冰冲击荷载试验研究

崔一诺， 张航， 卢鹏， 解飞， 王庆凯, 2， 李志军

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024； 2.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024)

随着全球气候变暖，北极夏季海冰快速消融[1-3]，北极通航得到了广泛关注，而破冰船的设计和安全航行则成为其中的关键工程问题。现有的破冰船一般常采用2种破冰方式：在冰层较薄的情况下，依赖大马力的推进装置配合，利用船艏或船艉使冰层发生弯曲破坏；若是遇上较厚的冰层，就会采用重力破冰法，即依靠大马力的推进装置使船体冲上冰面，依靠自身重量压碎冰面。冰-船的相互作用过程覆盖了较大的速度范围，综合国内外主要船型，冰-船相互作用的速度在1～9 m/s之间[4]。由于连续式破冰过程的速度较大，冰层破坏时相应的应变率很高[5-6]。传统的材料试验机如单轴压缩、弯曲破坏试验机在破坏速度方面已无法满足试验需求，为了更好地揭示船舶与海冰的碰撞机理，必须开展较高速度下的冰力学特性研究。

国内外对于海冰力学性质的研究多侧重于抗压强度和弯曲强度，陆续开展了单轴压缩试验、三轴压缩试验与简支梁弯曲试验，应变率一般在10-5-10-1/s[7-10]，而在破冰船破冰航行速度范围内(1～9 m/s)对海冰进行的高速冲击试验则相对较少。Timco等[11]在室内对S1和S2型淡水冰进行了冲击试验(冲击速度2≤V≤6 m/s)，发现平面冲击头对冰样破坏最严重，而球形冲击头的峰值压力与冰类型、速度和冲击能量无关，揭示了最大冲击荷载与加载速率的函数关系。Gagnon等[12]让半球形冲击体以自由落体的方式冲击冰面(1.8≤V≤3.9 m/s)，发现峰值中心压力随着温度的降低逐渐增加，且加载速率和峰值力历时均与峰值力成正相关。Shazly等[13]使用霍普金森压杆对直径1.75 cm、高0.5～0.9 cm的圆柱体冰样(单晶冰、多晶冰)进行了高应变率单轴压缩试验(压缩速率2～10 m/s、应变率60～1 500/s)，观察冰样破坏形式，发现冰样抗压强度与应变率呈正相关(60～1 400/s)且抗压强度随温度的降低有明显提高，其与冰样厚度以及约束条件无明显关系。Kawakami等[14]用铝、聚碳酸酯等不同材料制作冲击体，使用枪型发射装置在室内对冰体进行了高速冲击试验(110≤V≤680 m/s)，发现坑径与剥落直径(体积最大的冲击碎片的直径)之比大约为3，而坑深与剥落直径的比值在0.1～0.3，并将坑洞直径表示为后期有效能量的单一函数。Combescure等[15]对多晶冰和单晶冰进行了一系列高速“冲击-破坏”试验，使用超高速气枪将不同形状的冰试样发射至钢板上(60≤V≤120 m/s)，并利用高速摄像系统对动态断裂现象进行了分析，得到了不同形状、速度和角度的冲击后冰体破坏形式以及碎片大小差异。

在上述已经开展的冲击试验中，速度较高的研究(V>100 m/s)多应用于航天以及天文学方向。对于Shazly等[13]使用霍普金森压杆的试验，虽然其压缩速率(2≤V≤10 m/s)与船-冰实际作用速度较为贴近，但研究重点为冰样的抗压强度与温度、应变率之间的关系且使用的冰样为直径1 cm的薄片，其大小和形状无法很好地还原船-冰作用过程。Gagnon等[13]虽用天然冰进行了试验，但其冲击头较为单一，无法很好地揭示不同形状的冲击头对冰体破坏的影响。因此，有必要深入开展冰的冲击试验研究，在覆盖船-冰相互作用的速度范围的同时，还兼顾不同的船-冰接触形状对冲击荷载的影响，最终揭示冰-船相互作用的物理机理，并服务于破冰船的设计与研发。作为冰冲击试验研究的第1步，于2019—2020年冬季在渤海辽东湾滨海湖进行现场试验。通过测定摆锤撞击冰样瞬时的速度、荷载，观察冰样被冲击后的破坏形式及裂缝样式，验证试验设备和测试技术的可行性，并初步探索天然冰在冲击作用下的力学性质和物理规律。

1 试验方案

1.1 冲击试验设备

在综合考虑试验需求和现有设备性能的基础上，本试验在摆锤式材料冲击试验机的基础上进行改进，使其拥有更大的冲击速度并可搭载不同形状的冲击头以及不同尺寸的冰样。试验采集的2个重要参数是冰样对摆锤的荷载以及摆锤的速度，定义摆锤在最低点与冰样发生碰撞之前的最大速度为试验的冲击速度V，所测得的最大荷载被认为是冲击试验过程中摆锤所受的冲击荷载F。

