CC BY
18
УДК 531.7
В. Л. Земляк, С. В. Радионов
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЬДА
В работе предложено спроектированное и изготовленное автором универсальное нагружающее устройство для определения физико-механических характеристик модельного льда, используемого в лаборатории ледотехники при моделировании процессов разрушения ледяного покрова прогрессивными изгибно-гравитационными волнами. Устройство изготовлено с помощью послойного моделирования объектов на 3D принтере с использованием блоков Arduino.
Ключевые слова: лёд, предел прочности на изгиб, модуль упругости.
DOI: 10.24411 /2227-1384-2020-10004
С каждым годом в мире всё сильнее растёт спрос на углеводороды, что приводит к истощению известных месторождений и необходимости поиска и разработки новых запасов. На сегодняшний день в Арктике обнаружено более 60 крупных месторождений углеводородов, 43 из которых расположены в российском секторе. По оценкам специалистов, сейчас в регионе сосредоточено до 30 % мировых неразведанных запасов газа и 13 % — нефти. Однако, несмотря на огромные богатства арктического шельфа, при реализации проектов в этом регионе необходимо решение целого комплекса серьёзных проблем.
Особое внимание вызывают вопросы добычи и транспортировки полезных ископаемых. С учётом суровых климатических условий возникает необходимость создания специальных транспортных средств для перевозки полезных ископаемых и обеспечения снабжения. Основным средством для разрушения льда на сегодняшний день остаются ледоколы и ледокольные приставки. Использование таких средств позволяет свести к минимуму возможность ледового плена, повреждения или гибели судов при их эксплуатации во льдах.
Движение судна в ледовых условиях значительно отличается от движения на чистой воде из-за увеличения сопротивления движению, заклинивания корпуса во льду, сложности маневрирования и т. д. Для
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
Радионов Сергей Владимирович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан, Россия); e-mail: vellkom@list.ru.
© Земляк В. Л., Родионов С. В., 2020
34
решения задач, связанных с проектированием ледокольных судов, необходимо знать сопротивление льда движению судна.
Для экспериментального способа определения сопротивления используют ледовые бассейны. На сегодняшний день в различных странах функционирует порядка 20 ледовых бассейнов, в которых проводятся испытания в сплошных, битых и торосистых льдах, моделируется воздействие ледяного покрова на мостовые опоры и буровые платформы. Несмотря на большое разнообразие используемых моделей льда и методов его создания, вопрос моделирования окончательно не решён. Более того, для приготовления льда необходимы отрицательные температуры, для чего используются специальные холодильные камеры, что приводит к росту стоимости испытаний и их большой продолжительности, т. к. время, затрачиваемое на приготовление одного модельного поля, может доходить до нескольких суток. Главной задачей при приготовлении модельного поля льда является строгое соблюдение заданных физико-механических характеристик (модуля Юнга, предела прочности льда на изгиб), которые определяются экспериментальным путём.
Целью работы являлось создание мобильного съёмного устройства, позволяющего определять прочностные характеристики модельного льда с высокой скоростью и точностью, сохраняя и обрабатывая полученные данные на персональном компьютере в автоматическом режиме.
Первый в мире ледовый бассейн был построен в 1955 году в Арктическом институте (г. Ленинград, СССР). Для успешной работы установки была разработана специальная модель ледяного покрова, которую предлагалось намораживать из раствора поваренной соли МаС1. Эксперименты оказались удачными, и в бассейне были проведены первые модельные испытания. Для эффективной работы ледового бассейна Ю. А. Шиманским и Л. М. Ногидом была разработана теория моделирования взаимодействия гидротехнических объектов с модельным льдом. В теории моделирования были предложены основные критерии подобия, которые должны одновременно соблюдаться при проведении экспериментов в ледовых бассейнах. Этими критериями являются критерий Фруда и Коши [5].
Крупнейшим ледовым бассейном в мире является бассейн Крылов-ского государственного научного центра (КГНЦ) (г. Санкт-Петербург, Россия). Бассейн был введён в эксплуатацию в 2013 г. вместо устаревшего бассейна КГНЦ, построенного в 1985 г. Длина бассейна с доковой частью составляет 102 м, длина ледяного поля — 80 м, ширина бассейна — 10 м, глубина — от 2 до 4,6 м, толщина намораживаемого слоя льда может доходить до 0,1 м (рис. 1).
