【摘要】：本課題是在國家自然科學(xué)基金“基于超聲波的海冰剖面孔隙率原位監(jiān)測的機(jī)理與方法研究”(編號:41606220)資助下針對冰力學(xué)性能參數(shù)展開的基礎(chǔ)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(yán)重的冰封現(xiàn)象,大量海冰使得海上交通中斷,海上石油平臺受損,使得經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)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(shù)據(jù)稀少,結(jié)論遠(yuǎn)不深入,為此需要監(jiān)測海冰的冰力學(xué)性能參數(shù),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(shù)據(jù),為天氣變化和南北極海冰變化的聯(lián)系提供基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。除此之外,我國內(nèi)陸北方水庫湖泊的冬季冰對岸的侵蝕破壞現(xiàn)象嚴(yán)重,對于寒冷之地的水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計,冰的壓縮力學(xué)性能參數(shù)是非常重要的參量,為此需要監(jiān)測河冰和湖冰的冰力學(xué)性能參數(shù),為水庫工程和江河護(hù)坡工程的抗冰計算提供依據(jù)。本文采用超聲波對淡水冰和海冰的冰力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)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(xué)性能參數(shù)研究和基于超聲波的冰力學(xué)參數(shù)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(gòu)成與試驗過程,并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。低頻超聲波的衰減實驗是高頻超聲波冰力學(xué)性能參數(shù)檢測實驗的預(yù)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(jìn)一步研究高頻超聲波在冰中的相關(guān)實驗提供一定的實驗依據(jù)。高頻超聲波冰力學(xué)性能參數(shù)研究包括冰力學(xué)性能參數(shù)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(jìn)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(xué)性能參數(shù)和超聲波幅值在不同溫度下變化規(guī)律�；诔暡ǖ谋W(xué)參數(shù)判斷算法研究是對冰力學(xué)參數(shù)與超聲縱波幅值關(guān)系的研究,研究表明淡水冰力學(xué)參數(shù)與超聲縱波幅值有一一對應(yīng)關(guān)系,利用超聲波的幅值直接對冰力學(xué)參數(shù)監(jiān)測和研究,從理論上是可行的。即設(shè)計最優(yōu)參數(shù)的基于超聲波的冰力學(xué)監(jiān)測傳感器及其系統(tǒng),最終實現(xiàn)冰力學(xué)參數(shù)和冰強(qiáng)度的直接判斷這一思路是可行的。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P714.1;P731.15
【圖文】：

圖 1-1 災(zāi)害性冰雪 圖 1-2 導(dǎo)線上的結(jié)晶冰Fig.1-1 Disastrous ice and snow Fig.1-2 Crystalline ice on the wire1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)冰的力學(xué)特性包括強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)。 冰力學(xué)性能參數(shù)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(qiáng)度，冰的壓縮強(qiáng)度和冰的彎曲強(qiáng)度特性。冰屬于性質(zhì)較復(fù)雜的天然復(fù)合材料，海冰由純冰晶，水，空氣，鹽分及其它雜質(zhì)等構(gòu)成，淡水冰較海冰的成分簡單，由純冰晶，水，空氣構(gòu)成，冰力學(xué)性能參數(shù)影響因素較多，研究較復(fù)雜。50 多年來，國內(nèi)[12-17]和國內(nèi)學(xué)者[18-22]對冰體進(jìn)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(zhǔn)則研究，外國學(xué)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(jìn)行三軸壓縮實驗，使得該方面取得重大進(jìn)展。 例如創(chuàng)[29][30-31]

圖 1-1 災(zāi)害性冰雪 圖 1-2 導(dǎo)線上的結(jié)晶冰Fig.1-1 Disastrous ice and snow Fig.1-2 Crystalline ice on the wire1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)冰的力學(xué)特性包括強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)。 冰力學(xué)性能參數(shù)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(qiáng)度，冰的壓縮強(qiáng)度和冰的彎曲強(qiáng)度特性。冰屬于性質(zhì)較復(fù)雜的天然復(fù)合材料，海冰由純冰晶，水，空氣，鹽分及其它雜質(zhì)等構(gòu)成，淡水冰較海冰的成分簡單，由純冰晶，水，空氣構(gòu)成，冰力學(xué)性能參數(shù)影響因素較多，研究較復(fù)雜。50 多年來，國內(nèi)[12-17]和國內(nèi)學(xué)者[18-22]對冰體進(jìn)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(zhǔn)則研究，外國學(xué)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(jìn)行三軸壓縮實驗，使得該方面取得重大進(jìn)展。 例如創(chuàng)[29][30-31]

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本文編號：2739240