黃 焱 孫 策 田育豐

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

(天津大學(xué)港口與海洋工程天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

引言

氣墊平臺(tái)的基本原理是利用墊升風(fēng)機(jī)將高壓氣流導(dǎo)入平臺(tái)底部，進(jìn)而形成動(dòng)力氣墊，將平臺(tái)墊升脫離支撐面[1-2].自1948 年，英國(guó)科學(xué)家、氣墊船之父克里斯托弗提出氣墊船的設(shè)計(jì)思想以來，已發(fā)展出全墊升式氣墊平臺(tái)、側(cè)壁式氣墊船、雙體式氣墊船等各具特色、功能多樣的結(jié)構(gòu)型式[3-5]，廣泛服務(wù)于軍事、水利和航渡等諸多領(lǐng)域[6-8].

將氣墊平臺(tái)用于河流破冰的概念始于一次偶然事件.在1971—1972 年的冬季，研究人員在位于加拿大耶洛奈夫市的大奴湖(大斯雷夫湖)內(nèi)，開展了一項(xiàng)將氣墊平臺(tái)ACT-100 改裝為北極地區(qū)鉆井平臺(tái)的試驗(yàn)，但是在移動(dòng)該氣墊平臺(tái)時(shí)意外發(fā)現(xiàn)其擁有不錯(cuò)的破冰能力，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將0.76 m 厚的冰層破壞[9-10].為此，加拿大研究人員對(duì)氣墊平臺(tái)的破冰效果進(jìn)行了多次嘗試，先后在環(huán)北極的雷鳴灣、帕里灣、多倫多和蒙特利爾進(jìn)行了氣墊平臺(tái)的破冰試驗(yàn)，均取得了較好的破冰效果.如圖1(a)所示為ACT-100 氣墊平臺(tái)在圖克托亞克圖克進(jìn)行絞車拖拽破冰試驗(yàn)的照片，該試驗(yàn)中冰層厚度為60 cm，可以觀察到一條比平臺(tái)更寬的航道被開辟出來.之后，加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)于1975—1976 年，在雷鳴灣以輕型破冰船亞歷山大·亨利號(hào)頂推ACT-100 平臺(tái)的方式，實(shí)現(xiàn)了以6.5 kn(1 kn=1.852 km/h)航速有效破壞40 cm 厚的平整冰[11]見圖1(b).美國(guó)則利用CCGS Waban-Aki 氣墊船在圣勞倫斯河，開展了氣墊船在低航速條件下的破冰試驗(yàn)，同樣取得了較好的測(cè)試效果[12].Hinchey 等[13]對(duì)加拿大20世紀(jì)70 年代所開展的大量氣墊平臺(tái)破冰試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并將氣墊平臺(tái)的破冰模式按照航速不同，劃分為低速破冰與高速破冰兩種模式.在低速破冰模式下，平臺(tái)會(huì)首先促使冰面下形成一個(gè)氣體空腔，并在隨后接觸冰面的運(yùn)動(dòng)過程中導(dǎo)致冰體的破壞.在高速破冰模式下，平臺(tái)則以冰面上高速運(yùn)動(dòng)的形式，產(chǎn)生大振幅的重力波，進(jìn)而引發(fā)冰排破壞.俄羅斯針對(duì)氣墊平臺(tái)的低速破冰模式開展了大量有益工作.Kozin 等[14]對(duì)氣墊破冰船的共振破冰機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，在研究中將氣墊平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)運(yùn)動(dòng)載荷，將冰水介質(zhì)簡(jiǎn)化為半無限冰面和半無限水面模型，從而推導(dǎo)出彎曲重力波在冰面的傳播特性，以及利用共振法破冰的可能性.Zhestkaya 等[15]將積分變換方法和有限差分混合算法相結(jié)合，研究了冰排在遭受不同載荷沖擊時(shí)的變形過程，計(jì)算了冰排在單點(diǎn)脈沖作用下的撓度.其他各國(guó)學(xué)者也針對(duì)氣墊平臺(tái)破冰這一新技術(shù)開展了大量的研究工作[16-24].