Установка предназначена для проведения буксировочных и самоходных испытаний моделей кораблей, судов и инженерных сооружений, определения ледовых нагрузок на стационарные и плавучие морские платформы.
35
Рис. 1. Опытовый ледовый бассейн Крыловского государственного научного центра
В ледовом бассейне моделируются различные ледовые условия: сплошной ровный припайный и дрейфующий лёд; мелко- и крупнобитый лёд; обломки ледяных полей; торосистые гряды; одиночные торосы; поля всторошенного льда; возможна имитация процессов сжатия льда [2].
Одним из путей проведения испытаний является использование в качестве модели льда естественного ледяного покрова [7]. По сравнению с требованиями теории моделирования естественный лёд имеет повышенную прочность, поэтому широкое распространение получила версия о невозможности его использования в качестве модельного. Однако при использовании естественного льда компенсировать повышенную прочность можно уменьшив его толщину. Более того, имеется ряд задач, в которых использование естественного льда в качестве модельного, приготавливаемого с помощью естественного охлаждения оправдано и даёт качественные результаты. К таким задачам относится процесс распространения в системе лёд-вода прогрессивных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) при определённой интенсивности которых может произойти частичное или полное разрушение льда. ИГВ генерируются движущимися нагрузками, которые могут перемещаться по льду (судно на воздушной подушке, автомобиль, самолёт после посадки на лёд) и подо льдом (подводное судно) [6].
Экспериментально установлено, что на параметры ИГВ могут оказывать существенное влияние различные ледовые условия, в которых перемещается нагрузка (глубина и рельеф дна, наличие торосов, свободной кромки во льду, снежного покрова и т. д.) [8 — 10].
С целью изучения процесса распространения ИГВ во льду от движущихся нагрузок в различных ледовых условиях в Приамурском госу-
36
дарственном университете имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) в 2012 году была создана уникальная лаборатория ледотехники на базе опытового ледового бассейна [3]. Структурная схема бассейна представлена на рисунке 2.
На сегодняшний день существует несколько способов моделирования ледяного покрова, при этом лёд может быть естественным, искусственным, композитным либо может использоваться его заменитель [1].
Обычно в ледовых бассейнах для намораживания модельного поля льда используют раствор МаС1, обеспечивающий заданное снижение прочности. Для более точного моделирования прочности варьируют температуру поля, используя зависимость прочности льда от температуры. В качестве раствора может использоваться раствор карбамида, также возможно использование трёхкомпонентного льда. Общим недостатком технологии являются существенные временные затраты на приготовление модельного поля и его высокая стоимость. Средняя скорость роста льда составляет 1—2 мм/час [4].
Ввиду отсутствия в опытовом бассейне лаборатории ледотехники рефрижераторной установки экспериментальные исследования проводятся только в зимний период времени (декабрь-февраль). Модель ледяного покрова приготавливается в ледовом бассейне путём намораживания естественного пресноводного льда без примесей заданной толщины естественным холодом. Помещение, где расположена чаша бассейна, на весь период экспериментов не отапливается. При проведении экспериментов моделирование осуществляется с частичным выполнением условий подобия [6].
Рис. 2. Схема ледового опытового бассейна лаборатории ледотехники
37
Из всего многообразия основных прочностных характеристик льда в рамках исследований, осуществляемых в лаборатории ледотехники, наибольший интерес представляют предел прочности льда на изгиб ои и модуль упругости E. Для их определения используются метод разрушения консолей (клавишей), т. к. он обладает важным преимуществом: если испытываются клавиши, скреплённые с остальной частью ледяного покрова, то отсутствует влияние изменения температуры по толщине льда на получаемые результаты.
Ранее (2012 — 2018 гг.) для этого во льду выпиливались консоли П-образной формы габаритами l х b = 0,15 х 0,45 м вращающимся инструментом Dremel. Усилие, затрачиваемое на разрушение консоли, определялось с помощью электронного динамометра Mark-10 (USA). Метод оказался достаточно громоздким и не обеспечивал требуемую чистоту эксперимента, т. к. при вращении на кромках получаемой консоли формировалась сеть микротрещин, что могло сказываться на результатах экспериментов. В связи с этим было спроектировано и изготовлено новое устройство для определения физико-механических характеристик льда.
