在極寒地區，船舶想要“乘風破浪”需要多大的力才能把厚厚的冰層破開？寒冷的冬天，海水結冰，海上采油平臺與風力發電機是否經得起海冰的考驗？這是工程應用中“海冰力學”的重要研究課題。對于海冰力學行為的準確把握是保障冰區航行作業安全的關鍵環節。然而，海冰力學行為的多尺度效應一直是極地海洋工程領域懸而未決的難題。
近期，天津大學建工學院教授黃焱課題組成員、該校副研究員孫劍橋搭乘中國第15次北冰洋科學考察“雪龍2”號船完成了科考任務，開展了多組現場實驗，為揭示海冰力學行為的多尺度效應提供依據。
對于工程材料的多尺度力學分析，傳統研究方法是取如厘米級、分米級、米級等不同尺寸的樣本分別進行力學測試，然后用科學的方法推演出規律，并以此規律為依據，推算出更大體積物體的力學性能。以此方法，人們發現混凝土、巖石等材料的強度隨體積變大而減小。海冰，是否也遵循這個規律？海冰的鹽度、厚向深度等因素對于海冰的強度又有何影響？采用原位測量和離位測量的力學指標又有何變化？本次考察任務依托國家自然科學基金重大項目課題《海冰力學行為的跨尺度演變規律》，以求揭示海冰力學行為中的這些問題。
在此次科學考察中，課題組完成了海冰原位擴孔強度測試63組，海冰原位懸臂梁彎曲強度測試1組、三點彎曲強度測試43組。其中，海冰擴孔強度測試與原位懸臂梁彎曲強度測試均為我國首次在極地開展。“原位懸臂梁彎曲強度測試，就是我們模擬破冰船在破冰前行中利用船首斜面壓斷冰層的工作原理，選取了5米長、1.5米厚的冰層進行三面切割，利用液壓缸在冰梁的自由端施加壓力，測試冰層彎曲斷裂所需的力。”孫劍橋解釋說。實驗中，課題組在北極現場完成了涵蓋“厘米級”“分米級”和“米級以上”3個尺度的海冰力學行為測試，“毫米級”晶體尺度的力學測試目前正在基于采集的冰坯樣品繼續深化開展。
據悉，天津大學建筑工程學院冰力學與冰工程實驗室是國內目前唯一的低溫冰力學及冰工程實驗研究基地。此次實驗取得的相關測試數據及研究成果將推動海冰力學研究的前沿發展，為冰區船舶與海洋工程結構設計提供基礎輸入與技術驗證手段，將有力服務我國極地戰略的實施。
孫劍橋 天津大學供圖本文鏈接：天大學者北冰洋科考，給海冰做多尺度力學分析http://www.sq15.cn/show-11-28231-0.html
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