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基于淡水中冰块与浮动钢结构碰撞实验室实验
摘要
船舶在与浮冰碰撞时所受的损伤属于能量共享状态——冰和船舶都通过非弹性变形耗散能量。目前对于这一情况的物理性质的研究还比较匮乏，因此关于共享能量碰撞试验条件的经验是有限的。本文的目的是提出在某一实验的情况下，研究受影响的结构所经历的永久变形及冰块的失效。本文介绍了淡水粒状冰块对加筋钢板的一系列实验室冲击试验，并对主要试验结果进行了分析和总结。
1.引言
人们对在极地水域作业的船只的关注度越来越高，而船只与浮冰的碰撞是不利极地水域船只受损的主要原因(Snider 2012)。船舶与冰山的碰撞会造成船体破裂(Hill 2005)，也会导致冰的局部受力状态，这可能反过来增加冰的破碎强度。因此，对于船舶设计很重要的是进一步了解船体与浮冰的碰撞，这是由于碰撞力可能上升并超过设计规范中目前规定的载荷。
传统的冰与船体结构的碰撞分析方法是基于能量守恒原理。例如，在船体与浮冰进行掠射或正面碰撞的情况下，标准假设是在接触区域内压缩破碎的浮冰会失效中，并且破碎冰所消耗的能量对应于减少碰撞前后船舶和冰的综合动能（e.g. Popov et al. 1967; IACSrsquo;Unified Requirements 2011). 在海上工程中，这种方法通常被称为强度方法（NORSOKN-004 2013）。根据这些假设下，总受力取决于冰的变形。接触压力的局部应力由总碰撞力的分布确定。过去曾进行过几个实地项目，以测量全尺寸冰碰撞相互作用中的冰体压力，载荷和运动。(Varsta and Riska 1982; Ghoneim and Keinonen 1983; German and Milne/VTT 1985 via Daley et al. 1986; Duthinh et al. 1990;Bruneau et al. 1994; Ritch et al. 2008)。获得的实验数据可用于验证强度方法中的参数。
作为评估冰与船体结构碰撞的替代方法，可以使用所谓的延性方法和共享能量法(NORSOK N-004 2013)。这些是分析船舶和船舶以及船舶与海上结构物碰撞的常用方法(Paik 2007; Zheng et al. 2007; Pill and Tabri2011; Zhang et al. 2015)。延性方法假设冰特征是无限刚性的，并且由塑性变形船结构消耗的耗散能量对应于船舶的总动能和碰撞前后的冰的变化。共享能量方法假设冰和船舶结构都经历有限的永久变形，并伴随瞬间较弱的结构变形。对于对船舶造成重大永久性损坏的船冰碰撞，最有可能采用共享能源法。受碰撞船舶局部将首先粉碎尖锐的冰突起。 随着接触面积的增加，来自冰的力强度将导致船体结构的非弹性变形。共享能量分析具有挑战性，这是因为需要了解冰和钢的本构行为。 冰和结构的响应相互依赖。
广泛的文献综述（Kim and Amdahl 2013）表明，与其他两种可能情景相比，大型浮冰体与船舶（或海上结构物）之间碰撞的共享能量法尚未得到很好的研究。直到今天，在现场和实验室中仅进行了一些涉及结构非弹性变形的浮冰与船体结构相互作用的实验研究。最早的共享能量法实验之一是在1990年Hobson#39;s Choice Ice Island的现场测试项目中进行的，其中扁平压头以恒定速度推向冰楔。实验设置的细节可以在Masterson等人的文章中找到（1993）。已经进行和发表的另一个实验是准静态实验室测试(Manuel et al. 2013, 2015)，其中冰锥被缓慢推向钢结构。另外，一些实验对测试结构造成意外损坏（例如Tuhkuri（1993）描述的那些实验）。过去已经记录了冰块与船舶之间的许多能量共享碰撞(Varsta and Riska 1982; Hill 2005)。然而，关于船体损坏程度和导致损坏的相关冰特征的可用信息相当少，并且缺少诸如冰几何形状及其强度的重要细节以更深入地研究该问题。因此，需要对这些常见的全尺度情景进行实验研究。
事实上，只有少数关于共享能量冰结构相互作用的实验已被执行和发表，这不仅表明对共享能量方法缺乏关注，而且还表明为了获得有意义的数据而按顺序设计测试计划和测量系统的难度。Masterson和Tuhkuri等人提供的数据，可用于共享能量冰结构碰撞模型的验证，而Manuel等人的数据缺乏对初始参数和主要结果的定量描述（测试结构的几何形状，产生的结构变形，载荷 - 位移曲线等）。
