基于超声波的冰力学性能参数研究

发布时间：2020-07-03 05:15

【摘要】：本课题是在国家自然科学基金“基于超声波的海冰剖面孔隙率原位监测的机理与方法研究”(编号:41606220)资助下针对冰力学性能参数展开的基础性研究。渤海和黄海北部在特别寒冷的冬季会发生极其严重的冰封现象,大量海冰使得海上交通中断,海上石油平台受损,使得经济损失严重。随着全球气温快速上升,极地海冰与大气和海洋的相互作用更加明显,相比北极海冰而言,南极海冰因观测数据稀少,结论远不深入,为此需要监测海冰的冰力学性能参数,为我国近海海冰对石油钻井平台的碰撞、船舶破冰能力提供参考数据,为天气变化和南北极海冰变化的联系提供基础性研究数据。除此之外,我国内陆北方水库湖泊的冬季冰对岸的侵蚀破坏现象严重,对于寒冷之地的水利工程结构设计,冰的压缩力学性能参数是非常重要的参量,为此需要监测河冰和湖冰的冰力学性能参数,为水库工程和江河护坡工程的抗冰计算提供依据。本文采用超声波对淡水冰和海冰的冰力学性能参数进行研究。包括低频超声波衰减实验系统研究,高频超声波冰力学性能参数研究和基于超声波的冰力学参数判断算法研究三部分。低频超声波衰减实验的研究主要介绍了超声波换能器的选型,低频超声波衰减实验系统构成与试验过程,并对实验结果进行分析。低频超声波的衰减实验是高频超声波冰力学性能参数检测实验的预实验,说明不同温度下,超声波幅值在冰中的衰减是有规律的。为进一步研究高频超声波在冰中的相关实验提供一定的实验依据。高频超声波冰力学性能参数研究包括冰力学性能参数研究和超声波幅值衰减研究两部分。本研究采用非线性高能超声波测试系统对淡水冰样和海冰冰样进行测量,分析逐渐降温过程和逐渐升温过程中超声横波波速、超声纵波波速、冰力学性能参数和超声波幅值在不同温度下变化规律。基于超声波的冰力学参数判断算法研究是对冰力学参数与超声纵波幅值关系的研究,研究表明淡水冰力学参数与超声纵波幅值有一一对应关系,利用超声波的幅值直接对冰力学参数监测和研究,从理论上是可行的。即设计最优参数的基于超声波的冰力学监测传感器及其系统,最终实现冰力学参数和冰强度的直接判断这一思路是可行的。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P714.1;P731.15
【图文】：

灾害性,冰雪

图 1-1 灾害性冰雪图 1-2 导线上的结晶冰Fig.1-1 Disastrous ice and snow Fig.1-2 Crystalline ice on the wire1.2 国内外研究动态冰的力学特性包括强度、应力-应变关系、强度的应变率效应以及尺寸效应。冰力学性能参数包括冰的剪切模量，冰的体积模量和冰的杨氏模量等，可反映出冰的剪切强度，冰的压缩强度和冰的弯曲强度特性。冰属于性质较复杂的天然复合材料，海冰由纯冰晶，水，空气，盐分及其它杂质等构成，淡水冰较海冰的成分简单，由纯冰晶，水，空气构成，冰力学性能参数影响因素较多，研究较复杂。50 多年来，国内[12-17]和国内学者[18-22]对冰体进行了大量的单轴及三轴压缩试验、弯曲试验以及剪切试验研究和受力条件下冰破坏准则研究，外国学者对冰体包括冰脊冰[23]、喷冰[24]、人造柱状冰[25]、破碎冰[26]、柱状盐水冰[27]和海冰[28]等进行三轴压缩实验，使得该方面取得重大进展。例如创[29][30-31]

导线,冰力学,海冰,冰体

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