Устройство можно разделить на 4 основные части (рис. 3):
- неподвижная часть жёстко фиксируется над поверхностью льда путём фиксации на буксировочной тележке;
- подвижная часть, к которой крепится нагревательный элемент;
- направляющая часть (телескопический элемент) является связующим звеном между подвижной и неподвижной частью и выполняет функцию нагружающего устройства;
- блок управления, выполненный на основе платформы Arduino.
Основные элементы устройства спроектированы и изготовлены с
помощью послойной печати на 3D принтере. Подвижная часть располагается снизу от неподвижной. На ней жёстко закреплены тензодатчик и рамка в виде клавиши П-образной формы с заданным размером (клавиша является съёмным элементом), на которую спиралью намотан нагревательный элемент (нихромовая проволока). Клавиша расположена так, чтобы при опускании подвижной части рамка сначала проплавляла поверхность льда и уходила под воду, а при дальнейшем опускании на край клавиши осуществлялось давление через тензодатчик выдвинутого штока, который фиксирует прикладываемое усилие. Сверху на подвижной части жёстко закреплена шпилька, которая проходит через отверстие в неподвижной части (рис. 3).
На неподвижной части фиксатор удерживает гайку на шпильке и закреплённую соосно на гайке шестерню для вертикального перемещения. Таким образом, если вращать гайку-шестерню, шпилька, проходящая через отверстие в неподвижной части, будет приводиться в движение вверх или вниз. Направление движения зависит от направления вращения гайки-шестерни.
38
Рис. 3. Основные элементы устройства
На неподвижной части закреплён шаговый двигатель с шестернёй на валу таким образом, чтобы вращать гайку-шестерню на шпильке. Так как двигатель шаговый, вал можно поворачивать на определённый градус. Зная градус поворота, можно вычислить перемещение шпильки, а значит, и подвижной части, измеряя величину прогиба проплавленных во льду клавиш.
Блок управления реализован с помощью платформы АМито (рис. 4).
Рис. 4. Блок управления на основе Arduino
Блок управляет вращением вала шагового двигателя, декодирует сигнал с тензодатчика и управляет током, подаваемым на нагревательный элемент. Общий вид устройства в сборе показан на рис. 5.
Разработанный программный комплекс (ПК) позволяет отправлять и передавать сигналы блоку управления через СОМ порт (рис. 6).
39
Рис. 5. Устройство, установленное на буксировочную тележку перед началом экспериментов по определению физико-механических характеристик модельного льда
Рис. 6. Рабочее окно разработанного ПК
40
ПК в автоматическом режиме способен собирать и обрабатывать экспериментальные данные в зависимости от размеров используемых клавиш, определять разрушающую нагрузку, прогиб, предел прочности на изгиб и модуль упругости. Предложено, спроектировано и изготовлено универсальное нагружающее устройство для определения физико-механических характеристик модельного льда. Знание прочностных свойств ледяного покрова — крайне важная экспериментальная задача. Лёд представляет собой сложную структуру, свойства которого зависят от условий его формирования. Использование предложенного устройства позволяет определять с высокой точностью модуль упругости и предел прочности модельного льда на изгиб используемого при проведении экспериментов в лаборатории ледотехники.
Полученные данные используются при пересчёте экспериментальных результатов на натуру по методике моделирования и позволяют с высокой точностью прогнозировать поведение естественного ледяного покрова под воздействием движущихся нагрузок.
Список литературы
1. Борусевич В. О., Русецкий А. А., Соловьев И. А. Современные гидродинамические лаборатории. СПб.: ЦНИИ им. А. Н. Крылова, 2008. 335 с.
2. Денисов В. И., Сазонов К. Е., Тимофеев О. Я. Новые экспериментальные возможности Крыловского государственного научного центра по изучению ледовых воздействий на объекты морской техники / / Арктика: экология и экономика. 2015. Т. 19. № 3. С. 76 — 81.
3. Земляк В. Л., Курбацкий Д. А., Баурин Н. О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1 (12). С. 75 — 84.
4. Ионов Б. П., Грамузов Е. М. Ледовая ходкость судов. СПб.: Судостроение, 2013. 504 с.