本文提出的研究的动机是目前缺乏有关测试结构碰撞能量共享的公开信息; 考虑到能量共享是与船舶损坏全面碰撞的相关制度。到目前为止，所有能量共享实验都是在干燥条件下以恒定加载速率进行的。本文重点研究能量共享体系中水—冰结构相互作用的实验方面。强度方法和延性方法的实验方面可以在别处找到（Duthinh et al. 1990; Lindholmet al. 1990; Gagnon 2004;Gagnon 2008; Alsos and Amdahl 2009）。
本文重点介绍了共享能源碰撞实验室测试活动的主要发现和经验教训。 已经证明，在实验室条件下，即使在水中，也可以实现冰块和浮动结构之间的共享能量碰撞。
论文的布局如下：第2节描述了实验计划，第3节和第4节介绍了主要的测试结果及其分析，其中数值模拟的结果与实验相关。最后，提出了综合实验室测试结果和数值模拟的讨论和结论。
2.实验
一项开展的实验室测试活动可以提供共享能量碰撞建模的经验，并支持全尺寸结构碰撞情景的测试程序的开发。实验重点在于冰山的冰块（淡水颗粒冰）与静止的结构之间的相互作用。实验方法，设置和仪器在以下小节中描述。
2.1.实验方法
这些测试没有按照任何相似法进行缩放。实验使用了钢结构，实验室使用的冰不是典型的模型级冰，而是淡水颗粒冰——这种冰的强度有显著的提高。水动力相互作用的建模超出了本研究的范围，因此，重要的特点如下：
（1）撞击时的冰的行为应代表淡水颗粒冰的行为。
（2）冰块应足够结实并具有足够的惯性，以使钢结构永久变形。
（3）钢板的尺寸应能承受冲击过程中的永久变形。
2.2.测试计划
测试在40米times;40米的Aalto冰罐设施中进行，该设施的深度为2.8米。图1和2给出了实验装置的示意图和照片。
使用绳索系统（参见图1）将约900kg的冰块拖入专用目标（约7.5吨），速度为1.0和2.0m / s。通过转向绳控制冰块的横向运动以获得对目标的直接影响。在每次测试之前，使用辅助绳索（参见图1（a）中的平面图中的白色绳索）来定位冰块。将冰拖到图2所示的结构上。
拖曳试验使用以下程序进行：使用辅助绳将冰块手动定位在所需位置。选择该位置以使Y-托架（图1（a））达到所需的稳态速度并启用 冰块到达指定的撞击位置。 冰块由转向绳控制，以确保撞击发生在目标结构的中心附近，并且鱼尾运动最小。 V型牵引方案（图3）用于防止冰钩碰到被撞击的结构。
图1.实验配置的示意图。
图2.测试装置的照片：（1）冰块，（2）撞击目标和（3）牵引绳; 箭头表示牵引装置的方向; 冰箱中的水温大约为0°C。
图3.牵引装置的侧视图和平面图示意图。
2.2.1受撞击的结构
图4显示了被撞结构的几何形状。如图4（a）所示，被撞结构由用螺栓固定在HEB梁上的加强板（图4（b））组成，HEB梁焊接于一个系泊浮子上。图4（a）右上角列出了带有12 mm面板的浮子的压载负载条件。如图1（a）所示，浮子用4根10-16mmtimes;聚酯系泊绳系泊。系泊线的一端连接到浮子的底角，另一端连接到水槽壁（X-滑架的轨道）。所有的线路都在中跨处配备了20千克的重量，以提供柔软的系泊响应，力量很小，直到浮子有明显的摇摆和浪涌位移。因此，软系泊装置不会影响测量的冲击载荷或速度，而是影响浮子在撞击后的运动。
使用四个不同构造的钢板来模拟冰块和结构之间的所需相互作用。测试板不是任何特定船舶结构的比例模型，而是在给定实验中表现类似于船舶结构的代表性面板。 规模（以下）。 图4（c）显示了受影响面板的平面图，突出显示了面板的不同结构元件。 结构元件的尺寸（即板厚，加强筋间距和框架间距）基于以下考虑因素：
（1）冰压均匀分布在stimes;s加载补片上（s表示加强筋间距）。
（2）中小尺度淡水冰压缩实验数据用于估算stimes;s接触区内的冰压。
（3）板条类比用于预测永久变形的发生。
（4）三种不同的数值方法用于预测碰撞事件中的结构变形。 这些包括简化的非线性静态分析，准静态（位移控制）分析和动态（速度控制分析）。 有关详细信息，请参阅Kim等人（2012b）。
面板的整体尺寸为1.1times;1.3米。 该面板由六个横向扁平加强筋和两个纵向扁钢框架支撑，如图4（b）和4（c）所示。 表1列出了面板参数。
图4.受影响的结构：（a）与浮子的连接，尺寸以米为单位（浮子压载条件包括面板D）；（b）照片；（c）尺寸（所有尺寸均以毫米为单位）。
2.2.2冰块