圖1 ACT-100 破冰試驗(yàn)Fig.1 ACT-100 ice breaking test

Takizawa[25]在研究移動(dòng)載荷對(duì)浮冰層下沉位移的影響時(shí)提出了臨界速度的概念，并將導(dǎo)致冰層下沉位移最大且下沉范圍最小時(shí)的載荷移動(dòng)速度定義為臨界速度.盧再華等[26-28]對(duì)氣墊船位于冰面上高速航行時(shí)的破冰過程進(jìn)行了研究，利用LS-DYNA 模擬了氣墊船以臨界航速(11 kn)及超臨界航速在冰面的運(yùn)動(dòng)，得到了由船體運(yùn)動(dòng)所激勵(lì)的冰面興波及應(yīng)力變化規(guī)律.研究結(jié)果表明：當(dāng)船速超越臨界航速后，船體將不斷超越先前形成的興波波峰，從而對(duì)興波的冰表面?zhèn)鞑バ纬煞醋饔?，不利于興波破冰；當(dāng)船速小于臨界航速時(shí)，船體始終位于早前激勵(lì)的興波后方，且新產(chǎn)生的興波將推動(dòng)早前產(chǎn)生興波的擴(kuò)展，有益于興波破冰.劉巨斌等[29-30]同樣對(duì)冰面興波問題開展了研究，利用求解船舶興波的Rankine 源計(jì)算方法，計(jì)算了氣墊船在冰面上高速航行時(shí)的興波和冰層變形，并對(duì)興波阻力進(jìn)行了求解.李宇辰等[31-32]基于黏彈性薄板假設(shè)和勢(shì)流理論，參照中國(guó)黃河實(shí)際冰層情況，模擬了氣墊船在亞臨界速度、臨界速度(11 kn)和超臨界速度于冰面上的航行情況，對(duì)不同狀態(tài)下的冰面興波傳遞、冰層應(yīng)力變化及破冰效果進(jìn)行了計(jì)算分析.薛彥卓等[33]基于重力流理論，將氣墊船下方的氣墊壓力假設(shè)為均布載荷，開展了數(shù)值仿真工作，得到了氣墊壓力與最大破冰厚度的關(guān)系，為氣墊平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了有益參考.張志宏等[34-35]基于彈性薄板振動(dòng)微分方程和相似理論，建立了氣墊船在冰面航行時(shí)振動(dòng)波形傳播的相速度和群速度計(jì)算公式，得到了冰--水系統(tǒng)波動(dòng)傳播的相速度和群速度.繼而采用聚氨酯(PU)薄膜材料模擬冰面，開展了模型試驗(yàn)研究，分析了氣墊速度、高度、壓力及水深等參數(shù)對(duì)冰排的動(dòng)力響應(yīng)影響，揭示了興波激勵(lì)冰面變形響應(yīng)的聚能共振增幅機(jī)理，為氣墊船的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理論及試驗(yàn)數(shù)據(jù).

綜上所述，學(xué)術(shù)界在氣墊平臺(tái)的高速破冰機(jī)理認(rèn)識(shí)上已基本清晰，即在移動(dòng)載荷激勵(lì)冰層引起的聚能共振增幅效應(yīng)下，形成了冰面興波進(jìn)而引發(fā)冰排破壞.而對(duì)于低速破冰機(jī)理，僅存在一種初步的認(rèn)識(shí)，即平臺(tái)在水面的全墊升狀態(tài)下，會(huì)形成水面興波，波動(dòng)在向冰下水體的傳播過程中會(huì)誘發(fā)冰下氣腔的形成，導(dǎo)致冰排喪失水體的彈性支撐作用，進(jìn)而促進(jìn)了平臺(tái)后續(xù)破冰過程.也就是說，在低速破冰模式下，促使冰排破壞的關(guān)鍵由高速模式下的冰面興波轉(zhuǎn)化為了冰下興波.然而，已有大量研究表明，開敞水域波浪在向有冰覆蓋水域傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生快速的能量耗散，難以形成聚能效應(yīng)，而高速氣流隨水面波動(dòng)向冰下的匯集過程，也尚未得到有效的測(cè)試和論證.同時(shí)，有影像資料表明，烏克蘭一座最新投入使用的破冰平臺(tái)，是以一種非全墊升模式來實(shí)現(xiàn)破冰操作的，如圖2 所示.該氣墊平臺(tái)專為破冰作業(yè)設(shè)計(jì)，不同于以全墊升姿態(tài)進(jìn)行破冰作業(yè)的常規(guī)氣墊平臺(tái)，該結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)為倒錐臺(tái)形狀.在開敞水域保持全墊升狀態(tài)，進(jìn)入破冰作業(yè)模式后即在設(shè)計(jì)吃水條件下破冰航行.氣墊平臺(tái)倒錐臺(tái)的線型能夠形成對(duì)冰排的有效下壓作用.這種操作模式的出現(xiàn)，說明上述關(guān)于低速破冰機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)是不全面的，甚至可能是錯(cuò)誤的.