5. Каштелян В. И., Позняк И. И., Рывлин А. Я. Сопротивление льда движению судна. Л.: Судостроение, 1968. 238 с.
6. Козин В. М., Онищук А. В., Марьин Б. Н. Ледоразрушающая способность изгиб-но-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука, 2005. 191 с.
7. Ногид Л. М. Моделирование движения судна в сплошном ледяном поле и в битых льдах // Труды ЛКИ. 1959. Вып. XXVIII. С. 179—185.
8. Pogorelova A. V., Zemlyak V. L., Kozin V. M. Body motion in liquid under ice plate with snow cover / / Applied Ocean Research. 2019. No. 84. P. 32 — 37.
9. Pogorelova A.V., Zemlyak V.L, Kozin V.M. Moving of a submarine under an ice cover in fluid of finite depth // Journal of Hydrodynamics. 2019. Vol. 31(3). P. 562 — 569.
10. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Chizhiumov S. D., Baurin N. O., Matiushina A. A. The influence of the bottom contour on the deformed state of the ice cover due to the motion of the submarine / / Applied Ocean Research. 2019. No. 87. C. 204 — 210.
* * *
41
Zemlyak Vitaly L., Radionov Sergey V. DEVICE FOR DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ICE
(Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
A universal loading device designed and developed by the author for determining the physicomechanical characteristics of model ice, used in the laboratory of ice technology when modeling ice cover destruction processes by progressive flexural-gravitational waves, is proposed. The device is made by means of layer-by-layer modeling of objects on a 3D printer using Arduino blocks.
Keywords: ice, flexural stresses, Young's modulus. DOI: 10.24411 /2227-1384-2020-10004
References
1. Borusewicz V. O., Rusetskiy A. A., Soloviev I. A. Sovremennye gidrodinamicheskie laboratorii (Modern hydrodynamic laboratories), St. Petersburg, 2008. 335 p.
2. Denisov V. I., Sazonov K. E., Timofeev O. Ya. New experimental capabilities of the Krylov State Research Center for study of ice impact on marine equipment [Novye eksperimentalnye vozmozhnosti Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra po izucheniiu ledovykh vozdeistvii na obieekty morskoi tekhniki], Arktika: ekologiia i ekonomika, 2015, vol. 19, no. 3, pp. 76 — 81.
3. Zemlyak V. L., Baurin N. O. and Kurbackiy D. A. Laboratory «Ice technology» [Laboratoriya «Ledotekhniki»], Vestnik Priamurskogo gosudarstvennogo universiteta im Sholom-Aleykhema, 2013, no. 1(12), pp. 68 — 77.
4. Ionov B. P., Gramuzov E. M. Ledovaia khodkost sudov (Ship ice speed), St. Petersburg, Sudostroenie Publ., 2013. 504 p.
5. Kashtelyan V. I., Poznyak I. I. Ryvlin A. Ya. Soprotivlenie lda dvizheniiu sudna (The resistance of ice to the movement of the vessel), Leningrad, 1968. 238 p.
6. Kozin V. M, Onishchuk A. V., Mar'in B. N. Ledorazrushaiushchaia sposobnost izgibno-gravitatsionnykh voln ot dvizheniia obieektov (The Ice-Breaking Capacity of Flexural-Gravity Waves Produced by Motion of Objects), Vladivostok, 2005. 191 p.
7. Nogid L. M. Simulation of the movement of a ship in a continuous ice field and in broken ice [Modelirovanie dvizheniia sudna v sploshnom ledianom pole i v bitykh ldakh], Trudy LKI, 1959, vol. XXVIII, pp. 179—185.
8. Pogorelova A. V., Zemlyak V. L., Kozin V. M. Body motion in liquid under ice plate with snow cover, Applied Ocean Research, 2019, no. 84, pp. 32—37.
9. Pogorelova A. V., Zemlyak V. L, Kozin V. M. Moving of a submarine under an ice cover in fluid of finite depth, Journal of Hydrodynamics, 2019, vol. 31(3), pp. 562—569.
10. Zemlyak V. L., Kozin V. M., Chizhiumov S. D., Baurin N. O., Matiushina A. A. The influence of the bottom contour on the deformed state of the ice cover due to the
motion of the submarine, Applied Ocean Research, 2019, no. 87, pp. 204—210.
* * *
42
