一种冰脊龙骨非冻结模型及其制作方法与流程

1.本发明属于船舶与海洋工程领域立体模型技术领域，具体涉及一种冰脊龙骨非冻结模型及其制作方法。


背景技术：

2.随着船舶技术的发展，目前在北极海域的东北航道”和“西北航道”已经实现商业性通航，例如，北极东北航道又被称为“冰上丝绸之路”，这条航线比传统航线节约航程12天；但是北极海域的冰况也给极地船舶的航行带来了许多的挑战和困难，在北极区域，冰脊是一种常见的海冰，冰脊的形成过程是由于在风浪流的作用下冰层发生断裂，两个断裂冰层之间的相互作用后再冻结所形成。冰脊是船舶在极区航行的主要障碍，也是极地船舶航行所遇到的最困难情况之一。
3.如图1所示，冰脊主要包含帆高、固结层和龙骨三部分，周围是平整冰。对于海洋平台、极地船舶、桥梁等海洋结构物而言，对冰脊作用的载荷进行准确的预报是海洋结构物特别是极地船舶设计的重要基础。冰脊的龙骨部分由离散碎冰堆积冻结而成，内部充满碎冰块、空气、水及杂质，其力学性质较平整冰、碎冰、浮冰等冰体更加复杂，并且冰脊龙骨部分结构较大，冰脊龙骨部分模拟的好坏成为预测冰脊载荷的关键点，也是难点。
4.国际上一般使用低温模型试验的研究方法制备冰脊，将碎冰堆积在一起制成低温冻结模型冰脊，由于这种碎冰块堆积的冰脊制备技术难度很大，也很难控制其精度和达到所需要的参数，并且价格昂贵。与低温冻结模型冰相比，非冻结模型冰的突出优点是不需要低温环境，并且制备成本低，材料可重复使用和环保。因此，非冻结模型冰已在平整冰、碎冰等领域应用，但是在冰脊模型试验方面，尚未有比较完善的模拟方案。
5.公开文献1：分层流体中冰脊拖曳力的数值模拟研究中，采用了有机玻璃构成的直角三角形作为冰脊模型，用于模拟研究分层流体中冰脊拖曳力，但是这种简单的冰脊模型并不适用于其他模拟研究，例如在冰脊碰撞试验模拟的情况下。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明开发出一种冰脊龙骨非冻结模型及其制作方法，从而使其主要力学性质满足规定缩尺比下的多种冰脊试验需求。
7.第一方面，本发明提供了一种冰脊龙骨非冻结模型，包括采用聚丙烯或聚乙烯材料制备的若干不同形状的材料块、石蜡；所述不同形状的材料块用于模拟不同形状和大小的碎冰；所述石蜡用于将所述碎冰模随机粘连。
8.优选的，所述冰脊龙骨非冻结模型中各组成成分按照体积占比分别为，材料块：70％
‑
80％、石蜡：20％～30％。
9.进一步的，极地冰脊龙骨部分常常会掺杂一些非冰物质，包括空气、水、雪、泥沙等，为了模拟这类冰脊，所述冰脊龙骨非冻结模型还包括杂质，所述杂质任选可包括一种或者更多种选自少量的粉末物、少量的水和少量的发泡剂；所述杂质用于模拟冰脊龙骨中的
非冰成分。优选的，所述冰脊龙骨的非冻结模型中各组成成分按照体积占比分别为：材料块：70％
‑
80％；石蜡：19％～29％；杂质：0.9％～1％。优选的，所述粉末物为水泥粉末或泥土粉末。
10.优选的，所述发泡剂为聚氨酯发泡剂。
11.第二方面，本发明提供了一种冰脊龙骨非冻结模型的制作方法，包括如下步骤：
12.步骤s1：根据具体模拟场景和缩放比例，准备不同大小和形状的冰脊龙骨模具；
13.步骤s2：将聚丙烯或聚乙烯材料板材切割成矩形、正方形、三角形或不规则形状形成不同形状的材料块，将不同形状的材料块随机堆放到冰脊龙骨模具中；这里的高分子材料满足熔点高于160度，在石蜡溶液中可以保持原状的要求；
14.步骤s3：制备浇筑液，所述浇筑液主要成分为石蜡，石蜡密度与海冰密度也非常相近，在沸水中加热固体石蜡使其全部融化为液态，为了模拟冰脊中的杂质，再加入少量的杂质，所述杂质一般不超过1％，搅拌均匀。
15.步骤s4：将所述浇筑液缓慢均匀注入冰脊龙骨模具中，静待石蜡溶液逐渐凝固，放置1小时后，脱模取出冰脊龙骨非冻结模型。
16.优选的，步骤s1中，所述冰脊龙骨模具为可拆分冰脊龙骨模具，以方便冰脊脱模。
17.优选的，步骤s2中，所述高分子材料优选聚丙烯材料，因为聚丙烯的密度与天然海冰密度相近。
18.本发明的一种冰脊龙骨非冻结模型利用聚丙烯或聚乙烯模块、石蜡两种材料作为主要的模型冰制备原料，同时也可添加一些其他的辅助试剂，例如水、水泥和发泡剂等可用于模拟不同纯度条件的极地冰脊龙骨；聚丙烯或聚乙烯模块用于模拟碎冰，石蜡用于模拟碎冰之间的冻结作用，添加的辅助试剂用于模拟冰脊中的水及杂质，冰脊龙骨非冻结模型的密度、强度等力学性质，完全可实现极地冰脊龙骨的力学模拟功能，可用于冰脊碰撞试验模拟；且用于冰脊龙骨非冻结模型的这些原料来源广泛，易于获得，成本较低；