如图1所示，试验设备由固定区和冲击区2部分组成。冲击装置主要由高度调节装置、角度调节装置(角度范围0～180°)以及摆锤组成，并可通过气缸进行加速(速度范围3.1～4.0 m/s)。高度调节装置可以在竖直方向上微调摆锤的高度，保证摆锤在最低点与冰试样充分接触。角度调节装置则可以改变摆锤的初始角度，达到改变摆锤初始角度从而改变冲击速度的目的。若依靠摆锤自身动能仍无法达到指定冲击速度，则可以依靠气缸加速。在摆锤启动时给予一定初速度，从而使得摆锤在最低点与冰样相互作用时能达到更大的冲击速度。冰样固定装置(即“夹具”)起到夹紧冰样的作用，并在冰样后方起到阻挡作用，防止其在冲击过程中发生位移。试验采用高速相机记录碰撞全过程，用来分析和记录冰体的破碎形态。相机最大拍摄速率为815帧/s，同时配以大功率的聚光灯，使相机能在低温昏暗条件下拍摄稳定画面。试验装置荷载传感器(量程：10 kN，精度±0.01 kN和角速度传感器(量程：100 rad/s，±0.1 rad/s)。荷载传感器固定于摆锤上，其接触面用圆形钢板铰接，用来测量平面冲击荷载。角速度传感器固定于摆锤的另一侧，用来测量试验过程角速度。考虑到撞击过程的瞬时特性，试验中数据的采集频率设置为50 kHz。

图1 冰体冲击试验机实物

1.2 现场试验

本文冰样采集点选取辽东湾滨海含章湖，湖水盐度5～7‰，冬季最大冰厚为30 cm。试验时间为2020年1月12—23日，采集冰坯后运至大连理工大学(盘锦校区)内进行加工处理。

冰坯采集后首先进行物理性质测量：将部分冰样放入烧杯中，并密封放入室内，待其完全融化后，用盐度计测量其含盐量。同时，将另一部分预留的冰加工成10 cm×10 cm×5 cm的长方体，用电子秤测量其质量，再用游标卡尺测量其边长得到体积，最后通过质量-体积法得到其密度。实测冰试样的平均密度和盐度分别为0.902 g/cm3、1.2‰。其余冰坯在较低气温的夜间加工成冲击试样(图2)，以避免气温和太阳辐射对冰样的影响。在冰样加工完成后，在气温降低至-6 ℃左右时开始室外试验。试验过程中，使用温度计对环境温度进行连续测量。

图2 冰冲击试验现场

1.3 试验参数

由于冰冲击试验目前没有通用的试样尺寸标准，根据国际水利与环境工程学会建议的单轴压缩试样尺寸，试验选择7 cm×7 cm×17.5 cm冰样进行测试，同时选择尺寸为13 cm×13 cm×17.5 cm的冰样作为对照，以初步探索冲击试验中存在的尺寸效应问题。

根据上文提到的冰-船相互作用的速度大致在1～9 m/s，试验选取的冲击速度应该覆盖上述区间。但考虑到试验装置现阶段能力以及人员安全，将本次试验的冲击速度V确定为1～4 m/s区间，分别取1.2、2.5、3.1、3.6、3.9 m/s等5种速度。由于气缸加速设备的限制，在个别组次中冲击速度存在小幅的偏差(不超过5%)。

为了确保冲击试验可以贴近船-冰碰撞的真实情况，同时考虑到本次试验设备的限制，冲击头选择为与船首形状类似的规则形状，分别是圆盘形(直径D=7 cm，质量M=0.17 kg)、半球形(直径D=3、5、7 cm，质量M=0.08、0.35、0.90 kg)、楔形(底边长D=3、5、7 cm，质量M=0.08、0.35、0.90 kg)，同时定义上述冲击头的直径或底边长为其特征长度D，如图3所示。

图3 3种形状的冲击头实物

在冰力学试验中，通常需要考虑加载方向的影响。在破冰船实际破冰的过程中，垂直冰面方向与平行冰面方向冲击的情况均有发生，由于试验时间的限制，本试验只选择垂直冰面方向进行冲击试验。

本次试验不同的变量组合为35种，针对2种不同尺寸的冰样，各进行了90组试验。对于上述不同的变量组合，每种组合重复试验3次，若3次数值较为接近则以平均值为真实值；若2次数值接近，1次偏离较大则以数值接近的2次试验平均值为真实值；若3次试相互偏离较大，则进行补充试验。对于每一组次试验，采集荷载和角速度的变化过程，并使用高速相机拍摄；撞击结束后，再对冲击后的冰样进行拍照。

