Способ определения удельной энергии механического разрушения льда
METHOD FOR DETERMINING SPECIFIC ENERGY OF MECHANICAL ICE DESTRUCTION

Изобретение относится к области исследования механических свойств материалов, а точнее к способам (нагружения материала образца) определения энергетических характеристик разрушения льда.
Известен способ определения удельной энергии механического разрушения материала, включающий изготовление его образца в виде осесимметричного тела с параллельными верхней плоскостью и основанием и перпендикулярными им боковыми стенками, его размещение между плитами испытательной машины, нагружение, перемещением верхней плиты с постоянной скоростью, с фиксацией предельных значений его упругой деформации и, соответствующей предельной упругой контактной силы, с определением удельной энергии механического разрушения как их произведения, отнесенного к значению массы всего образца (см. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении).
Основным недостатком этого способа является несоответствие характера создаваемого вида нагрузки на единичный объем материала в образце и в теле конструктивного элемента сооружения, в частности для льда – в массиве ледового поля. Испытуемый образец ограниченных размеров подвергается деформациям, направленным на изменения его объема и формы под действием объемных полей напряжений, создаваемых одноразовым статическим действием жестких плит испытательной машины на две его противоположные грани. Накопленная в образце потенциальная энергия при таком методе испытания в несколько раз превышает величину энергии, определенную по диаграмме сжатия или рассчитанную по теории упругости. Такой образец льда, в отличие от некоторого ограниченного объема этого материала загружаемого локальной нагрузкой в массиве торцевой грани движущегося ледового поля, работает как самостоятельная конструкция, поэтому удельная работа деформаций, отнесенная к объему материала во всем образце, не является критерием разрушения испытуемого материала и не характеризует механические свойства материала, проявляемые им в массиве. Кроме того, работа разрушения образцов включает в себя также различные виды потерь энергии при испытании, а также не учитывает погрешности при ее вычислении работы, затрачиваемой на вынос обломков льда из зоны контакта, которая при больших скоростях испытаний может быть соизмеримой по величине с работой, затрачиваемой на деформацию и разрушение образцов, но может значительно превысить ее.
Таким образом, этот способ не обеспечивает точности значений и адекватности получаемой величины удельной энергии механического разрушения льда для условий квазидинамического процесса многоциклового локального разрушения его массива, при воздействии ледяного поля на опору сооружения.
Задачей изобретения является обеспечение точности значений и адекватности получаемой величины удельной энергии механического разрушения льда, соответствующих квазидинамическому процессу многоциклового локального разрушения его массива, при воздействии ледяного поля на опору сооружения.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что в процессе лабораторных испытаний обеспечивается соответствие механизма разрушения льда в испытываемых образцах механизму разрушения льда на контакте с опорой гидротехнического сооружения и тем самым обеспечивается возможность получения в лабораторных условиях достоверных результатов определения энергетических характеристик разрушения льда, необходимых для проектирования транспортных гидротехнических сооружений, а также сооружений на шельфе замерзающих морей.
Для решения поставленной задачи способ определения удельной энергии механического разрушения материала, включающий изготовление его образца в виде осесимметричного тела с параллельными верхней плоскостью и основанием и перпендикулярными им боковыми стенками, его размещение между плитами испытательной машины, нагружение, перемещением верхней плиты с постоянной скоростью, с фиксацией предельных значений его упругой деформации и, соответствующей предельной упругой контактной силы, с определением удельной энергии механического разрушения как их произведения, отнесенного к значению массы всего образца, отличается тем, что используют образец, выполненный из льда, с возможностью локализации разрушений на верхнем участке образца, для чего используют образец, наименьший размер основания которого в 1,12–2 раза больше наименьшего размера верхней плоскости, а высота образца составляет 2,5–4,0 наименьшего размера его основания, при этом скорость перемещения подвижной плиты соответствует скорости дрейфа ледяного поля, причем определяют плотность льда и непрерывно регистрируют предельные изменения высоты разрушаемой части образца льда и предельной контактной силы, а удельную энергию разрушения вычисляют как интегральную площадь той части графика изменения таких параметров, как предельное значение упругой деформации образца и соответствующее ему предельное значение упругой контактной силы, зарегистрированных в процессе испытания, которые описывают процесс разрушений только в подлежащей разрушению части образца, или
удельную энергию разрушения вычисляют по формуле
cr
k
p
ε = Δl⋅P / V⋅ρ,
cr
где ε - удельная энергия механического разрушения, ЕД;
Δl - предельное значение упругой деформации образца, ЕД;
k
P - предельное значение упругой контактной силы, ЕД;
p
V - объем разрушенной части образца, ЕД;
Ρ - плотность льда, ЕД.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает получение заявленного технического результата, при этом признаки отличительной части формулы обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак «используют образец, выполненный из льда» обеспечивает возможность определения удельной энергии механического разрушения льда.
