王川 叶柔柔 刘志慧
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（20CX02320A）；NSFC-山东联合基金重点项目（U2006226）；中国石油大学（华东）教学改革项目（CM2022013）
第一作者简介：王川（1987-），男，博士，讲师。研究方向为海洋结构物环境载荷与结构物强度。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.015
摘 要：针对难以开展冰载荷测量的实验难题，设计一套碎冰与圆柱结构相互作用的力学实验方案。制备非冻结模型冰，以微小力传感器为数据采集工具，利用波流水槽开展碎冰与圆柱结构相互作用的力学实验。实验测试不同冰速下的碎冰载荷，对冰载荷实验的现象，冰力特性以及数值精度进行分析。通过与文献结果对比，该实验方案测试所得冰载荷幅值吻合良好，呈现载荷分布的离散现象，展现碎冰与结构的翻转、旋转、堆积现象，为碎冰载荷的技术研究及分析预报奠定基础。
关键词：冰载荷；圆柱结构；微小力传感器；实验设计；碎冰载荷
中图分类号：P752 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）12-0063-04
Abstract： A mechanical experimental scheme was designed to address the challenge of difficult ice load measurements. A non-frozen model ice was prepared， and a wave flume was used with miniature force sensors as data acquisition tools to conduct mechanical experiments on the interaction between fragmented ice and cylindrical structures. The experiments tested the ice loads under different ice velocities and analyzed the phenomena， ice force characteristics， and numerical accuracy of the ice load experiments. By comparing the results with the literature， the experimental scheme demonstrated good agreement in terms of ice load amplitude and revealed the discrete distribution of loads. It also presented the flipping， rotating， and stacking phenomena between fragmented ice and structures， laying the foundation for the technical research， analysis， and prediction of ice loads.
Keywords： ice load; cylindrical structure; miniature force sensor; experimental design; breaking ice load
冰载荷是制约高纬度海域海工装备结构安全的控制载荷，是海工结构抗冰强化设计的重要输入条件[1-5]。海冰与结构作用特性复杂，载荷随机特性强。随着南北极地科考任务的增多，极地海洋结构物强度受到了冰载荷的威胁与挑战。层冰与碎冰是两种较为主要的海冰作用形态，学者对层冰的研究较多，同时开展了相应的数值以及实验研究，并取得了若干成果，受限于低温实验设备[6]，以及碎冰形态的差异性，碎冰对结构的影响受到了诸多制约。碎冰对结构的影响如堆积、旋转、摩擦等效应对结构的威胁尤为突出，因浮冰作用而导致的平台倒塌安全事故均有发生，碎冰与结构的相互作用的实验与数值研究是当前面临的难题。
