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2024-09-09 18:49:38

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　　2o01年9月水利学报第9期文章编号：0559—9350(2001)09—005l04非冻结合成模型冰的动摩擦系数李志军，沈照伟。，曲月霞，李广伟(1．大连理ll^学海岸和近缚E程家晕点实验室，辽夫琏Il6024摘要：奉文介绍非冻结(DLF-1)台成模型冰的主要性能和实验动摩擦系数通过实验删试丁1)L1合成模型冰浸水后与浸水模型冰断而之．同锅板、刷漆木板、有机玻璃板表丽之间的滑动摩擦力．获得浸水模冰之fHj的内聚力为414Pa．内摩擦角为24—26~平均动摩擦系数为049，它与天然海冰河冰的动摩擦系数范相吲，也与几种台成模型球的一致还锝到删一l模型球与铝板的平均摩擦系数是037；与漆木板是057；与有机玻璃扳是038，所有的动摩擦系数都随JT：压应力、运动速度的增加而降低．关键词：骨成模型冰牯聚力；内摩擦角；摩擦系数；实验中图分类号：P3436；P731I5文献标识码：A我国北方水利工程和渤海近海工程存在冰凌影响，开展冰与结构相互作用的物理模拟研究十分重要．曾有学者。。利用工业白蜡作为模型冰开展过河冰方面的实验研究，但该材料强度高，摩擦系数大．无法模拟冰块破碎和堆冰溃决等现象文献[3]建立了低温冰池实验室，引用尿素模型冰．为充分利用常温水池实验室设备，作者发展了一种非冻结台成模型冰，称为DUT-I模型冰．文献5，6]的非冰结合成模型冰的主要缺点是摩擦系数偏大，造成碎冰块运动时有“粘结”，使碎珠运动失真，只有SYG台成模型冰和GRREL／Iowa塑料模型冰符合要求。”～发展新型台成模型冰的难点不仅是强度指标的降低，更重要是摩擦系数台理．实验结果表明DUT-I模型冰之问最高内摩擦角和摩擦系数与天然冰和现行几种模型冰相比是合理的．1实验设备DUT-1模型冰是由聚丙烯粒、白水泥和水混台搅拌，铸模、养生制成的非冻结功能材料．属于多孔复台材料，骨料粒径集中在0．3rnm，由胶结材料的强度控制其整体强度．通过调整胶结材料的比伽和配方，实现对模型冰物理和力学性能的控制．它适用于I：10～1：30的各种冰过程的物理模拟实验研究DUT-1模型冰摩擦系数实验采用传统的滑动拖拉方式，由自行设计研制的多功能拖车施加水平作用力．计算机控制多功能实验拖车的小型永磁低惯量宽诃速伺服直流电机运动速度，通过齿轮和离台系统进行运动方向的组合和分离，可使拖车整体沿轨道作水平正反方向的运动，拖带模型冰完成模型冰与结构相互作用和冰堆积行为模拟实验也可以固定拖车，驱动独立水平运动或独立垂直运动构件，完成对模型冰试件的摩擦系数、弯曲强度、抗压强度和密度测试．实验速度测量使用中国水利水电科学研究院制作的5CB10C型精密数字位移汁．位移测量范围±5ram，线mm．摩擦力测量使用航天部602所制作的量程为1kg的应变式力收稿El期：2000．06-26基金项目：国家杰青年基盘t597259]9)；中国博士后科学基金资助项目(98-6)怍者简卉李志军(19601，男，河北崇札^．教授．博L后主要从事冰L程和耐=区环境保护的科研鞭学工作5维普资讯感器．测量精度为±2g．每一试样上覆3～4个不同质量，分别以3个不同运动速度各进行3～5次往复运动，测出摩擦力过程．摩擦实验材料选用模型冰自身和水工物理模拟实验常用的铝板、刷漆(1NATA一160)木板和有机玻璃板．图1给出2条摩擦力过程线．由图可见，模型冰同铝板之间的摩擦过程符合一般固体表面摩擦特征，刷漆木板和有机玻璃板的摩擦力过程与铝板的相同，而模型冰之间的过程略有差异．由于DUT-1模型冰骨料以0．3ram的聚丙烯粒为主，所以断面为小于03ram冬蜡鼍252015Ioo568lOI2时问函I摩擦宴验过程线的粗糙面，对这样的粗糙面，摩擦力波动较大，并且当摩擦力较大时，往往有聚丙烯粒脱离胶结，成为表面运动的滚动摩擦．因而全部DUT一1模型冰之间的晟大静摩擦力不明显，个别动摩擦力大于晟大静摩擦力．取动摩擦区段的平均摩擦力与接触面上的正压力计算动摩擦系数．2实验结果实验结果见表1另外，分析了DUT-1模型冰之间内聚力和内摩擦角，以及正压力与运动速度对动摩擦系数的影响．表1DUT-1模型冰与材料之间平均动摩擦系数实验结果统计。5盯3046207O070．5452705I0498O咒， 5 5 3 55 3 55 3 55 3 55 1 0 7 ．10 7 10 7 l 0 l 0 6 5 10 65 10 6 5 O 47 0 34 0 40 0 39 0 ．35 O 37 D 35 D 35 O 0 37 O ∞ 0 37 0 ．36 3 55 3 5 5 3 ．