冰沖擊荷載試驗研究

崔一諾， 張航， 盧鵬， 解飛， 王慶凱, 2， 李志軍

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

隨著全球氣候變暖，北極夏季海冰快速消融[1-3]，北極通航得到了廣泛關注，而破冰船的設計和安全航行則成為其中的關鍵工程問題。現有的破冰船一般常采用2種破冰方式：在冰層較薄的情況下，依賴大馬力的推進裝置配合，利用船艏或船艉使冰層發生彎曲破壞；若是遇上較厚的冰層，就會采用重力破冰法，即依靠大馬力的推進裝置使船體沖上冰面，依靠自身重量壓碎冰面。冰-船的相互作用過程覆蓋了較大的速度范圍，綜合國內外主要船型，冰-船相互作用的速度在1～9 m/s之間[4]。由于連續式破冰過程的速度較大，冰層破壞時相應的應變率很高[5-6]。傳統的材料試驗機如單軸壓縮、彎曲破壞試驗機在破壞速度方面已無法滿足試驗需求，為了更好地揭示船舶與海冰的碰撞機理，必須開展較高速度下的冰力學特性研究。

國內外對于海冰力學性質的研究多側重于抗壓強度和彎曲強度，陸續開展了單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗與簡支梁彎曲試驗，應變率一般在10-5-10-1/s[7-10]，而在破冰船破冰航行速度范圍內(1～9 m/s)對海冰進行的高速沖擊試驗則相對較少。Timco等[11]在室內對S1和S2型淡水冰進行了沖擊試驗(沖擊速度2≤V≤6 m/s)，發現平面沖擊頭對冰樣破壞最嚴重，而球形沖擊頭的峰值壓力與冰類型、速度和沖擊能量無關，揭示了最大沖擊荷載與加載速率的函數關系。Gagnon等[12]讓半球形沖擊體以自由落體的方式沖擊冰面(1.8≤V≤3.9 m/s)，發現峰值中心壓力隨著溫度的降低逐漸增加，且加載速率和峰值力歷時均與峰值力成正相關。Shazly等[13]使用霍普金森壓桿對直徑1.75 cm、高0.5～0.9 cm的圓柱體冰樣(單晶冰、多晶冰)進行了高應變率單軸壓縮試驗(壓縮速率2～10 m/s、應變率60～1 500/s)，觀察冰樣破壞形式，發現冰樣抗壓強度與應變率呈正相關(60～1 400/s)且抗壓強度隨溫度的降低有明顯提高，其與冰樣厚度以及約束條件無明顯關系。Kawakami等[14]用鋁、聚碳酸酯等不同材料制作沖擊體，使用槍型發射裝置在室內對冰體進行了高速沖擊試驗(110≤V≤680 m/s)，發現坑徑與剝落直徑(體積最大的沖擊碎片的直徑)之比大約為3，而坑深與剝落直徑的比值在0.1～0.3，并將坑洞直徑表示為后期有效能量的單一函數。Combescure等[15]對多晶冰和單晶冰進行了一系列高速“沖擊-破壞”試驗，使用超高速氣槍將不同形狀的冰試樣發射至鋼板上(60≤V≤120 m/s)，并利用高速攝像系統對動態斷裂現象進行了分析，得到了不同形狀、速度和角度的沖擊后冰體破壞形式以及碎片大小差異。

在上述已經開展的沖擊試驗中，速度較高的研究(V>100 m/s)多應用于航天以及天文學方向。對于Shazly等[13]使用霍普金森壓桿的試驗，雖然其壓縮速率(2≤V≤10 m/s)與船-冰實際作用速度較為貼近，但研究重點為冰樣的抗壓強度與溫度、應變率之間的關系且使用的冰樣為直徑1 cm的薄片，其大小和形狀無法很好地還原船-冰作用過程。Gagnon等[13]雖用天然冰進行了試驗，但其沖擊頭較為單一，無法很好地揭示不同形狀的沖擊頭對冰體破壞的影響。因此，有必要深入開展冰的沖擊試驗研究，在覆蓋船-冰相互作用的速度范圍的同時，還兼顧不同的船-冰接觸形狀對沖擊荷載的影響，最終揭示冰-船相互作用的物理機理，并服務于破冰船的設計與研發。作為冰沖擊試驗研究的第1步，于2019—2020年冬季在渤海遼東灣濱海湖進行現場試驗。通過測定擺錘撞擊冰樣瞬時的速度、荷載，觀察冰樣被沖擊后的破壞形式及裂縫樣式，驗證試驗設備和測試技術的可行性，并初步探索天然冰在沖擊作用下的力學性質和物理規律。

