| 单词 | 本构型冰力学 |
| 释义 | 【本构型冰力学】 拼译：constitutive ice mechanics 主要研究冰的物理力学性质因晶体组构、盐分杂质、环境温度、受力状态、承载速率、边界约束等内外因素差异而变化的本构机理。以固体力学有关理论为基础，凭借实验力学为其根本手段，求得冰的本构关系及力学参数，为冰荷载的计算及冰与结构相互作用的静、动响应(称后者为结构型冰力学)提供依据，从而为冷区工程的可靠设计服务。 19世纪，俄国、北欧、加拿大等国家已在研究破冰技术以保护桥墩、堤坝、护坡、港口码头等建筑物。Reusch(1864)研究拉压及弯曲时冰的流动性，揭示了冰的塑性变形能力。Koch(1875)、Main(1887)、McConnel和Kidd(1888)等在各种条件下进行了许多力学性能实验，包括拉伸、压缩、弯曲、扭转、蠕变等，涉及冰的极限强度、海冰成分对拉伸变形的影响、静水压力对剪切变形速度的影响等。1946年，Kobeko研究了冰的塑性变形和粘滞性；1947年Northwood研究了冰的弹性性质；同年Shishov研究了冰的强度等。二次大战结束后，各国学者对冰物理力学性质的研究逐渐深入，内容趋广，项目增多，可归纳为六项专题。冰晶结构形态 Bragg(1922)及其后不少学者，研究了冰的微观结构指出，氧原子排列成四面体，氢原子虽非排列有序，但居于氧原子间不断颤动甚至跃迁。Devik(1949)等从细观角度先后研究了冰晶的成核机理。Assur(1958)为海冰盐份分布与柱状晶间的容纳状态提出一个理想模式。其后他自己的工作以及其他学者的贡献，将海冰冰晶结构形态的研究益臻完善。受力冰晶顺贝塞尔平面滑移，C轴与此平面垂直，因此研究C轴方位对了解冰的剪切滑移十分重要。冰的压缩、弯曲、拉伸与剪切 Butkovich(1964)对冰的极限强度的研究颇具承前启后之功。Assur(1958)和随后的一大批专家对冰的压缩、弯曲、拉伸与剪切等基本变形形式下的形变特性及强度都做出很多有价值的工作。尤其是1978年Michel发表了专著《冰力学》、翌年由国际理论及应用力学联合会(IUTAM)于哥本哈根召开了冰的物理与力学国际会议及1981年由Schwarz为首的8人工作小组制定了《冰的力学性能测试国际建议标准》以后，全世界的冰力学工作者，通过现场测试或室内实验，成果的报导犹如雨后春笋，虽内容广泛，但其共同要点有：单轴压缩强度因温度及盐度的降低而升高；应变速率在一定范围内，将显示出屈服台阶和峰值应力，而从10－5s－1增快到10－2s－1时，压缩强度几乎增长3倍，而在10－4～10－3s－1区间出现极大值，破坏形式由韧性转变为脆性。加拿大的Sinha(1981)得出的韧脆转变点为2．5×10－4s－1，中国的沈(1984)得到的为4．0×10－4s－1；Mellor与Cole(1983)给出压缩破坏应变、破坏强度、承载时间及应力应变速率之间的关系，有0．1%、1．0%和10%，3个特征阶段；柱状晶各向异性冰的平面应变压缩强度至少为单轴压缩的两倍半；钢圆柱冻入海冰施加扭转可测得剪切强度。结果表明盐度增加及温度降低均将提高剪切强度；弯曲强度也有类似压缩强度的应力速率韧脆转变点。冰的弹性性质 最早Boyle与Sproule(1931)利用超声波在冰中传递速度的变化测出亚静态弹性模量。以后许多学者做了相似的工作，求得弹性性质与雷利波传播速度的关系等。通过压缩或弯曲可测定冰的静态弹性模量和泊松比。冰的各向异性和非线性导致初始切线模量较离散，Sinha(1986)提出割线模量E0．5和E1．0。工程上采用破坏模量Ef，但其物理意义不明确，沈(1989)提出半破坏模量E0．5f。对冰弹性性质参数的界定至今尚无定论。冰的蠕变性质 在测定冰的力学性质的同时，许多学者已获得蠕变速率随冰晶方向、温度、应力不同而变化的规律。