Признак, указывающий, что образец выполнен «с возможностью локализации разрушений на верхнем участке образца», обеспечивает подобие механизма разрушения льда в испытываемых образцах, механизму разрушения льда в реальных условиях, на контакте с опорой гидротехнического сооружения.
Признаки, указывающие, что «используют образец, наименьший размер основания которого в 1,12–2 раза больше наименьшего размера верхней плоскости, а высота образца составляет 2,5–4,0 наименьшего размера его основания», обеспечивают локализацию разрушаемой части образца в его верхней части, на контакте с подвижной плитой испытательной машины.
Признак, указывающий, что «скорость перемещения подвижной плиты соответствует скорости дрейфа ледяного поля», обеспечивает полное подобие механизма разрушения льда в испытываемых образцах, механизму разрушения льда в реальных условиях, на контакте с опорой гидротехнического сооружения и позволяет варьировать этот параметр.
Признаки, указывающие, что «определяют плотность льда», позволяют получить параметр, необходимый для расчетного определения удельной энергии механического разрушения льда.
Признаки, указывающие, что «непрерывно регистрируют предельные изменения высоты разрушаемой части образца льда и предельной контактной силы», позволяют получить параметры, необходимые для расчетного определения удельной энергии механического разрушения льда.
Признаки, указывающие, что «удельную энергию разрушения вычисляют, как интегральную площадь той части графика изменения этих параметров, зарегистрированных в процессе испытания, которая описывает процесс разрушений только в подлежащей разрушению части образца» описывают возможный вариант использования результатов испытаний для определения удельной энергии механического разрушения льда.
Признаки «…удельную энергию разрушения вычисляют по формуле
cr
k
p
ε = Δl ⋅P / V⋅ρ,
cr
где ε - удельная энергия механического разрушения, ЕД;
Δl - предельное значение упругой деформации образца, ЕД;
k
P - предельное значение упругой контактной силы, ЕД;
p
V - объем разрушенной части образца, ЕД;
Ρ - плотность льда ЕД…» позволяют получить величину удельной энергии разрушения при указанных характеристиках.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сбоку образца и схема его работы в процессе нагружения; на фиг.2 представлен его вид в объеме; на фиг.3 дана схема к вычислениям удельной работы (энергии) разрушения по диаграммам «Сила-деформация» при испытаниях заявленного образца льда.
Для реализации способа необходимы испытательная машина известной конструкции, оборудованная климатической камерой или расположенная в холодном помещении, выполненная с возможностью перемещения (опускания) с заданной скоростью верхней плиты, снабженная тензометрическим измерительным комплексом, выполненным с возможностью записи всех регистрируемых параметров на персональный компьютер, с формированием графика «Сила-перемещение».
На чертежах показаны образец 1, его параллельные верхняя 2 плоскость и основание 3, его наименьший размер 4, продольная ось 5 образца, его верхняя (пирамидальная) 6 и нижняя (цилиндрическая) 7 части, его верхняя кромка 8, кроме того, показаны верхняя (подвижная) 9 и нижняя (неподвижная) 10 плиты пресса, разрушенный объем льда 11.
Кроме того, необходимы образцы 1 льда, выполненные в виде осесимметричного тела с параллельными верхней 2 плоскостью и основанием 3, с заявленными геометрическими параметрами (наименьший размер основания в 1,12–2 раза больше наименьшего размера верхней плоскости, а высота образца составляет 2,5–4,0 наименьшего размера его основания). При этом образец может быть выполнен:
- в виде цилиндра или призмы квадратного сечения и снабжен фаской под углом в 45º, уменьшающей размеры верхней плоскости до заявленных значений;
- в виде усеченного конуса или пирамиды квадратного сечения;
- в виде комбинированного тела, нижняя часть 4 которого выполнена цилиндрической, а верхняя 5 выполнена как грани пирамиды квадратного сечения, соосной с нижней частью.
Образец 1 может быть выполнен точением и фрезерованием образцов из кусков отобранного реального льда (предпочтительно, формирующегося в конкретном районе акватории, примыкающем к конкретной технологической платформе), или приготовлен в льдоформах, замораживанием проб морской воды.