杨彩虹等[7]构建SPH冰-水两相流模型，对小尺度碎冰和海水混合环境下直立圆柱结构的冰载荷特性进行研究，得到了碎冰载荷与结构尺寸、碎冰厚度及密集度之间的关系。刚旭皓等[8]利用非冻结模型冰开展某型破冰船在不同速度、密集度下的极地船舶阻力试验，在此基础上，利用实船换算方法，对船舶在不同航速及密集度下的碎冰阻力进行了预报。Luo等[9]基于CFD-DEM耦合方法来计算某型冰强化巴拿马散货船在碎冰通道中的船舶阻力。Wang等[10]基于有限元方法，利用弹塑性模型研究了散货船在碎冰环境中的载荷作用，获得了冰块的压力分布。从国内外研究现状可知，对于碎冰载荷的研究，以数值方法为主，对相应实验验证还存在较大的空缺，如何开展碎冰载荷测量实验，分析碎冰与结构作用特性，对加强对碎冰载荷的研究预报具有重要意义。
本文基于模型相似准则，利用非冻结模型冰，以微小力传感器作为数据采集工具，利用波流水槽开展了碎冰与圆柱结构相互作用的力学实验。实验结果表明，该方案测试换算所得冰载荷在幅值上与数值模拟结果吻合良好，并展现了碎冰与结构作用的实验现象。
1 实验概况
碎冰与圆柱结构相互作用实验在中国石油大学（华东）波流水槽采用非冻结模型冰进行。
1.1 实验原理及系统设计
1.1.1 实验原理
碎冰载荷与结构作用以碰撞力及摩擦力为主。因此，在对竖直圆柱模型进行实验测试以研究冰载荷时，重点在于模拟破碎冰对结构产生的冲击载荷，并探索结构冰载荷与浮冰速度之间的相关性。聚乙烯具有与真实海冰相当的强度[6]，可用作与结构相互作用的模型冰的材料。根据结构尺度，实验模型被分为多个尺寸。
为分离破碎冰载荷对圆柱结构的影响，必须确定作用于结构上的流体载荷的各个组成部分。因此，首先在冰与无冰环境中进行单独的模型实验，然后进行数据处理以区分破碎冰载荷。
成功制备了模型冰后，实验过程可以分为3个主要部分：①实验模型的安装、传感器的校准和测试系统的调试。②产生受控流动，以评估在不同流速下对圆柱结构施加的流体载荷。③在存冰的工况下，模型冰伴随水流动，并与结构接触。
针对每个工作条件进行多次实验，以确保数据采集的稳定性。图1展示了实验系统及其相关设备。
注：1-微小力传感器；2-传感器连接固定装置；3-摄像机；4-多普勒流速仪；5-钢管（用于限制石蜡模型冰四处飘散）；6-模型冰；7-防漂移纱网；8-造流仪、水槽。
图1 海冰模拟实验布置简图
1.1.2 实验设备
本实验使用的主要仪器设备及部件如下。波流水槽，长度×宽×深=40 m×1.2 m×2.5 m，以及YTCL3005L型微小力传感器，LSH10-1S超声波多普勒流速仪，摄像机，传感器连接固定装置，防漂移纱网，热熔箱和模具等。
1.1.3 实验样品
聚乙烯颗粒制作模型冰，直径为10 mm的圆柱钢管。
1.2 实验步骤
1.2.1 模型冰制备
采用加热炉将石蜡颗粒融化，石蜡溶液倒入模具中冷却，得到石蜡块。将冷却好的石蜡块取出，将其切割成实验所需大小，即完成石蜡模型冰的制作，如图2所示。
图2 模型冰制备
1.2.2 实验系统搭建
在波流水槽上，结合预计的碎冰密集度，将模型冰置于水槽中，将微小力传感器与钢管通过连接件固定，调节钢管位置，使其置于碎冰浮层中心位置，如图3所示。
图3 碎冰冰载荷实验系统实景
1.2.3 实验数据采集
通过造流机造流，移除浮冰拦网。浮冰随流速向钢管处漂移，通过传感器采集冰-柱作用载荷，并用流速仪测定对应流速，浮冰完全通过钢管区，单次实验结束。往复多组流速工况。
1.3 实验工况
本文研究对象为极地平台立管结构，直径约为55 cm。基于实验设施及材料尺度，模型缩尺比为55，碎冰阻力实验取70%密集度，实验冰速为0.2 m/s，碎冰域内冰块随机分布。进行模型实验同时遵循佛汝德相似准则和柯西相似准则，实验数据与实际工况对应数据见表1[11]。
表1 工况数据
2 实验数据处理方法
2.1 冰载荷提取