50年代以来，对冰蠕变的研究逐渐深入而形成专题。学者们进行了各种研究获得了一些共同规律：应力与应变速率及真应变与时间之间的关系与金属材料相似，区分为应变减速、稳定、加速三个阶段，各段之久暂视温度、应力水平而异；减速阶段为一个可恢复的“延迟弹性应变”加上一个不可恢复的“粘滞应变”，可用多项幂函数或双曲正弦函数来描述稳态蠕变行为。IUTAM／IAHR1989年圣约翰斯市冰与结构相互作用会议后，对蠕变的研究又上了一个台阶。冰的断裂韧性 应用线性弹性断裂理论来研究冰的断裂韧性始见于70年代。Goodman与Tabor(1978)，借助于金属材料各向同性的假设及试验方法，探讨了冰的断裂韧性与裂纹扩张力。其后进入80年代，不少于20位学者分别研究了淡水冰、多晶冰、海冰、尿素模拟冰的Ⅰ型断裂韧性KIc。沈、林(1986)首先发表了Ⅱ型断裂韧性KIC以及Ⅰ、Ⅱ两型复合断裂准则问题，又于1989年圣约翰斯会议上发表了用紧凑压缩试件研究冰的KIc的观点。研究者对柱状晶冰均采用了横观各向同性的处理方法，以此表述各向异性冰的断裂韧性必然有较大的局限性。冰的疲劳性质 Tabata与Nohguchi(1979)用交变压缩实验得出冰的疲劳破坏时平均应力只为压缩强度的30%～60%及其消耗的机械功总量比压缩的大得多等结论。Mellor与Cole(1981)研究了交变应力作用下各向同性多晶冰的应力－应变滞回环的进展规律。由于冷区近海海底能源的开发，除原苏联外，加拿大、美国、挪威、瑞典、芬兰、德国、英国、澳大利亚、新西兰、中国、日本等许多国家都重视冰力学研究，不断地投入资金以持续充实实验能力和提高研究水平，为工程设计提供可靠依据。在国家自然科学基金先后4次资助下，大连理工大学力学系冰力学研究室建成了一个全天候、小而全的实验基地，形成了一支梯形队伍，在本构型冰力学研究方面已跻身国际行列，并为渤海石油开发工程提供了服务。展望今后，本构型冰力学亟待往非线性各向异性力学行为及断裂机理方向发展，着重点在：(1)细观形态及形成机理以及对宏观强度的影响；(2)宏观强度及影响因素；(3)复合断裂裂纹面扩展规律及断裂准则；(4)近代光测力学法研究变形行为；(5)应用损伤力学理论分析冰的承载变形及破坏过程的规律；(6)有限冰板受边界约束及温度变迁导致的冻胀力。【参考文献】：1 Assur A. Composition of Sea Ice and It's Tensile Strength, Nat. Acad. Sci. -NRC Publ. , 1958,598;106～382 Michel B. Ice Mechanics, 19783 Tryde P. (Editor) Physics and Mechanics of Ice,IUTAM Symposium Copenhagen 1979,Springer-Verlag(1980)4 Schwarz J et al. Cold Regions Science and Technology, 1981,4:245～2535 Sinha N K. Experimental Mechanics, 1981,6:209～2186 沈梧，林树枝．大连工学院学报，1984，4∶45～507 Shen W Lin S Z. Journal of OMAE, 1988,409～4138 Jones S J, Mckenna R F,Tillotson J. Jordaan (Eds), Ice - Structure Interaction, 1989,147 ～ 164, Springer - Verlag Berlin Heidelberg (1991)9 沈梧．国际学术动态，1990，2∶63～67(大连理工大学沈梧教授撰) |
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