1 試驗方案

1.1 沖擊試驗設備

在綜合考慮試驗需求和現有設備性能的基礎上，本試驗在擺錘式材料沖擊試驗機的基礎上進行改進，使其擁有更大的沖擊速度并可搭載不同形狀的沖擊頭以及不同尺寸的冰樣。試驗采集的2個重要參數是冰樣對擺錘的荷載以及擺錘的速度，定義擺錘在最低點與冰樣發生碰撞之前的最大速度為試驗的沖擊速度V，所測得的最大荷載被認為是沖擊試驗過程中擺錘所受的沖擊荷載F。

如圖1所示，試驗設備由固定區和沖擊區2部分組成。沖擊裝置主要由高度調節裝置、角度調節裝置(角度范圍0～180°)以及擺錘組成，并可通過氣缸進行加速(速度范圍3.1～4.0 m/s)。高度調節裝置可以在豎直方向上微調擺錘的高度，保證擺錘在最低點與冰試樣充分接觸。角度調節裝置則可以改變擺錘的初始角度，達到改變擺錘初始角度從而改變沖擊速度的目的。若依靠擺錘自身動能仍無法達到指定沖擊速度，則可以依靠氣缸加速。在擺錘啟動時給予一定初速度，從而使得擺錘在最低點與冰樣相互作用時能達到更大的沖擊速度。冰樣固定裝置(即“夾具”)起到夾緊冰樣的作用，并在冰樣后方起到阻擋作用，防止其在沖擊過程中發生位移。試驗采用高速相機記錄碰撞全過程，用來分析和記錄冰體的破碎形態。相機最大拍攝速率為815幀/s，同時配以大功率的聚光燈，使相機能在低溫昏暗條件下拍攝穩定畫面。試驗裝置荷載傳感器(量程：10 kN，精度±0.01 kN和角速度傳感器(量程：100 rad/s，±0.1 rad/s)。荷載傳感器固定于擺錘上，其接觸面用圓形鋼板鉸接，用來測量平面沖擊荷載。角速度傳感器固定于擺錘的另一側，用來測量試驗過程角速度。考慮到撞擊過程的瞬時特性，試驗中數據的采集頻率設置為50 kHz。

圖1 冰體沖擊試驗機實物

1.2 現場試驗

本文冰樣采集點選取遼東灣濱海含章湖，湖水鹽度5～7‰，冬季最大冰厚為30 cm。試驗時間為2020年1月12—23日，采集冰坯后運至大連理工大學(盤錦校區)內進行加工處理。

冰坯采集后首先進行物理性質測量：將部分冰樣放入燒杯中，并密封放入室內，待其完全融化后，用鹽度計測量其含鹽量。同時，將另一部分預留的冰加工成10 cm×10 cm×5 cm的長方體，用電子秤測量其質量，再用游標卡尺測量其邊長得到體積，最后通過質量-體積法得到其密度。實測冰試樣的平均密度和鹽度分別為0.902 g/cm3、1.2‰。其余冰坯在較低氣溫的夜間加工成沖擊試樣(圖2)，以避免氣溫和太陽輻射對冰樣的影響。在冰樣加工完成后，在氣溫降低至-6 ℃左右時開始室外試驗。試驗過程中，使用溫度計對環境溫度進行連續測量。

圖2 冰沖擊試驗現場

1.3 試驗參數

由于冰沖擊試驗目前沒有通用的試樣尺寸標準，根據國際水利與環境工程學會建議的單軸壓縮試樣尺寸，試驗選擇7 cm×7 cm×17.5 cm冰樣進行測試，同時選擇尺寸為13 cm×13 cm×17.5 cm的冰樣作為對照，以初步探索沖擊試驗中存在的尺寸效應問題。