2 试验结果及分析

在试验过程中，冲击头以给定的速度接触冰样，在接触持续时间内无外力施加，冲击头和冰样之间交换能量和动量[16-17]。下面分别讨论冰试样截面尺寸L、冲击头形状和特征长度D、以及冲击速度V对冲击荷载F以及冰样破坏形式的影响。

2.1 冰式样尺寸的影响

图4以圆盘形冲击头为例给出了使用D=7 cm前端对2种不同尺寸的冰样进行冲击试验后得到的荷载和速度的历时曲线。从图中可以发现，整个碰撞过程十分短暂，基本在2×10-3～3×10-3s内完成。从图5中可以看到2种尺寸冰样冲击过程中荷载曲线的峰值分别为2 503、3 290 N，L=13 cm冰样比L=7 cm冰样所受冲击荷载高出了近60%。荷载历时曲线在冲击过程中呈快速上升趋势，直到峰值，整个过程约为10-3s，冲击后则迅速下降。在L=13 cm冰样的荷载曲线中出现了一个明显的次峰，这是由于冲击结束后冲击头反弹导致二次撞击所致。速度曲线与荷载曲线的变化趋势有所不同，冲击过程中的变化趋势并不明显；但在冲击结束后，速度迅速衰减。需要注意的是，荷载峰值与速度峰值出现的时间并不完全同步，存在10-3s左右的相位差，这正是冰样与冲击头之间发生能量交换的时间[12]。使用其他形状冲击头在不同速度下进行冲击，得到的荷载、速度随时间的变化趋势与图4类似。

通过观察冲击发生后冰试样的破坏情况可以发现不同尺寸冰试样的破坏形式差异巨大。对于D=L的情况，冰式样基本完全破坏(图4(c))；而D

图4 D=7 cm的圆盘形冲击头在V=4.2 m/s时的冲击过程曲线及冰试样破坏形式

图5给出了在其他冲击速度下，不同截面尺寸冰试样冲击荷载的变化情况。从中可以看到，在冲击速度较大(V>3 m/s)时，小截面冰试样产生的冲击荷载小于大截面冰试样；而在速度较小(V<3 m/s)时，2种尺寸冰试样的冲击荷载基本相同。冲击荷载的这种变化与冰试样的破坏形式密切相关。低速条件下摆锤对2种截面均不能造成有效破坏，冲击荷载即与截面尺寸无显著关系。而高速条件下小截面试样破坏得更加严重(图4)，对应的冲击荷载也相对较小，与Kawakami等[14]得到的结论吻合。

图5 不同速度下2种尺寸冰试样对圆盘形冲击头的冲击荷载差异

2.2 冲击头形状的影响

图6给出了在相同冲击速度下不同形状冲击头对相同的尺寸的冰试样得到的冲击荷载，从图中可以看到圆盘形冲击头的冲击荷载明显大于半球形和楔形冲击头，后两者的冲击荷载分别偏低42%和60%。

图7给出了3种冲击头对大截面冰样(L=13 cm)的破坏情况。可以看出在2.5 m/s的冲击速度下，圆盘形冲击头只能在截面上留下微小的裂缝，而质量较大具有较大动能的球形和楔形冲击头则可以在一定程度上破坏试样。球形头可以将截面中心击碎，并留下一条较深的裂缝，使冰样的下半部分几乎脱离。楔形头的破坏则更为严重，直接将冰样的上半部分破坏。小截面试样的破坏情况与此类似。在破坏程度方面，楔形头对应的破坏程度大于半球形(图7(b)、(c))。同尺度的楔形与半球形冲击头质量一致，即在相同冲击动能下楔形冲击头的破坏能力更强，所测得冲击荷载也更小。但对于图7(a)，由于同特征长度的圆盘形冲击头质量小于半球形与楔形，其动能也小于后二者，所以冰样破坏程度更小。若加大冲击速度使该冲击头的动能增大，其对冰样的破坏程度将较图7(a)增强，冲击荷载也将较图6增大，此时可参考图4(d)及后续图10(b)。综上，不同的冲击头形状导致了冰试样不同的破坏情况；而推论在冲击动能和试样尺寸一致的情况下，冲击头形状导致的冰试样破坏得越严重，对应的冲击荷载会越小。

