一种非冻结可破碎模型冰及其制备方法与流程

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本发明属于船舶工程技术领域，具体涉及一种非冻结可破碎模型冰及其制备方法。


背景技术：

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冰是自然界一种常见的物质，因其存在的广泛性，导致船舶与结构物在秋冬季节的高纬度地区会不断的和冰相互作用。随着南北极自然资源和能源的勘探两极冰盖变化加剧，人类在两极的活动会更加频繁，对破冰船破冰方式、破冰能力等的研究也不断增强。
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模型冰是对天然冰的模拟，主要用于结构物实验和流体实验，按其制作方式可分为冻结模型冰和非冻结模型冰。冻结模型冰通常是在水中添加化学成分在保证密度与天然冰相同的气体下，弱化模型冰的弹性模量、弯曲强度、压缩强度等力学性能；非冻结模型冰一般使用密度与天然冰相同的材料，按其破坏性质分为可破碎模型冰和不可破碎模型冰两种类型。不可破碎非冻结模型冰一般是单一材料(石蜡、聚乙烯、聚丙烯)，其力学性质主要是浮力和摩擦力系数与天然冰接近，保证了相同的浮力和摩擦力特性，但其不可破碎的性质限制了对断裂状态的模拟。可破碎非冻结模型冰由多种材料复合而成，拟补了不可破碎模型冰不能模拟裂纹扩展的缺点，同时满足浮力、摩擦力、断裂力等相似，使模型冰具有更好的力学性能。因此，设计出一种满足相似率的非冻结可破碎模型冰，对于提高船舶等海上结构物模型试验具有重要意义。