根據上文提到的冰-船相互作用的速度大致在1～9 m/s，試驗選取的沖擊速度應該覆蓋上述區間。但考慮到試驗裝置現階段能力以及人員安全，將本次試驗的沖擊速度V確定為1～4 m/s區間，分別取1.2、2.5、3.1、3.6、3.9 m/s等5種速度。由于氣缸加速設備的限制，在個別組次中沖擊速度存在小幅的偏差(不超過5%)。

為了確保沖擊試驗可以貼近船-冰碰撞的真實情況，同時考慮到本次試驗設備的限制，沖擊頭選擇為與船首形狀類似的規則形狀，分別是圓盤形(直徑D=7 cm，質量M=0.17 kg)、半球形(直徑D=3、5、7 cm，質量M=0.08、0.35、0.90 kg)、楔形(底邊長D=3、5、7 cm，質量M=0.08、0.35、0.90 kg)，同時定義上述沖擊頭的直徑或底邊長為其特征長度D，如圖3所示。

圖3 3種形狀的沖擊頭實物

在冰力學試驗中，通常需要考慮加載方向的影響。在破冰船實際破冰的過程中，垂直冰面方向與平行冰面方向沖擊的情況均有發生，由于試驗時間的限制，本試驗只選擇垂直冰面方向進行沖擊試驗。

本次試驗不同的變量組合為35種，針對2種不同尺寸的冰樣，各進行了90組試驗。對于上述不同的變量組合，每種組合重復試驗3次，若3次數值較為接近則以平均值為真實值；若2次數值接近，1次偏離較大則以數值接近的2次試驗平均值為真實值；若3次試相互偏離較大，則進行補充試驗。對于每一組次試驗，采集荷載和角速度的變化過程，并使用高速相機拍攝；撞擊結束后，再對沖擊后的冰樣進行拍照。

2 試驗結果及分析

在試驗過程中，沖擊頭以給定的速度接觸冰樣，在接觸持續時間內無外力施加，沖擊頭和冰樣之間交換能量和動量[16-17]。下面分別討論冰試樣截面尺寸L、沖擊頭形狀和特征長度D、以及沖擊速度V對沖擊荷載F以及冰樣破壞形式的影響。

2.1 冰式樣尺寸的影響

圖4以圓盤形沖擊頭為例給出了使用D=7 cm前端對2種不同尺寸的冰樣進行沖擊試驗后得到的荷載和速度的歷時曲線。從圖中可以發現，整個碰撞過程十分短暫，基本在2×10-3～3×10-3s內完成。從圖5中可以看到2種尺寸冰樣沖擊過程中荷載曲線的峰值分別為2 503、3 290 N，L=13 cm冰樣比L=7 cm冰樣所受沖擊荷載高出了近60%。荷載歷時曲線在沖擊過程中呈快速上升趨勢，直到峰值，整個過程約為10-3s，沖擊后則迅速下降。在L=13 cm冰樣的荷載曲線中出現了一個明顯的次峰，這是由于沖擊結束后沖擊頭反彈導致二次撞擊所致。速度曲線與荷載曲線的變化趨勢有所不同，沖擊過程中的變化趨勢并不明顯；但在沖擊結束后，速度迅速衰減。需要注意的是，荷載峰值與速度峰值出現的時間并不完全同步，存在10-3s左右的相位差，這正是冰樣與沖擊頭之間發生能量交換的時間[12]。使用其他形狀沖擊頭在不同速度下進行沖擊，得到的荷載、速度隨時間的變化趨勢與圖4類似。

