黄河冰抗拉强度及断裂韧度的劈裂试验研究

发布时间：2017-08-30 11:21

  本文关键词：黄河冰抗拉强度及断裂韧度的劈裂试验研究

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【摘要】：在寒冷区域的结构物设计中,需要着重考虑冰荷载的影响,冰荷载的计算需要冰的单轴压缩强度、断裂韧度和抗拉强度等参数作为支持。但是冰对水文、气象等地理环境条件非常敏感,所以由于地理环境因素的不同,冰的物理和力学性质有很大差异。所以非常有必要继续对河冰的物理力学性质进行详细的研究,对冰工程领域的理论体系进行补充。在对黄河冰进行力学试验研究之前,首先于2014年1月至3月在黄河宁蒙段头道拐水文站进行了现场观测,研究黄河河冰的冻结过程和冰的构成,为力学试验的试样选取提供理论依据。现场观测发现在头道拐水文站所处的黄河弯道处,流凌和冰花由于离心力的作用,大量堆积在弯道外侧；随着冰盖的冻结弯道外侧逐渐被冰凌和冰花塞满,主河道逐渐向弯道内侧移动。随后形成了弯道外侧为粒状冰,弯道内侧为柱状冰的冰盖。随后还对黄河小型清沟的冻结冰盖进行了测量并做等厚线图,表明清沟冰盖呈锅底状,而在水流的作用下,下游处形成涡旋,导致清沟下游处冰厚最小。在黄河弯道内侧切取冰坯,将其制成垂直和水平方向的薄片用于观测冰晶体,最终确定黄河冰的晶体结构类型。采用等效直径法对晶体结构照片计算平均粒径尺寸,同时采用图像分析软件分析冰内气泡分布情况、泥沙含量和密度等黄河冰的基本物理性质。随后切取柱状冰加工力学试验试样,通过航空运输运往大连理工大学的低温实验室。在低温实验室内采用冰试样切割仪器加工成巴西圆盘劈裂试样,随后使用配备高精度低温恒温实验箱的冰压力试验机进行巴西圆盘劈裂试验,得到黄河冰的抗拉强度和断裂韧度等力学性质。选取不同的温度和保证脆性的应变速率作为条件进行巴西圆盘劈裂试验,重点对温度、试样尺寸、应变速率等因素对黄河冰抗拉强度和断裂韧度的影响进行了分析。试验结果表明：黄河冰的抗拉强度表现出了明显的应变速率敏感性。冰的抗拉强度与温度也有着密切的关系,在相同的应变速率下,冰的抗拉强度值随着冰温的降低而增大。本文还探讨了试样尺寸变化对抗拉强度的影响,随着试样直径增大,冰的抗拉强度减小。断裂韧度与应变速率也有明显的相关性,应变速率低于9×10-4 s-1时,断裂韧度恒定不变,应变速率高于9×10-4 s-1时,断裂韧度随着应变速率增大而减小。断裂韧度的峰值随着温度的降低而增大,而试样尺寸对断裂韧度几乎没有影响。
【关键词】：黄河冰 劈裂试验 抗拉强度 断裂韧度 应变速率 温度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV135;P343.63
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景和意义9-11
• 1.2 冰力学性质的研究进展11-13
• 1.3 本文的主要研究工作13-15
• 2 黄河冰盖生长过程现场观测15-29
• 2.1 黄河冰盖冻结过程观测15-22
• 2.1.1 黄河冰冻结的基本理论15
• 2.1.2 黄河弯道不同位置处冰晶体观测15-21
• 2.1.3 小结21-22
• 2.2 黄河小型清沟冻结过程观测22-29
• 2.2.1 实测清沟水面冻结冰厚度的空间分布23-24
• 2.2.2 实清沟水面冻结机制分析24-26
• 2.2.3 清沟水面冻结冰厚度分析26-27
• 2.2.4 小结27-29
• 3 黄河冰的物理特征分析29-40
• 3.1 现场试验的背景条件和试验目标29-30
• 3.2 黄河冰力学试样的温度、密度和泥沙含量测量30-32
• 3.3 力学试样的冰晶体结构和气泡特征分析32-40
• 3.3.1 冰晶体切片的制备32-33
• 3.3.2 冰晶体切片的观测33-37
• 3.3.3 气泡含量和冰晶体粒径尺寸分析37-40
• 4 黄河冰的巴西圆盘劈裂试验研究40-63
• 4.1 西圆盘劈裂试验的理论基础40-43
• 4.2 冰试样的采集和制备方法43-46
• 4.2.1 黄河冰采样过程和试样毛坯制备方法43-45
• 4.2.2 巴西圆盘劈裂试验试样加工45-46
• 4.3 试验装置、步骤和试验条件的选取46-49
• 4.3.1 试验装置46-48
• 4.3.2 试验步骤48
• 4.3.3 试验条件的选取48-49
• 4.4 巴西圆盘劈裂试验加载过程曲线有效性分析49-52
• 4.5 巴西圆盘劈裂试验结果52-62
• 4.5.1 抗拉强度试验结果52-56
• 4.5.2 断裂韧度试验结果56-59
• 4.5.3 弹性模量试验结果59-62
• 4.6 小结62-63
• 5 黄河冰的抗拉强度、断裂韧度与影响因素的关系分析63-78
• 5.1 抗拉强度与影响因素的关系63-68
• 5.1.1 抗拉强度与应变速率的关系63-64
• 5.1.2 抗拉强度与温度的关系64-66
• 5.1.3 抗拉强度与试样尺寸的关系66-68
• 5.2 断裂韧度与影响因素的关系68-73
• 5.2.1 断裂韧度与应变速率的关系68-69
• 5.2.2 断裂韧度与温度的关系69-72
• 5.2.3 断裂韧度与试样尺寸的关系72-73
• 5.3 弹性模量与影响因素的关系73-77
• 5.4 小结77-78
• 6 结论78-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况84-85
• 致谢85-86

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本文编号：758997