技术实现要素：

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本发明的目的在于克服现有常规拖曳水池中模型冰不可破碎，提供一种非冻结可破碎模型冰。
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本发明的目的通过如下技术方案来实现：采用硬脂酸作为基本材料，在其中添加聚乙烯颗粒模拟天然海冰的缺陷结构。
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本发明还可以包括：
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所述的聚乙烯和硬脂酸的比例为3:1，非冻结可破碎模型冰的三点弯曲强度为20-30kpa。
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本发明的目的还在于克服现有技术中可破碎模型冰制备过于复杂的问题，提供一种非冻结可破碎模型冰的制备方法。
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本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
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步骤1：将聚乙烯和硬脂酸按3:1的比例混合，硬脂酸和聚乙烯密度应尽量接近天然海冰密度，使用的聚乙烯为直径1mm的颗粒；
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步骤2：将混合后的材料倒入有加热功能的容器中加热至硬脂酸充分融化，在容器中加水并保证容器中加热温度不低于60℃；
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步骤3：将充分融化好的混合物倒入模具中自然冷却至固结，模具和模型冰之间加一层塑料薄膜防止模型冰与模具粘连；
[0013]
步骤4、将固结的非冻结可破碎模型冰布放在水池中，完成非冻结可破碎模型冰的制备，该非冻结可破碎模型冰的三点弯曲强度为20-30kpa。
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本发明的有益效果在于：
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本发明的非冻结可破碎模型冰可以在常规拖曳水池中使用，与冰水池中的冻结模型冰相比二者除了材料力学性质上没有本质差异，可以极大的降低了试验研究的成本。可通过三点弯曲试验可以得到不同硬脂酸和聚乙烯配比下的模型冰强度，可以实现不同比尺的模型试验。本发明使用的聚乙烯和硬脂酸两种材料与天然冰密度基本相同，因此可以保证模型冰与天然冰之间相同的漂浮特性。本发明的非冻结可破碎模型冰制备方法简单，采用融化后冷却的方式制作模型冰极大的降低了模型冰制作的难度，同时也降低了时间成本。
附图说明
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图1为本发明的非冻结可破碎模型冰结构示意图。
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图2为在制备非冻结可破碎模型冰的过程中非冻结可破碎模型冰的融化过程示意图。
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图3为在制备非冻结可破碎模型冰的过程中非冻结可破碎模型冰的冷却过程示意图。
具体实施方式
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下面结合附图对本发明做进一步描述。
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本发明涉及一种可用于船-冰相互作用试验的新型非冻结可破碎模型冰，尤其适用于常规拖曳水池的非冻结模型冰试验，经过试验研究表明主要力学性质满足规定缩尺比下的试验需求。属于船舶工程领域，可用于船舶与海洋工程和冰相互作用的模拟。
[0021]
本发明借鉴了dut-1非冻结合成模型冰的设计思路，均采用通用的在基本材料中添加塑料颗粒等杂质的方法模拟天然冰中的卤水泡或气穴来降低模型冰的强度达到满足模型试验的需要。但基本材料和制作方式有本质的不同，首先，本发明介绍的非冻结模型冰采用硬脂酸作为基本材料，在其中添加聚乙烯颗粒模拟天然海冰的缺陷结构；其次，在制备方式上二者也有明显差异，dut-1非冻结合成模型冰使用水泥和塑料颗粒作为基本材料加水混合制作而成，而本发明涉及的非冻结可破碎模型冰使用融化的方式将硬脂酸融化后冷却制成；最后在制作时间上本发明具有明显优势，在常温下冷却5小时左右即可用于试验模拟，极大的提高了试验效率。
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本发明的目的是为了克服现有常规拖曳水池中模型冰不可破碎问题和可破碎模型冰制备过于复杂而提供一种新型非冻结可破碎模型冰。
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本发明的目的是这样实现的：本专利通过总结船-冰相互作用时主要受力分析，总结适用的模型率，从而推导出的缩尺关系。
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表1主要物理量的比尺
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根据以上推导出的缩尺关系，以硬脂酸材料为基本材料，聚乙烯颗粒为掺入材料进行试验研究，具体形式如附图1所示。具体解决方案为：船、桨及其附体可以根据上表缩小到模型进行试验，同样的模拟对象天然海冰的强度也应按比例缩小到相应的数值。其中海冰的三点弯曲强度为500-750kpa，而硬脂酸三点弯曲强度为200kpa，需要降低其强度。可以通过在硬脂酸中添加聚乙烯颗粒的方式降低硬脂酸的强度，通过试验当二者比例为1:3是强度可以满足缩尺比为1:25的模型试验要求，此时非冻结可破碎模型冰的三点弯曲强度为20-30kpa。考虑到硬脂酸融化温度约为60℃，而聚乙烯颗粒融化温度约为200℃，可以通过在容器中加入适量的水来融化硬脂酸，如附图2所示。当混合物充分融化后，倒入模具中自然冷却约5小时，如附图3所示，有辅助降温设备的可以缩短冷却时间。
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与现有技术相比，本发明的有益效果是：非冻结可破碎模型冰可以在常规拖曳水池中使用，与冰水池中的冻结模型冰相比二者除了材料力学性质上没有本质差异。这意味着现有拖曳水池中进行船-冰相互作用试验，可以极大的降低了试验研究的成本。通过三点弯曲试验可以得到不同硬脂酸和聚乙烯配比下的模型冰强度，因此可以实现不同比尺的模型试验。由冰模型试验的模型率可以推到出模型冰需要与天然冰有相同的密度，本发明使用的两种材料与天然冰密度基本相同，因此可以保证模型冰与天然冰之间相同的漂浮特性。本发明中模型冰制作过程简单，采用融化后冷却的方式制作模型冰极大的降低了模型冰制作的难度，同时也降低了时间成本。
[0028]
附图1是新型非冻结可破碎模型冰结构的展示，其中圆圈为聚乙烯颗粒，用于模拟海冰的晶格，圆圈之间的缝隙为凝固的硬脂酸，用于模拟晶格之间的连接。附图2表示的是非冻结可破碎模型冰的融化制作过程，图中包括用于装材料和水的加热容器1、融化中的非冻结可破碎模型冰材料2、水3。附图3是非冻结可破碎模型冰的冷却过程图，其中非冻结可破碎模型冰材料2此时处于冷却状态，薄膜4用于防止模型冰与模具粘连，模具5用于材料的盛放和固定。
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该新型非冻结可破碎模型冰具体制备方法为：
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1、将聚乙烯和硬脂酸按比例混合，当二者比例为3:1时可满足缩尺比为1:25的模型试验，该模型冰制作时聚乙烯和硬脂酸的比例并不限于3:1，硬脂酸和聚乙烯密度应尽量接近天然海冰密度，本次使用的聚乙烯为直径1mm的颗粒；
[0031]
2、将混合后的材料倒入有加热功能的容器中加热至硬脂酸充分融化，在容器中加适量的水保证容器中温度控制在100℃，该温度控制最简单，硬脂酸融化温度约为60℃，所以最低加热温度不低于60℃；
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3、将充分融化好的混合物倒入模具中自然冷却5小时左右至固结，模具和模型冰之间加一层塑料薄膜防止模型冰与模具粘连；
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4、将固结的非冻结模型冰布放在水池中，完成模型冰制备；
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5、模型冰制备完成后取样进行力学性质测试，满足强度要求后进行相应的模型试验。
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在进行模型冰的力学性质测量时主要依据世界拖曳水池会议(ittc2002)推荐的测试程序，主要测量模型冰的压缩强度及弯曲强度。在进行压缩强度测量时，为方便加工及现场测试试件一般时边长h的正方体，其中h是冰的厚度，试验以一定速度进行，如30，10，3，1mm/s，抗压强度可以用下式计算：
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式中f为测量力，m为形状因素(圆形为0.9)，k为接触因子(0.4～0.7)，h冰厚度，b压头直径，ci常数，在冰水池中进行试验时需要记录的量有压头尺寸、测量的冰厚度、试验的位置、测量的时间、速度、测量负载、计算的抗压强度。
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弯曲强度试件尺寸为：l＝(5～7)*h，b＝(2～3)*h，测试方法有悬臂梁和三点弯曲测试，每次以相同的方式切割，加载速度约为1mm/s，三点弯曲测试的计算式为：
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式中f为加载力(测量的)，l为到加载点的距离，b为梁的宽度，h为冰的厚度，最后需要记录的量有梁的主尺度l、b、h、破坏载荷f、载荷-挠度随时间的变化曲线。
[0041]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。