通過觀察沖擊發生后冰試樣的破壞情況可以發現不同尺寸冰試樣的破壞形式差異巨大。對于D=L的情況，冰式樣基本完全破壞(圖4(c))；而D

圖4 D=7 cm的圓盤形沖擊頭在V=4.2 m/s時的沖擊過程曲線及冰試樣破壞形式

圖5給出了在其他沖擊速度下，不同截面尺寸冰試樣沖擊荷載的變化情況。從中可以看到，在沖擊速度較大(V>3 m/s)時，小截面冰試樣產生的沖擊荷載小于大截面冰試樣；而在速度較小(V<3 m/s)時，2種尺寸冰試樣的沖擊荷載基本相同。沖擊荷載的這種變化與冰試樣的破壞形式密切相關。低速條件下擺錘對2種截面均不能造成有效破壞，沖擊荷載即與截面尺寸無顯著關系。而高速條件下小截面試樣破壞得更加嚴重(圖4)，對應的沖擊荷載也相對較小，與Kawakami等[14]得到的結論吻合。

圖5 不同速度下2種尺寸冰試樣對圓盤形沖擊頭的沖擊荷載差異

2.2 沖擊頭形狀的影響

圖6給出了在相同沖擊速度下不同形狀沖擊頭對相同的尺寸的冰試樣得到的沖擊荷載，從圖中可以看到圓盤形沖擊頭的沖擊荷載明顯大于半球形和楔形沖擊頭，后兩者的沖擊荷載分別偏低42%和60%。

圖7給出了3種沖擊頭對大截面冰樣(L=13 cm)的破壞情況。可以看出在2.5 m/s的沖擊速度下，圓盤形沖擊頭只能在截面上留下微小的裂縫，而質量較大具有較大動能的球形和楔形沖擊頭則可以在一定程度上破壞試樣。球形頭可以將截面中心擊碎，并留下一條較深的裂縫，使冰樣的下半部分幾乎脫離。楔形頭的破壞則更為嚴重，直接將冰樣的上半部分破壞。小截面試樣的破壞情況與此類似。在破壞程度方面，楔形頭對應的破壞程度大于半球形(圖7(b)、(c))。同尺度的楔形與半球形沖擊頭質量一致，即在相同沖擊動能下楔形沖擊頭的破壞能力更強，所測得沖擊荷載也更小。但對于圖7(a)，由于同特征長度的圓盤形沖擊頭質量小于半球形與楔形，其動能也小于后二者，所以冰樣破壞程度更小。若加大沖擊速度使該沖擊頭的動能增大，其對冰樣的破壞程度將較圖7(a)增強，沖擊荷載也將較圖6增大，此時可參考圖4(d)及后續圖10(b)。綜上，不同的沖擊頭形狀導致了冰試樣不同的破壞情況；而推論在沖擊動能和試樣尺寸一致的情況下，沖擊頭形狀導致的冰試樣破壞得越嚴重，對應的沖擊荷載會越小。

圖6 D=7 cm的不同形狀沖擊頭在V=2.5 m/s試驗中得到的沖擊荷載

圖7 D=7 cm的3種沖擊頭在V=2.5 m/s沖擊速度下對冰樣(L=13 cm)的破壞情況

2.3 沖擊頭尺寸的影響

圖8給出了在相同沖擊速度下，不同沖擊頭尺寸對沖擊荷載的影響。可以看出半球形沖擊頭對L=7 cm冰樣的沖擊荷載隨著沖擊頭的增大而減小，從D=3 cm變化為D=5 cm時荷載減小約30%，而從D=5 cm變化為D=7 cm時沖擊荷載略有增大。半球形沖擊頭對于L=13 cm的冰樣，沖擊荷載隨沖擊頭尺寸的變化趨勢正好相反；在D=5 cm時沖擊荷載最大，D=7 cm時沖擊荷載最小，2種情況沖擊荷載的比值為3.05。楔形沖擊頭對L=7 cm冰樣的沖擊荷載隨沖擊頭尺寸變化不明顯；對L=13 cm的冰樣，D=5 cm和7 cm這2種情況測得的楔形沖擊頭沖擊荷載比值僅為1.04，遠小于半球形的情況。