图6 D=7 cm的不同形状冲击头在V=2.5 m/s试验中得到的冲击荷载

图7 D=7 cm的3种冲击头在V=2.5 m/s冲击速度下对冰样(L=13 cm)的破坏情况

2.3 冲击头尺寸的影响

图8给出了在相同冲击速度下，不同冲击头尺寸对冲击荷载的影响。可以看出半球形冲击头对L=7 cm冰样的冲击荷载随着冲击头的增大而减小，从D=3 cm变化为D=5 cm时荷载减小约30%，而从D=5 cm变化为D=7 cm时冲击荷载略有增大。半球形冲击头对于L=13 cm的冰样，冲击荷载随冲击头尺寸的变化趋势正好相反；在D=5 cm时冲击荷载最大，D=7 cm时冲击荷载最小，2种情况冲击荷载的比值为3.05。楔形冲击头对L=7 cm冰样的冲击荷载随冲击头尺寸变化不明显；对L=13 cm的冰样，D=5 cm和7 cm这2种情况测得的楔形冲击头冲击荷载比值仅为1.04，远小于半球形的情况。

图8 不同尺寸冲击头在V=2.5 m/s试验中得到的冲击荷载

冰样的破坏与冲击头与冰样的相对尺寸D/L以及冲击时的动能有关。D=3 cm的半球形冲击头无法对L=7 cm冰样造成较严重的破坏，而5 cm和7 cm的冲击头拥有更大的动能，可以对冰样可造成十分严重的破坏，测得的冲击荷载要比D=3 cm的情况小。对于L=13 cm的冰样，其抗冲击能力较强，故在D=5 cm时，其依旧保持结构的完整性，可以测得比D=3 cm时更大的冲击荷载。图9给出了3种尺寸的楔形冲击头在2.5 m/s的速度下对L=13 cm冰样的冲击破坏情况。冲击速度及截面尺寸相同时，冲击头尺寸越大，冲击的动能越大，其对冰样的破坏性更强。7 cm楔形冲击头可以明显破坏冰样，而5 cm、3 cm尺寸的冲击头只能在表面留下坑印，5 cm楔形冲击头留下的坑印比3 cm的更深更长。

图9 3种尺寸楔形冲击头在V=2.5 m/s的速度下对L=13 cm冰样的冲击破坏情况

2.4 冲击头速度的影响

图10给出了尺寸相同冲击头(D=7 cm)的冲击荷载随冲击速度的变化趋势。在该情况下，冲击速度即代表冲击头的动能。从图中可以看出，对于小截面尺寸冰试样，圆盘形冲击头的荷载随速度增大有明显的上升趋势，且其荷载也远大于半球形和楔形冲击头(图10(a))。显然，随速度的增大，摆锤的动量也随之增大，在其与冰样接触时间几乎不变的情况下，对冰样的冲击力也会增大。对于大尺寸试样(图10(b))，半球形和楔形冲击头的荷载随速度增加的趋势比图10(a)更加明显。如前所述，这是因为大尺寸冰样承受冲击破坏的能力强于小尺寸冰样而破坏程度较低，所以测得的冲击荷载更大且上升趋势更加明显。但是，图10(b)中半球形和楔形冲击头的冲击荷载随速度的增大到一定程度后有明显减小的趋势，荷载峰值出现在V=3.1 m/s附近。观察冲击后冰样破坏情况可发现：在速度小于3.1 m/s时，冰样破坏并不明显，此时测得的荷载为非破坏荷载；而速度超过阈值后，冰样会发生严重破坏，此时测得的荷载为破坏荷载，数值上小于非破坏荷载。

图10 冲击头尺寸相同(D=7 cm)条件下冲击荷载与冲击速度的关系

3 结论

1)小尺寸截面的冰样抗冲击能力弱于大尺寸截面的冰样，所测得的冲击荷载也小于大尺寸冰样；

2)不同形状冲击头导致的冰试样破坏形态和冲击荷载均存在显著差异。相同冲击动能和冰试样尺寸条件下，冲击头形状导致的冰试样破坏越严重，对应的冲击荷载可能越小；

3)冲击头尺寸形状和冰样尺寸相同时，冲击速度越大，冰样破坏越严重。冰样存在某个“临界状态”，当冲击速度(动能)超过阈值时，冰样会发生较为严重的破坏，所测得的冲击荷载会减小。

本冲击试验得到了不同冲击头、不同冲击速度以及不同尺寸冰样条件下对冰冲击荷载的影响。在下一步的研究中，可以选用更多尺寸类型的冰样，对冲击试验存在的“尺寸效应”进行更深入的探究；也可选择更多形状的冲击头类型，对楔形角度、曲面曲率等关键冰-船接触面几何参数的影响进行讨论；同时在确保试验安全稳定的基础上，进一步提高冲击速度以覆盖冰-船冲击作用的完整速度范围(1～9 m/s)。最后，通过系统的试验为“冰-船”相互作用过程研究提供基本物理参数和物理机制的科学支撑。