(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210392770.X (22)申请日 2022.04.15 (71)申请人 江苏科技大学 地址 212003 江苏省镇江市梦溪路2号 (72)发明人 李志富　周渝凯　石玉云　胡俊明　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 胡定华 (51)Int.Cl. G01N 3/20(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 3/04(2006.01) (54)发明名称 基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测 量装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于刚性固定圆盘解析 解的冰弯曲强度测量装置及方法， 属于冰力学特 性试验技术领域。 该装置包括运动机构、 压头组 件、 冰样固定机构； 所述运动机构通过驱动压头 组件对压头挤压到冰面的接触点位置进行水平 调整， 所述压头组件包括位移传感器、 压力传感 器一、 液压推动杆和压头， 对冰样作垂向载荷加 载， 所述冰样固定机构包括底座和固定槽， 对冰 样进行刚性固定； 本发明还提供一种通过传感器 以及非接触式三维应变测量装置组成的测试系 统测量压头的荷载、 位移及其它应变变量， 后经 圆盘冰弯曲强度公式计算冰样力学性能的方法。 本发明在测量和分析过程中基于刚性固定圆盘 解析解， 使得对冰力学参数计算具备更高的数值 精度， 提升测量 准确性。 权利要求书2页 说明书5页 附图9页 CN 115372168 A 2022.11.22 CN 115372168 A 1.一种基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在于， 包括运动机构 (1)、 压头组件(2)、 冰样固定机构(3)、 非接触式三维应变测量装置(4)和安装平台(5)； 所述 运动机构(1)设有纵向驱动装置(1 ‑1)、 横向驱动装置(1 ‑2)和安装于横向驱动装置(1 ‑2)上 的移动支架(1 ‑3)， 运动机构(1)通过驱动压头组件(2)对压头(2 ‑5)挤压到冰面的接触点位 置进行水平调整， 所述压头组件(2)对冰样断裂前承受的压力值和位移 值进行测量； 所述冰 样固定机构(3)设于所述安装平台(5)的支撑架(5 ‑1)底部， 包括底座(3 ‑1)和固定槽(3 ‑2)， 所述固定槽(3 ‑2)可上下往复移动地安装在所述底座(3 ‑1)上； 所述支撑架(5 ‑1)一侧设有 控制箱(5 ‑3)， 其内集成有电气原件及相关程序， 以控制运动机构(1)、 压 头组件(2)的运 转。 2.根据权利要求1所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述压头组件(2)包括基座(2 ‑1)、 竖直向下安装在所述基座(2 ‑1)上的液压推动杆(2 ‑ 4)、 安装在所述基座(2 ‑1)上的拉线 式位移传感器(2 ‑2)以及设于液压推动杆(2 ‑4)末端的 压头(2‑5)， 所述基座(2 ‑1)通过螺栓可拆卸安装在所述移动支架(1 ‑3)上， 所述液压推动杆 (2‑4)和压头(2 ‑5)之间设有压力传感器一(2 ‑3)， 所述拉线式位移传感器(2 ‑2)的拉线端部 连接在压头(2 ‑5)上， 所述拉线式位移传感器(2 ‑2)与压力传感器一(2 ‑3)分别用于测量圆 盘冰样断裂前承受的最大压力值和最大位移值。 3.根据权利要求2所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述压头(2 ‑5)包括手柄一(2 ‑5‑1)、 角接触轴承一(2 ‑5‑2)、 破冰压头(2 ‑5‑3)、 主动齿 轮(2‑5‑4)以及从动齿轮(2 ‑5‑5)， 通过转动手柄(2 ‑5‑1)使主动齿轮(2 ‑5‑4)带动从动齿轮 (2‑5‑5)旋转以选用点接触式、 线接触式、 或者 面接触破 冰压头(2‑5‑3)。 4.根据权利要求1所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述安装平台(5)还包括位于所述冰样固定机构(3)上方的边界固定装置(5 ‑4)， 所述边 界固定装置(5 ‑4)包括与支撑架(5 ‑1)连接的液压升降柱(5 ‑4‑1)、 位于所述液压升降柱(5 ‑ 4‑1)下方的压环(5 ‑4‑3)以及设于所述液压升降柱(5 ‑4‑1)和压环(5 ‑4‑3)之间的压力传感 器二(5‑4‑2)。 