冰山的冰块以颗粒状结构为主，其盐度低或无盐度。通过模仿这些条件,冰块在塑料容器生产平面尺寸为1.0times;1.2米和0.9米的高度。容器里装满了碎冰和水。为了便于标本的搬运，一根螺纹金属杆被冷冻在冰中。两端带有带眼螺母的螺纹杆为在冰的提升和拖曳过程中使用的绳索系统提供连接点。总共10个集装箱装满了商用碎冰。碎冰是从第三方公司订购的，大小约为10-40毫米(图5(a))。随后，从底部加水，以避免空气滞留。容器中装满了水和碎冰的混合物, 并存储在-20◦C完全冻结(图5(b))。在大约0.4米和0.1米深的冰层中，有两个温度传感器监测冻结过程。然后冻结过程加快，通过在螺纹杆附近的冰中钻大约0.3米深的孔(由于多轴冻结)，冰中的内应力降低。这些洞使未结冰的水能够流到岩块的表面，释放一些内部压力。
大约花了5天的时间来完全冷冻样品。如果在冷冻过程中形成可见裂缝，在测试前24小时用淡水密封这些裂缝。
在测试之前，先检查冰块是否有裂缝和未结冰的水袋。若发现长裂缝可能危及冰块的完整性，则不使用冰块。固体冰块被切割成最终的测试形状(一个截断的棱柱)。图6展示了理想的几何形状和撞击试验中使用的典型冰块的照片。
图5.（a）用于填充容器的碎冰块。（在标尺上，数字较长的线条以厘米为单位，较短的线条以毫米为单位。）（b）装满碎冰和水混合物的容器照片。
图6.冰块的最终形状：（a）理想化的几何形状和（b）典型冰块的照片（网格线相距0.15米）。 通过从棱柱形冰块的角部切出八个大致相等大小的四面体来形成冰的最终形状（~1.0x1.1x0.9）。
图7.冰上的单轴压缩试验（方框F）：力历史记录和最大力时的接触压力分布（由触觉压力传感器测量）。
2.2.3单轴载荷下的抗压强度
用从人造冰块中提取的试样进行单轴压缩试验。每个标本都减少到一个棱镜的形状(大约5times;5times;15厘米)。每个冰块标本都要称重和测量。在0°C的环境温度和加载速度约为17毫米/秒下执行测试。图7显示了在最大受力时的典型受力过程和接触压力分布。
在单轴加载条件下，冰样品在脆性破坏模式下的密度为901plusmn;11kg / m3（表明平均孔隙率约为2％），抗压强度为0.80plusmn;0.10MPa。脆性破坏模式的特征在于冰破坏后负荷急剧下降。
2.2.4冰的微观结构
为了检查冰的微观结构是否损坏，从制造的冰块中产生薄切片。从在冰盆中回火的原始冰和冰中收集碎片（方框C）。 在检查它们的微观结构之前，将这些片储存在-10℃。 使用Kim等人描述的技术获得所有冰样品的薄切片。（2012A）。 图8（a）和8（b）显示了制造的冰的特写照片。
冰样本的内部结构没有表现出很大的纹理变化，除了最顶层的冰块（图8中未显示）。 所制造的冰在所有薄切片中相对均匀，颗粒尺寸在2到10mm之间变化。 主要发现直径为1mm或更小的气泡（见图8（a））沿着用于制造冰块的冰片的边界。
2.3仪表
每个冲击事件使用高速FASTCAM-APX摄像机和四个GoPro HD Hero 2摄像机从不同角度记录，如图1所示安装。此外，摄像机安装在右上方。浮动结构记录撞击区的倾斜角度视图，并提供关于撞击的偏心率和撞击前冰块的方向的附加信息。 高速摄像机安装在冰盆一侧，以每秒500帧的速度记录图像。
通过四个HEB梁中的每一个（图4（a）中表示为I-IV）传递的冲击力由三个单轴应变计（SG）测量，这三个单轴应变计沿着梁法兰连接在梁式法兰上并且以45°角连接到梁腹板中性轴。
动态运动单元记录了浮子和附加的加强板的加速度和角速率。使用数据采集系统以523Hz的采样频率记录应变，加速度和角速率，这是该设备可能的最高采样频率。该系统确保应变和加速度测量同步。
除拖曳试验外，还在干燥条件下进行了两次跌落试验。可以在Kim等人的文章中找到关于跌落试验的详细描述（2013年）。这些测试说明了在没有流体动力学效应的情况下加强的冰块的板相互作用。在跌落试验1中，将一个706公斤的冰块从0.5米的高度落到面板B上，在跌落试验2中，将一个601公斤的冰块从3.0米的高度落到面板C上。在跌落试验1中，撞击前的冰块的动能和形状类似于2.0m / s的水中冲击试验的动能和形状。 在1号跌落试验中动能约为3.5千焦耳，对于8号和9号冲击试验的动能约为2.7千焦耳和2.6千焦。增加的质量系数0.5用于计算在水中撞击前的动能，并且在与巴斯和森（1986）报道的观点达成一致。
在每次测试之前和之后手动记录板变形。通过使用柱塞式刻度盘在平坦，无振动的表面上进行板表面轮廓的读数。计算板
资料编号：[3910]
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