【摘要】：本課題是在國家自然科學基金“基于超聲波的海冰剖面孔隙率原位監(jiān)測的機理與方法研究”(編號:41606220)資助下針對冰力學性能參數展開的基礎性研究。渤海和黃海北部在特別寒冷的冬季會發(fā)生極其嚴重的冰封現象,大量海冰使得海上交通中斷,海上石油平臺受損,使得經濟損失嚴重。隨著全球氣溫快速上升,極地海冰與大氣和海洋的相互作用更加明顯,相比北極海冰而言,南極海冰因觀測數據稀少,結論遠不深入,為此需要監(jiān)測海冰的冰力學性能參數,為我國近海海冰對石油鉆井平臺的碰撞、船舶破冰能力提供參考數據,為天氣變化和南北極海冰變化的聯系提供基礎性研究數據。除此之外,我國內陸北方水庫湖泊的冬季冰對岸的侵蝕破壞現象嚴重,對于寒冷之地的水利工程結構設計,冰的壓縮力學性能參數是非常重要的參量,為此需要監(jiān)測河冰和湖冰的冰力學性能參數,為水庫工程和江河護坡工程的抗冰計算提供依據。本文采用超聲波對淡水冰和海冰的冰力學性能參數進行研究。包括低頻超聲波衰減實驗系統(tǒng)研究,高頻超聲波冰力學性能參數研究和基于超聲波的冰力學參數判斷算法研究三部分。低頻超聲波衰減實驗的研究主要介紹了超聲波換能器的選型,低頻超聲波衰減實驗系統(tǒng)構成與試驗過程,并對實驗結果進行分析。低頻超聲波的衰減實驗是高頻超聲波冰力學性能參數檢測實驗的預實驗,說明不同溫度下,超聲波幅值在冰中的衰減是有規(guī)律的。為進一步研究高頻超聲波在冰中的相關實驗提供一定的實驗依據。高頻超聲波冰力學性能參數研究包括冰力學性能參數研究和超聲波幅值衰減研究兩部分。本研究采用非線性高能超聲波測試系統(tǒng)對淡水冰樣和海冰冰樣進行測量,分析逐漸降溫過程和逐漸升溫過程中超聲橫波波速、超聲縱波波速、冰力學性能參數和超聲波幅值在不同溫度下變化規(guī)律�；诔暡ǖ谋W參數判斷算法研究是對冰力學參數與超聲縱波幅值關系的研究,研究表明淡水冰力學參數與超聲縱波幅值有一一對應關系,利用超聲波的幅值直接對冰力學參數監(jiān)測和研究,從理論上是可行的。即設計最優(yōu)參數的基于超聲波的冰力學監(jiān)測傳感器及其系統(tǒng),最終實現冰力學參數和冰強度的直接判斷這一思路是可行的。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P714.1;P731.15
【圖文】：

圖 1-1 災害性冰雪 圖 1-2 導線上的結晶冰Fig.1-1 Disastrous ice and snow Fig.1-2 Crystalline ice on the wire1.2 國內外研究動態(tài)冰的力學特性包括強度、應力-應變關系、強度的應變率效應以及尺寸效應。 冰力學性能參數包括冰的剪切模量，冰的體積模量和冰的楊氏模量等，可反映出冰的剪切強度，冰的壓縮強度和冰的彎曲強度特性。冰屬于性質較復雜的天然復合材料，海冰由純冰晶，水，空氣，鹽分及其它雜質等構成，淡水冰較海冰的成分簡單，由純冰晶，水，空氣構成，冰力學性能參數影響因素較多，研究較復雜。50 多年來，國內[12-17]和國內學者[18-22]對冰體進行了大量的單軸及三軸壓縮試驗、彎曲試驗以及剪切試驗研究和受力條件下冰破壞準則研究，外國學者對冰體包括冰脊冰[23]、噴冰[24]、人造柱狀冰[25]、破碎冰[26]、柱狀鹽水冰[27]和海冰[28]等進行三軸壓縮實驗，使得該方面取得重大進展。 例如創(chuàng)[29][30-31]

圖 1-1 災害性冰雪 圖 1-2 導線上的結晶冰Fig.1-1 Disastrous ice and snow Fig.1-2 Crystalline ice on the wire1.2 國內外研究動態(tài)冰的力學特性包括強度、應力-應變關系、強度的應變率效應以及尺寸效應。 冰力學性能參數包括冰的剪切模量，冰的體積模量和冰的楊氏模量等，可反映出冰的剪切強度，冰的壓縮強度和冰的彎曲強度特性。冰屬于性質較復雜的天然復合材料，海冰由純冰晶，水，空氣，鹽分及其它雜質等構成，淡水冰較海冰的成分簡單，由純冰晶，水，空氣構成，冰力學性能參數影響因素較多，研究較復雜。50 多年來，國內[12-17]和國內學者[18-22]對冰體進行了大量的單軸及三軸壓縮試驗、彎曲試驗以及剪切試驗研究和受力條件下冰破壞準則研究，外國學者對冰體包括冰脊冰[23]、噴冰[24]、人造柱狀冰[25]、破碎冰[26]、柱狀鹽水冰[27]和海冰[28]等進行三軸壓縮實驗，使得該方面取得重大進展。 例如創(chuàng)[29][30-31]

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本文編號：2739240