由此可見，氣墊平臺(tái)的低速破冰機(jī)理是尚待探索的，尤其是墊升狀態(tài)與冰下氣腔形成過程間的關(guān)聯(lián)性.因此，為了充分解析烏克蘭該型破冰專用氣墊平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，探索在全墊升和設(shè)計(jì)吃水條件下氣墊平臺(tái)的低速破冰機(jī)理，以該型破冰氣墊平臺(tái)為原型，開展了氣墊平臺(tái)低速破冰的冰水池模型試驗(yàn).本文將在對(duì)模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，開展機(jī)理性討論.

1 模型試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)設(shè)施

本文開展的模型試驗(yàn)在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成如圖3.實(shí)驗(yàn)室低溫空間面積為320.0 m2，用于容納拖曳冰水池進(jìn)行模型試驗(yàn).冰水池長(zhǎng)40.0 m、寬6.0 m、深1.8 m，制冰能力為1.0～30.0 cm.實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)包括制冷壓縮機(jī)組和冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng).其中，制冷壓縮機(jī)組主要由3 臺(tái)壓縮機(jī)組成，具有制冷量大、自動(dòng)化程度高、溫差控制精準(zhǔn)、節(jié)約能源等特點(diǎn)，可使試驗(yàn)中的制冰溫度在0?C ～?25?C 范圍內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)節(jié).冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)主要包括10 臺(tái)風(fēng)機(jī)和多級(jí)強(qiáng)迫分壓均勻送風(fēng)頂棚等，可令到達(dá)水面(或冰面)的冷風(fēng)風(fēng)速小于0.5 m/s，從而控制室內(nèi)同高度位置溫差小于1.0?C.

除制冷系統(tǒng)外，實(shí)驗(yàn)室的主要試驗(yàn)設(shè)施還包括試驗(yàn)拖車和服務(wù)拖車.其中，試驗(yàn)拖車通過齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)，拖車車速可以在0.001～1.0 m/s 的范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)，也可在規(guī)定的速度下恒速行駛.服務(wù)拖車主要用于輔助模型冰的制備和測(cè)量，以及在一些試驗(yàn)中推動(dòng)冰排沖擊模型.服務(wù)拖車車速可以在0.001～0.5 m/s 的范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié).

1.2 相似律和相似比尺

冰模型試驗(yàn)是一種相當(dāng)特殊的試驗(yàn)，因?yàn)樗瑫r(shí)具有流體模型試驗(yàn)和材料試驗(yàn)的特點(diǎn)，因此選取適當(dāng)?shù)南嗨坡墒侵笇?dǎo)冰模型試驗(yàn)研究的關(guān)鍵.在本文氣墊平臺(tái)破冰阻力模型試驗(yàn)中，需要模擬冰排在平臺(tái)結(jié)構(gòu)前的破壞和后續(xù)碎冰的運(yùn)動(dòng)，其中包含了慣性力、重力、氣流壓力、靜水與動(dòng)水壓力等眾多力學(xué)過程，涉及空氣、水、冰及柔性材料等多種介質(zhì)的相互作用.目前，尚不存在一種同時(shí)適用可壓流體與不可壓流體的相似理論及準(zhǔn)則，這就需要聚焦試驗(yàn)中核心的物理過程，以此選定相似律.本研究的目的在于探索氣墊平臺(tái)破冰機(jī)理，因此試驗(yàn)中關(guān)注的核心物理過程是冰在氣墊平臺(tái)壓力作用下的彎曲破壞，這就意味著慣性力、重力和彈性力的作用占主導(dǎo)地位.同時(shí)，盡管在氣墊平臺(tái)與冰的相互作用過程中，可壓縮氣流的壓力變化也具有重要的影響，但這種影響在一定程度上可以用氣墊船的墊升高度或吃水深度來表征，而不必追究氣壓參量所遵循的相似律.據(jù)此，試驗(yàn)中對(duì)于各項(xiàng)物理參數(shù)的設(shè)定采用遵循弗勞德和柯西相似律的方式進(jìn)行.

弗勞德數(shù)Fr假定重力和慣性作用占重要地位，即遵循水流試驗(yàn)的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似和邊界條件相似的準(zhǔn)則，在動(dòng)力相似中，要滿足重力相似的要求.弗勞德數(shù)Fr由慣性力與重力比值的平方根來定義

柯西數(shù)Ca假定彈性力和慣性作用占重要地位，即在動(dòng)力相似中，要滿足彈性力相似的要求.柯西數(shù)Ca由慣性力與彈性力的比值來定義

試驗(yàn)中采用的幾何縮尺比λ=1:5，得到的氣墊平臺(tái)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示.