圖8 不同尺寸沖擊頭在V=2.5 m/s試驗中得到的沖擊荷載

冰樣的破壞與沖擊頭與冰樣的相對尺寸D/L以及沖擊時的動能有關。D=3 cm的半球形沖擊頭無法對L=7 cm冰樣造成較嚴重的破壞，而5 cm和7 cm的沖擊頭擁有更大的動能，可以對冰樣可造成十分嚴重的破壞，測得的沖擊荷載要比D=3 cm的情況小。對于L=13 cm的冰樣，其抗沖擊能力較強，故在D=5 cm時，其依舊保持結構的完整性，可以測得比D=3 cm時更大的沖擊荷載。圖9給出了3種尺寸的楔形沖擊頭在2.5 m/s的速度下對L=13 cm冰樣的沖擊破壞情況。沖擊速度及截面尺寸相同時，沖擊頭尺寸越大，沖擊的動能越大，其對冰樣的破壞性更強。7 cm楔形沖擊頭可以明顯破壞冰樣，而5 cm、3 cm尺寸的沖擊頭只能在表面留下坑印，5 cm楔形沖擊頭留下的坑印比3 cm的更深更長。

圖9 3種尺寸楔形沖擊頭在V=2.5 m/s的速度下對L=13 cm冰樣的沖擊破壞情況

2.4 沖擊頭速度的影響

圖10給出了尺寸相同沖擊頭(D=7 cm)的沖擊荷載隨沖擊速度的變化趨勢。在該情況下，沖擊速度即代表沖擊頭的動能。從圖中可以看出，對于小截面尺寸冰試樣，圓盤形沖擊頭的荷載隨速度增大有明顯的上升趨勢，且其荷載也遠大于半球形和楔形沖擊頭(圖10(a))。顯然，隨速度的增大，擺錘的動量也隨之增大，在其與冰樣接觸時間幾乎不變的情況下，對冰樣的沖擊力也會增大。對于大尺寸試樣(圖10(b))，半球形和楔形沖擊頭的荷載隨速度增加的趨勢比圖10(a)更加明顯。如前所述，這是因為大尺寸冰樣承受沖擊破壞的能力強于小尺寸冰樣而破壞程度較低，所以測得的沖擊荷載更大且上升趨勢更加明顯。但是，圖10(b)中半球形和楔形沖擊頭的沖擊荷載隨速度的增大到一定程度后有明顯減小的趨勢，荷載峰值出現在V=3.1 m/s附近。觀察沖擊后冰樣破壞情況可發現：在速度小于3.1 m/s時，冰樣破壞并不明顯，此時測得的荷載為非破壞荷載；而速度超過閾值后，冰樣會發生嚴重破壞，此時測得的荷載為破壞荷載，數值上小于非破壞荷載。

圖10 沖擊頭尺寸相同(D=7 cm)條件下沖擊荷載與沖擊速度的關系

3 結論

1)小尺寸截面的冰樣抗沖擊能力弱于大尺寸截面的冰樣，所測得的沖擊荷載也小于大尺寸冰樣；

2)不同形狀沖擊頭導致的冰試樣破壞形態和沖擊荷載均存在顯著差異。相同沖擊動能和冰試樣尺寸條件下，沖擊頭形狀導致的冰試樣破壞越嚴重，對應的沖擊荷載可能越小；

3)沖擊頭尺寸形狀和冰樣尺寸相同時，沖擊速度越大，冰樣破壞越嚴重。冰樣存在某個“臨界狀態”，當沖擊速度(動能)超過閾值時，冰樣會發生較為嚴重的破壞，所測得的沖擊荷載會減小。

本沖擊試驗得到了不同沖擊頭、不同沖擊速度以及不同尺寸冰樣條件下對冰沖擊荷載的影響。在下一步的研究中，可以選用更多尺寸類型的冰樣，對沖擊試驗存在的“尺寸效應”進行更深入的探究；也可選擇更多形狀的沖擊頭類型，對楔形角度、曲面曲率等關鍵冰-船接觸面幾何參數的影響進行討論；同時在確保試驗安全穩定的基礎上，進一步提高沖擊速度以覆蓋冰-船沖擊作用的完整速度范圍(1～9 m/s)。最后，通過系統的試驗為“冰-船”相互作用過程研究提供基本物理參數和物理機制的科學支撐。