纪以来,人类对冰的力学行为愈加关注,希望能更准确地估算出结构的极限荷载,可以保证寒区结构物的安全性,减少冰带来的灾害。冰的单轴压缩强度是计算冰荷载过程中的一个重要参数,因此,研究冰的单轴压缩强度对于结构物的设计与保护具有实际意义。本文选择了乌梁素海湖冰进行试验,为积累柱状冰的单轴压缩强度特性提供了支持。2016年1月,在内蒙古乌梁素海进行了冰坯的采集,然后对冰坯进行了粗加工。在现场将冰打磨成薄片,观察到冰晶体结构为典型的柱状冰结构,计算了晶体的平均等效直径随着冰厚增加逐渐增大。将粗加工好的试样在大连理工大学低温环境实验室内细加工成单轴压缩强度试验所需7cm×7cm×17.5cm的标准长方体试样。2016年11月2017年6月,利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机,对加载方向垂直于冰面和加载方向平行于冰面的二类试样进行-2°C、-5°C、-7°C、-10°C、-15°C下不同恒位移速度的试验,获得了一系列的应力-应变关系曲线,并拍下了试样破坏时的照片。试验研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到:乌梁素海的冰样存在鼓胀破坏、剪切破坏、劈裂破坏三种破坏形式。相同温度下,试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加存在着先增高到峰值,之后再降低,最后趋于平稳的特征;在试验的温度范围内,试样的单轴压缩强度随温度降低有着明显提高;试样的单轴压缩强度受温度和应变速率的影响可以用一个二元统计关系曲面表达。对于乌梁素海的柱状冰,加载方向垂直于冰面的试样的峰值单轴压缩强度是加载方向平行于冰面试样的2.1倍;峰值单轴压缩强度发生时的应变速率随温度升高而增加,并可以用指数函数表达;峰值单轴压缩强度随温度的变化能够采用对数函数表达。

关键词：冰单轴压缩强度乌梁素海试验试样

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冰单轴压缩强度试验的方法与设备

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水利科学与寒区工程 2018年第5期1卷 27-33页

作者：徐梓竣张邀丹李志军阿拉乌拉.劳瑞大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 沈阳农业大学水利学院辽宁沈阳110866 芬兰赫尔辛基大学拉米生物站赫尔辛基拉米16900

以乌梁素海湖冰的单轴压缩强度试验为例,详细阐述了冰单轴压缩强度试验的试样制备、试验方法和所需设备。具体内容包括:现场采集冰坯的方法和工具;现场观测冰晶体结构所需薄冰片的制作方法和工具;冰密度的测量方法和工具;大连理工大学... 详细信息

以乌梁素海湖冰的单轴压缩强度试验为例,详细阐述了冰单轴压缩强度试验的试样制备、试验方法和所需设备。具体内容包括:现场采集冰坯的方法和工具;现场观测冰晶体结构所需薄冰片的制作方法和工具;冰密度的测量方法和工具;大连理工大学低温环境实验室内加工冰单轴压缩强度试验标准试样的加工设备;试验的主要设备和具体步骤。最后给出淡水冰压缩破坏的三种典型破坏形式及它们对应的应力-应变曲线。

关键词：单轴压缩强度冰坯试验方法设备

来源：评论

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