55 19 6 0 5 1 2 5 6 0 57 7 O 19 6 0 6 ， 7 l O 2 5 6 0 60 7 l O 3 7 5 0 5 3 IO 晒 10 65 10 65 3 55 3 5 5 3 55 3 50 0 4 5 1 1O 3 50 O ．4 2 7 l0 5 50 0 3 5 】9 6 0 58 10 6 5 25 6 0 5 0 10 6 5 35 0 0 36 3 实 验 结 果 分 析 3．1 模型冰之间的内聚力、内摩擦角和摩擦 系数 在冰一水相互作用和碎冰块堆积模 拟中均考虑到 模型冰碎冰块之间的 内聚力和 内摩擦 角 ．因此，利用库仑一 奠尔定律检验摩擦实验结果 图 2 得到 DUT-1 模型冰 内部粗糙 面之问摩擦力 同正压力 的关 系 ，它给 出碎冰块 的 内摩擦 角和 内聚力 ，并 且反 映 出 这些值 同运动速度无关 。实验 统计获得 DUT一1 模型 冰碎 冰块 的 内聚力 为 4 ～14Pa，内摩擦角 为 24 ～26。． DUT-I 模 型冰碎 冰块 的摩擦 系数 同正压 力呈递 减 关 系 ，见 图 3 但 由于碎 冰块 的剪 切力 对 速 率有 效应 ，所 以摩 擦系数对 运 动速 度有依赖 性 、也表 现为递 减 关系 ，见图 4 ．这 同细粒 酒 精模 型 冰 自身之 间摩擦 系数随速 度增加 而减 少 的关 系相 同 统 计结 果表 明 DUT一1 模型 冰与模 型 冰之 间的平 均动摩 擦 系数为 0．49 ．与海 冰 之间 0 ．45 ～0 ．50 和淡 水冰之 间 0 50 ～0 ．70 的摩 擦 系数一致 与 SYG 合成模 型 冰的 0．50 、CRREL／10wa 塑料模 型 冰 的 0 53 也一 致 5 2 枷m 蛳郴m蛳珊瑚导{ 榴 3 3 3 3 3 9 9 9 9 5 5 j 5 4 4 4 4 4 n 忙 拉 幢 丑 n 维普资讯 ．2 模 型冰 与其 它模拟 材 料之 间 的动 摩擦 系数 模 型 冰与铝板 、刷 漆 木板 和有 机 玻 璃 板 之 问 的摩 擦 系 数也 表现 为随着 正压 应力 和速度 的增加 呈 衰减趋 势 ． 这种 趋势 同辽 东 湾天 然 冰与几 种 常 见建 筑 材 料之 间 的摩 擦系数 规律 一 致 ” 天然 冰 摩 擦 系数 的外部 影 响 因子有 正压 应 力 、相 对 运 动 速 度 、材 料 表 面粗 糙 度 、材料 表面 吸 水性 和 冰与 环 境 温 差 非 冰 结合 成 模 型冰不属 于温 度 敏感 型材 料 ，摩 擦 过 程 中没 有 融 化 水膜存 在 ．所 以发 生 的现 象 与材 料 表面 吸 水性 和 环境温度 无 关 只 有 粗 糙度 和 正 压 应 力 、相 对 运 动 速度 成 为 影 响 动 摩擦 系 数 的 因子 ．DUT-I 模 型 冰 的 l· 6 z I 2 釜㈤ 世 O．4 0 ．0 0 20 0 40 0 600 80 0 10 00 正压应 力／Pa △ ．4 3 ra m／s； 口 14 3 ra m／s； O ：24 3 mm／s 圈 2 隼擦 同正 压 应 力 的 关 系 粗糙度 由其 骨料 组配构 成 ，影 响 程度一致 ．图 5 给 出其动摩 擦 系数随 正压应 力 、相对运 动 速度 的统计 关 系 O 8 0 6 鼎 叫 0 2 0 0 0 20 0 40 0 6 00 800 10 00 正压应力／Pa △ ： 4 ． 3 ra m／s；口 ： 14．3 mm／s；O 24 3 mm／s O 8 0 ．6 曦0_t 世 O 2 0 图 3 摩 擦 系 数 同 正 压 应 力 的 关 系 0 0 8 0 6 鬟 世 0 ． 2 0 0 0 4 8 l 2 I 6 20 24 速度／(mm／s) △ ： 2 0 7～37 3 Pa；口 52 7-． 6 0 7 g；O 86 7~94 1g 0 8 0 6 鞋 世 0 · 2 0 图 4 摩 擦 系数 同运 动 速 度 的 关 系 1 5O 3oo 4 50 600 0 正压应力／Pa 3 6 9 12 速度 ／(mm／s1 ( a) 正压应力 (b) 相对速度 △ 铝板 0 刷 漆木板 × 有机玻璃板 图5 摩擦系数随正压应力和相对速度的变化关系 图 5 的结果 与天 然海 冰的相 比，2 种 曲线 的衰减 程 度不 及 海 冰 的 明显 ．统计 表明 ，DUT-1 模 型 冰 与材料 之间 的平均 动摩擦 系数 分 别是 铝 板 为 0 ．37；刷漆 木 板 为 0 ．57；有机 玻 璃板 为 0．38．这 比天 然 海 冰在低 速度下 与钢板 的 0 36、与刷 漆 木板 的 0．26 偏 高 ． 4 结 论 ( 1) 冰块 堆积模 拟 主要是 冰块 浮力 、摩擦 和冰块 堆积 内摩擦 的动 力相似 动 力模 拟要求 模型 冰 比 一 5 3

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