ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ ЛОКАЛЬНОГО ЛЕДОВОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ В ЛЕДОВОМ БАССЕЙНЕ

Полезная модель относится к области судостроения, а именно к оценке прочности конструкций ледостойких сооружений, и касается вопросов увеличения достоверности прогнозирования расчетных локальных ледовых нагрузок на ледостойкие сооружения на основе модельных испытаний в ледовом бассейне и, как следствие, снижения металлоемкости конструкций при сохранении заданного эксплуатационного ресурса.
Большинство существующих нормативных способов регламентации расчетных локальных ледовых нагрузок базируется на эмпирическом подходе, получившим название pressure area curve (PAC) (зависимость давление - площадь). Согласно данному подходу ледовое давление (p), равномерно распределенное на площади контакта (A) конструкции, является некоторой функции площади A типа
где α - эмпирический коэффициент.
Для построения зависимости вида (1) используются представительные базы данных о проводившихся экспериментах по измерению параметров ледовой нагрузки при различных площадях зоны контакта конструкции со льдом. Естественно, что для относительно малых площадей контакта имеется достаточный объем испытаний на малых и средних ледовых образцах для обоснованного прогнозирования величин средних давлений. С увеличением площади контакта, происходящим при переходе от нормирования прочности конструктивных элементов (пластин обшивки, балок основного набора) к балочным системам (перекрытиям), достоверность экспериментальных данных при испытании ледовых образцов снижается, а обеспечение необходимого уровня безопасности достигается использованием консервативного подхода, связанного с определенным перетяжелением сложных конструкций.
Известна система для контроля ледовой нагрузки (заявка WO 2006117431 (A1)), основанная на использовании комбинации датчиков напряжений, каждый из которых выполнен с возможностью преобразования деформаций конструкции в сигнал, пропорциональный деформациям. Датчики устанавливаются в выбранной области определенным образом на настил, свободный поясок рамы, стенку рамной связи и в итоге формируют тензометрическую панель.
Известна измерительная панель ледового давления (патент RU 2559122 C2), работающая на основе пьезорезисторной молекулярной пленки, в которой одна из пластин содержит вырезанные углубления, заполненные пробками из редуцирующего материала, обладающего меньшим модулем упругости, чем материал обшивки панели датчиков.
Общим недостатком известных устройств является то, что они предназначены для монтирования на реальные объекты и служат для измерения напряжений и усилий в реальном времени, действующих на конкретный объект и больше относятся к системам мониторинга. При этом условия, при которых воздействует нагрузка могут различаться по периметру объекта, что не дает объективных представлений о возможных экстремальных нагрузках, возникающих при эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является получение зависимости давление-площадь (PAC) на основе модельных испытаний в ледовом бассейне, для достижения которого предлагается измерительная панель локального ледового давления. Панель характеризуется наличием трех измерительных окон различной площади с установленными на них датчиками-тензометрами и герметично прилеплена к опорному контуру, снабженному отверстиями для прокладки кабелей. Опорный контур соединен с буксировочной тележкой через динамометр с возможностью ее движения перпендикулярно ледовому полю.
Для этой цели используется методика измерений, которая характеризуется количеством и размерами измерительных окон, системой расположения датчиков-тензометров и процедурой обработки показаний этих датчиков. Для получения среднего локального ледового давления на каждое измерительное окно используется матрица коэффициентов влияния. Коэффициенты данной матрицы формируются исходя из показаний датчиков-тензометров при единичном нагружении. Данная процедура наиболее точно описывает жесткостные характеристики измерительной панели по сравнению с использованием численных процедур метода конечных элементов.
Для достижения технического результата предлагается проводить специальные комплексные испытания в ледовом бассейне. Локальную ледовую нагрузку предлагается замерять, используя специальную измерительную панель 1, показанную на фиг. 1. Панель имеет три измерительных окна, обладающих меньшей толщиной и имеющих различные площади. В рамках геометрического подобия площади окон соответствуют площадям конкретного натурного сооружения, рассматриваемым при расчете прочности, а именно
измерительное окно площадью (A1) соответствует пластинам обшивки;
измерительное окно площадью (A2) соответствует балкам основного набора;
измерительное окно площадью (A3) соответствует перекрытию.
Площадь всей панели, соответствующая натурному сооружению и воспринимающая глобальную нагрузку, обозначена (AG).
На измерительных окнах панели по определенной схеме располагаются датчики-тензометры 3.
Эксперимент в ледовом бассейне предлагается проводить следующим образом. Измерительная панель 1 герметично устанавливается и прикрепляется к опорному контуру 2 (металлическому, фанерному и т.п.), в котором имеются отверстия 4 для прокладки кабелей. Жесткость опорного контура должна быть достаточно большой, чтобы исключить влияние его податливости на величину измеряемых нагрузок. Опорный контур через шестикомпонентный динамометр 5 крепится к буксировочной тележке 6 (фиг. 2), которая способна перемещаться перпендикулярно ледовому полю 7. При движении тележки ледовое поле воздействует как на всю панель, так и на каждое измерительное окно. При этом датчики-тензометры фиксируют локальное усилие на каждое из окон:
F1 - локальное усилие, действующее на измерительное окно 1;
F2 - локальное усилие, действующее на измерительное окно 2;
F3 - локальное усилие, действующее на измерительное окно 3;
а динамометр фиксирует глобальное усилие FG на всю панель.
По данным, полученным в результате измерений, определяются средние давления для каждого измерительного окна и для всей панели
К полученным данным добавляются результаты испытаний для малых и средних ледовых образцов. В результате имеется достаточно информации для построения уточненной зависимости типа 1.