5.根据权利要求1所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述纵向驱动装置(1 ‑1)包括纵移安装架(1 ‑1‑4)、 两根纵移蜗杆(1 ‑1‑1)、 若干个纵移 蜗杆滑块(1 ‑1‑2)以及纵向驱动电机(1 ‑1‑3)， 所述纵移蜗杆(1 ‑1‑2)和纵向驱动电机(1 ‑1‑ 3)设置于纵移安装架(1 ‑1‑4)上， 所述纵向驱动电机(1 ‑1‑3)驱动纵移蜗杆(1 ‑1‑1)转动， 从 而带动套在所述纵移蜗杆(1 ‑1‑1)上的纵移蜗杆滑块(1 ‑1‑2)沿纵向往复移动； 所述横向驱 动装置(1 ‑2)包括横移安装架(1 ‑2‑4)、 两根横移蜗杆(1 ‑2‑1)、 若干个横移蜗杆滑块(1 ‑2‑ 2)以及横向驱动电机(1 ‑2‑3)， 所述横移蜗杆(1 ‑2‑1)和横向驱动电机(1 ‑2‑3)设置于横移 安装架(1 ‑2‑4)上， 所述横向驱动电机(1 ‑2‑3)驱动横移蜗杆(1 ‑2‑1)转动， 从而带动套在横 移蜗杆(1 ‑2‑1)上的横移蜗杆滑块(1 ‑2‑2)沿横向往复移动； 所述横向驱动装置(1 ‑2)安装 于所述纵移蜗杆滑块(1 ‑1‑2)上， 所述横移蜗杆滑块(1 ‑2‑2)上安装有移动支 架(1‑3)。 6.根据权利要求1所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述冰样固定机构(3)的底座(3 ‑1)上沿周向分布有两个丝杆(3 ‑1‑2)和两个导向丝杆 (3‑1‑5)， 两者都设有角接触轴承二(3 ‑1‑1)和丝杆滑块(3 ‑1‑3)， 所述固定槽(3 ‑2)沿周向 分布四个连接耳板(3 ‑2‑1)， 所述连接耳板(3 ‑2‑1)分别与四个丝杆滑块(3 ‑1‑3)可拆卸连 接， 所述丝杆(3 ‑1‑2)上端安装有手柄二(3 ‑1‑4)， 手动旋转可上下往复移动所述固定槽(3 ‑权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115372168 A 22)； 所述冰样固定 机构(3)可根据需求固定不同尺寸的圆盘冰样。 7.根据权利要求2所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在 于， 所述非接触式三维应变测量装置(4)与所述拉线式位移传感器(2 ‑2)、 压力传感器一(2 ‑ 3)组成荷载与位移变化测试系统， 所述非接触式三维应变测量装置(4)的测量头包括可移 动支撑架(4 ‑3)和设于所述可移动支撑架(4 ‑3)上的高速工业相机(4 ‑1)与可调节激光源 (4‑2)， 所述非接触式三维应变测量装置(4)还包括其它相机同步控制触发控制箱、 动态采 集分析软件、 载荷加压控制通讯接口、 计算机系统等装置， 通过在变形过程中追踪物体表 面 的图像， 实现物体三维坐标、 位移及应 变的测量。 8.根据权利要求1 ‑7任一项所述的基于刚性固定圆盘解析解的冰弯曲强度测量装置， 其特征在于， 所述 安装平台(5)底部设有万向轮(5 ‑2)。 9.一种实施如权利要求2 ‑8所述的基于 刚性固定解析解的冰弯曲强度测量装置的测试 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 第一步、 手动调节冰样固定机构(3)使固定槽(3 ‑2)下放， 放置圆盘冰样后调节上移固 定槽(3‑2)， 夹固圆盘冰样； 第二步、 运动 机构(1)水平调整压头组件(2)的位置， 并使压头(2 ‑5)作用于圆盘冰样上 表面； 第三步、 校准压力传感器一(2 ‑3)、 拉线式位移传感器(2 ‑2)及非接触式三维应变测量 装置(4)； 第四步、 使压头(2 ‑5)继续下移直至冰样 断裂， 获得冰样 断裂时的压力值与位移值， 计 算冰样的弯曲强度D。 10.根据权利要求9所述基于 刚性固定解析解的冰弯曲强度测量装置的测试方法， 其特 征在于， 冰样的弯曲强度D由下式计算 其中： x＝r/a和ξ＝b/a， a为圆盘冰样的半径， b为载荷施加点到圆盘中心点的水平距 离， r为载荷施加点到圆盘冰样中心点的半径， θ为0和2π弧度之间的逆时针旋转角(当x＝ξ 时， θ＝0)， P、 w分别 为压力传感器一(2 ‑3)与拉线式位移传感器(2 ‑2)测量圆盘冰样断裂前 承受的最大压力值和最大位移值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115372168 A 3