19.本发明的一种冰脊龙骨非冻结模型的制作方法首先通过将聚丙烯颗粒制备成不同厚度尺寸的聚丙烯板，然后按照不同试验的不同要求将其切割成不同尺寸的矩形、三角形和不规则图形；制作方法简单，且易于实现规模化加工，把不同百分比的聚丙烯模块随机放入冰脊龙骨模具中；然后用电热熔炉将固态石蜡原料融化，石蜡融化后将其溶液倒入不同形状规格的冰脊龙骨模具中，然后让冰脊龙骨模具在室温下自然冷却后，形成冰脊龙骨非冻结模型，这里采用的石蜡融化所需温度并不高，且在常温下冷却快，整个制作过程简单易操作。
附图说明
20.图1为背景技术中所述典型极地冰脊结构图；
21.图2为本发明所述冰脊龙骨模具结构示意图；
22.图3为本发明具体实施方式中所述测量冻结强度的压缩小样示意图。
具体实施方式
23.以下结合具体实施案例，对本发明进行详细说明。
24.实施例一
25.一种冰脊龙骨非冻结模型及其制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
26.步骤s1：根据冰脊龙骨非冻结模型尺寸，制作可拆分冰脊龙骨模具，以方便冰脊脱模；
27.步骤s2：将厚度为20mm的聚丙烯板切割成尺寸为70mm
×
40mm矩形和50mm
×
50mm等边三角形，随机放入模具中，其中矩形含量85％，三角形含量为15％。
28.步骤s3：制备石蜡溶液，石蜡密度与海冰密度也非常相近，在沸水中加热固体石蜡使其全部融化为液态，为了模拟冰脊中的杂质，加入1％水泥，搅拌均匀；
29.步骤s4：将石蜡溶液缓慢均匀注入冰脊龙骨模具中，静待石蜡溶液逐渐凝固，放置1小时后，将膜具拆分开，取出冰脊龙骨非冻结模型。
30.对实施例一制备出的冰脊龙骨非冻结模型进行物理力学性能的验证，并与极地冰脊龙骨进行对比，以证明性能是否能够达到冰脊的要求；以冰脊龙骨非冻结模型与极地冰脊龙骨的几何缩尺比为1:40举例，进行冰脊龙骨非冻结模型的制备与物理力学性能的验证。
31.这种缩尺比下冰脊龙骨非冻结模型的基本尺寸和力学特性要求如下表所示。
32.表1：冰脊龙骨非冻结模型的尺寸和力学特性
[0033][0034][0035]
为了测量冻结强度，首先制作压缩小试样：采用20mm厚度聚丙烯板，切取尺寸为20mm
×
50mm
×
125mm的聚丙烯板块；然后再将该板块进行45
°
切割，形成两块，如图3所示；最后融化石蜡，将两块聚丙烯板粘结在一起，按照如上步骤，制作6个小样。
[0036]
采用微机控制万能试验机对6个小样进行单轴压缩强度试验，由试验设备自带的传感器记录压缩过程中的压力和位移，最终得到的压缩强度值即为冰脊龙骨非冻结模型的
冻结强度值，试验结果如下表所示。
[0037]
表2：非冻结模型冰6个小样冻结强度测量值
[0038]
序号123456冻结强度(kpa)0.9120.9350.8920.9550.9450.928
[0039]
6组试验中所测得的模型冰的冻结强度值，符合理想冰脊冻结强度的要求范围0.35～1.25kpa。
[0040]
为了测量冰脊龙骨非冻结模型龙骨粘聚力，采用实施例1中的冰脊模型进行测量。
[0041]
模型冰要实现冰力学模拟功能，要求密度同天然冰一致，这里采用质量除以体积法计算密度值，密度值在0.90～0.92g/cm3范围内，与天然冰密度(0.917g/cm3)相近，满足物理模拟相似准则的要求。
[0042]
采用微机控制万能试验机对冰脊龙骨非冻结模型进行压缩试验，由试验设备自带的传感器记录压缩过程中的压力和位移，得到压力
‑
位移曲线。同时采用非线性有限元方法对冰脊龙骨非冻结模型压缩试验进行数值模拟，其中对冰脊采用mohr
‑
coulomb材料模型，材料屈服面为
[0043]
τ＝c σtan(φ)
[0044]
式中τ为材料剪切屈服强度，c为粘聚力，σ为正应力，φ为内摩擦角。数值模拟结果以试验得到的压力
‑
位移曲线为衡量标准，内摩擦角取30
°
，从而得到粘聚力值为0.32kpa，在0.12～0.36kpa范围内，满足冰脊力学性能要求。
[0045]
综上所述，冰脊龙骨非冻结模型所测得的冻结强度、密度、粘聚力均在理想模型冰脊物理力学性能要求范围内。