通过对无冰环境下的实验数据的综合分析，统计得到流体作用平均载荷。在此基础上，对有冰环境载荷进行整体偏移调整，获得碎冰载荷作用力，以此可较为准确地理解和评估结构在碎冰条件下的受力情况。
2.2 碎冰载荷统计值计算
为统计冰载荷的随机特性，借鉴有义波幅的统计方法，引入三一有义冰载荷及十一有义冰载荷，通过统计各周期的碎冰载荷幅值，对其进行数值排列，选取冰力幅值的前三分之一及十分之一均值以确定冰载荷的特征值。
依据公式（1）对冰载荷进行无量纲化，得到碎冰载荷阻力系数。
依据三一有义值以及十一有义值进行统计分析，通过相似定律换算，得到冰载荷的特征统计值见表2。
表2冰载荷统计值
3 实验结果的分析与讨论
3.1 实验现象
图4为70%碎冰密集度在对碎冰-圆柱结构相互作用的实验现象。通过观察，可获得碎冰与结构的如下作用形式。
1）冰块碰撞：碎冰环境中，冰块之间以及与结构的相互碰撞是最为常见的力学过程。冰块之间的碰撞会产生冲击力，导致结构承受具有一定惯性的碎冰载荷。
2）冰块摩擦：碎冰环境中，冰块与结构表面之间会发生摩擦。这种摩擦力会对结构施加额外的荷载，该载荷与碰撞压力、摩擦速度有关。
3）冰块堆积：碎冰环境中，冰块会在结构周围发生堆积，进而作用在结构上。这种堆积会增加结构的受力面积，导致碎冰载荷增大。
4）冰块的翻转：在结构法向作用力作用下，碎冰逐渐向下旋转，沉没，进而翻转。
以上实验现象如图4和图5所示。模型冰之间以及模型冰与结构之间的相互作用呈现较为明显的随机现象，与真实冰池的模型试验[12]相符合。
图4 实验现象总体图
图5聚集、摩擦、旋转、翻转现象
以上实验现象表明，碎冰环境下结构所受的冰载荷是复杂多变的，受到了冰块形状、速度、密集度及结构表面特性等多个因素的影响。对这些现象的深入研究可更好地理解结构在碎冰环境中的受力行为，并为结构设计和安全评估提供重要参考。
3.2 冰载荷特性分析
由于浮冰与圆柱结构作用形式的多样性，会导致产生随机冰载荷，同时碎冰区有覆盖和聚集的分布特性。
图6为实测碎冰载荷实验数据。由图6可知，碎冰载荷在24.4 s开始与圆柱结构发生碰撞，随着时间的推移，模型冰与圆柱结构的碰撞频次增加并逐渐达到峰值，平稳冰力峰值周期性持续近6.5 s。
图6 碎冰载荷随时间变化曲线
为确定碎冰载荷的作用周期，对测试数据进行相应处理，结果如图7所示。由图7可知，碎冰与结构的单次碰撞周期集中在0.08 s左右。碎冰载荷的特性呈现出一定的周期性和随机性。对于圆柱结构来说，冰载荷的频次和峰值都会随着时间的推移而变化，而单次碰撞的周期相对较短且集中。这与文献[13]所得结果一致。
图7 碎冰与圆柱结构碰撞周期分析示意图
3.3 冰载荷幅值计算
基于MATLAB筛选26～32 s稳定区间时域历程下的冰力峰值，如图8所示。
通过对幅值结果的无量纲处理，与文献[14]比较，见表3。由表3可知，三一值对比精度较好，误差为10.63%，十一有义值的误差为13.77%，最大冰力的误差较大，约为25.39%。结果存在差距的原因包含与碎冰的尺度，以及实验忽略的碎冰破碎载荷有关。通过文献对比，可知基于三一统计方法的模型冰载荷具有较强的指导意义。
图8 碎冰与圆柱结构峰值载荷示意图
表3 碎冰载荷与文献结果对比
4 结束语
本文设计并开展了一种基于非冻结模型冰开阵碎冰与圆柱结构相互作用的力学实验方案。通过测试分析可得如下结论。
1）基于聚丙烯作为模型冰材料进行的破碎实验表明，冰载荷呈现出显着的随机性特点，可反映碎冰与圆柱结构碰撞、聚集、翻转和摩擦等作用形式。这些实验观察结果与实际情况非常相似，并提供了一种更高效、更具成本效益的实验模型。
2）破碎冰与结构之间的阻力主要由碰撞阻力和摩擦阻力组成。通过使用平均阻力公式建立破碎冰阻力系数的统计值，进而快速预测特定结构的破碎冰载荷。
3）碎冰环境下的测试冰载荷，通过与文献结果对比，冰力均值精度良好。
综上所述，本文提出的实验方案降低了对实验条件的要求，节约实验操作时间，对碎冰载荷与结构相互作用的进一步研究具有积极的促进作用。
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