Реализуется способ в следующей последовательности.
k
Образец 1 устанавливают вертикально (с опорой основанием 3 на неподвижную нижнюю плиту 10 пресса (оборудованного климатической камерой или расположенного в холодном помещении), после чего на верхнюю плоскость 2 образца опускают до контакта с образцом верхнюю плиту 9 пресса. Далее нагружают образец 1, опуская с заданной скоростью (соответствующей скорости дрейфа ледового поля) верхнюю плиту 9 пресса. В процессе динамического взаимодействия поверхностей плиты пресса и испытуемого образца ведут, известным образом, непрерывную регистрацию изменения во времени предельных значений упругой контактной силы P и предельных значений упругой деформации образца глубины (высоты) разрушенной части образца Δl (ФИГ.3) с использованием тензометрического измерительного комплекса с записью всех параметров на персональный компьютер.
р
р.
Получаемая в результате опыта кривая «Сила-перемещение» (ФИГ.3) обрабатывается с целью получения суммарного значения затраченной на разрушение льда работы упругих деформаций на фиксированной высоте разрушения образца, которая численно равна высвободившейся энергии упругих деформаций льда E в разрушенном объеме Vиспытываемого образца, вычисляемом через высоту его разрушенной части Δh с учетом измеренных перед этим размеров поперечных сечений на его верхнем основании и в сечении, расположенном на нижней границе разрушенного объема V
cr
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять удельную энергию механического разрушения льда ε при скорости его нагружения, соответствующей скорости дрейфа ледового поля, и в условиях реализации многоциклового разрушения части образца льда, как удельные интегральные затраты энергии на работу сдвиговых и сжимающих деформаций, так как и на работу, расходуемую на выжимание продуктов разрушения льда из зоны контакта и разлет осколков по формуле
cr
k
p
ε = Δl⋅P / V⋅ρ, (1)
cr
где ε - удельная энергия механического разрушения, ЕД;
Δl - предельное значение упругой деформации образца, ЕД;
k
P - предельное значение упругой контактной силы, ЕД;
p
V - объем разрушенной части образца, ЕД;
Ρ - плотность льда, ЕД.
Кроме того, удельную энергию разрушения можно вычислить как интегральную площадь той части графика изменения таких параметров, как предельное значение упругой деформации образца и соответствующее ему предельное значение упругой контактной силы, зарегистрированных в процессе испытания, которые описывают процесс разрушений только в подлежащей разрушению части образца.
Таким образом, в ходе испытаний образец подвергается воздействию на его верхнюю грань жесткой плиты испытательной машины, движущейся со скоростью, соответствующей скорости движения ледовых полей в реальных условиях района, для которого проводятся исследования прочности льда. При этом процесс механического разрушения верхней части образца сопровождается спонтанно повторяющимися и чередующимися сколами боковых участков в зоне контакта образца с жесткой поверхностью плиты пресса, смятием в средней части его рабочего контакта и выжиманием продуктов разрушения льда из контактной зоны, что по набору видов разрушения и характеризующих их параметров аналогично параметрам реального процесса взаимодействия ледового поля с опорой сооружения.
Заявленные форма и соотношение размеров образца согласно проведенным тестовым экспериментам (см. Баенхаев А.К., Беккер А.Т., Иволгин Е.С., Помников Е.Е., Цуприк В.Г. Экспериментальное определение удельной энергии механического разрушения льда методом одноосного сжатия. Материалы международной научной конференции «Полярная механика – 2016». Владивосток, сентабрь 2016. 8 с.) обеспечивают устойчивый процесс механического разрушения его верхней части в виде спонтанно повторяющихся и чередующихся сколов боковых участков в зоне контакта образца с жесткой поверхностью плиты пресса, смятием в средней части его рабочего контакта и выжиманием продуктов разрушения льда из контактной зоны, что по набору видов разрушения и характеризующих их параметров аналогично параметрам реального процесса взаимодействия ледового поля с опорой сооружения и что зафиксировано видеосъемкой и инструментальными записями кривой «сила-перемещение» с использованием тензометрического измерительного комплекса с записью всех параметров на персональный компьютер.
cr
Таким образом, заявляемый способ позволяет определять удельную энергию механического разрушения льда ε при скорости его нагружения, соответствующей скорости дрейфа ледового поля, и в условиях реализации многоциклового разрушения части образца льда, как удельные интегральные затраты энергии на работу сдвиговых и сжимающих деформаций, так и на работу, расходуемую на выжимание продуктов разрушения льда из зоны контакта.