表1 氣墊平臺(tái)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of air cushion platform

繼而根據(jù)幾何縮尺比λ 和選定的相似律，進(jìn)一步確定其他物理參數(shù)詳細(xì)的相似比尺關(guān)系，如表2 所示.

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

如前所述，本文的試驗(yàn)原型為一座烏克蘭現(xiàn)役的破冰平臺(tái)，原型結(jié)構(gòu)如圖4 所示.該平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)呈倒錐形，兩臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)對(duì)稱的布置于平臺(tái)甲板,多組手指氣囊相連形成圍裙.平臺(tái)內(nèi)含獨(dú)立的氣道結(jié)構(gòu)，用于接收墊升風(fēng)機(jī)吹出的高壓氣流，并向圍裙內(nèi)提供氣壓一致、流量相同的高壓氣體.此種結(jié)構(gòu)使得圍裙內(nèi)部氣壓分布均勻，繼而誘使由氣囊吹出的高壓氣體流量與氣壓基本一致，有利于平臺(tái)的墊升平衡性及操縱性.該型氣墊平臺(tái)的破冰作業(yè)模式與常規(guī)設(shè)計(jì)不同，并不是以全墊升姿態(tài)航行，而是在設(shè)計(jì)吃水條件下破冰航行.為深入研究?jī)煞N不同墊升狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的破冰過程和機(jī)理，本文先后開展了兩個(gè)系列的模型試驗(yàn)研究，即全墊升破冰試驗(yàn)與非全墊升破冰試驗(yàn).

表2 主要物理量的相似比尺Table 2 Similar scale of primary physical quantities

圖4 氣墊平臺(tái)原型Fig.4 Air cushion platform prototype

依據(jù)氣墊平臺(tái)原型結(jié)構(gòu)特征，模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括不銹鋼制支撐框架、圍裙和氣道結(jié)構(gòu)3 部分.

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缫蠹爸亓恳螅_定平臺(tái)模型支撐框架由不銹鋼加工而成，如圖5(a)所示.設(shè)計(jì)過程中考慮了該框架所需具備的兩種功能：一種功能是為氣墊平臺(tái)圍裙構(gòu)造型式提供依托基礎(chǔ)；另一種功能是為氣道結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)支撐.同時(shí)，考慮到試驗(yàn)過程中的拖曳作業(yè)要求，該結(jié)構(gòu)還需預(yù)留出用于平臺(tái)拖曳的橫向牽引梁，并進(jìn)行了局部加強(qiáng).

根據(jù)原型圍裙制式特征及模型不銹鋼制支撐框架的特點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膰沟脑O(shè)計(jì)分為兩類、8 塊子圍裙.第一類為直邊手指圍裙，共有4 塊；第二類為扇形區(qū)手指圍裙，同樣有4 塊.利用強(qiáng)度高、延展性好的特種材料加工圍裙.圍裙通過高氣密性的特殊工藝與不銹鋼支撐框架相連，同時(shí)，不同類型、不同部位的圍裙采用該工藝拼接為統(tǒng)一整體.

根據(jù)原型氣道結(jié)構(gòu)及模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并充分考慮模型重量、不銹鋼制支撐框架外形及制作流程等因素，選用密度小、柔韌度高的特種板材進(jìn)行氣道結(jié)構(gòu)的加工制作，最終形成與原型相同的氣道布置規(guī)則.氣道結(jié)構(gòu)與不銹鋼支撐框架的連接同樣進(jìn)行了氣密處理.

根據(jù)平臺(tái)支撐框架、圍裙及氣道結(jié)構(gòu)的重量，對(duì)墊升風(fēng)機(jī)的重量和出口流量進(jìn)行選型.選型工作的技術(shù)要點(diǎn)在于根據(jù)模型結(jié)構(gòu)尺寸及重量選擇墊升風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、重量、出口流量及功率.采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算[36]

式中，Q為風(fēng)機(jī)出口流量，單位為m3/s；a=5 ～10 m3/(s·kg)，考慮到本試驗(yàn)需根據(jù)各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的適配選型，在此選取a=10，以最大滿足風(fēng)機(jī)的適用范圍；W為平臺(tái)質(zhì)量，單位為kg.最終選定某型渦輪風(fēng)機(jī)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改造.改造工作主要是將渦輪風(fēng)機(jī)的變頻電機(jī)換裝為伺服電機(jī)，通過精準(zhǔn)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，細(xì)致調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口的流量和風(fēng)壓，從而使平臺(tái)模型達(dá)到縮尺后的飛高參量(即墊升高度)要求，形成與原型一致的墊升狀態(tài).原型平臺(tái)在水平面內(nèi)的重心位置在結(jié)構(gòu)的幾何中心處，垂向上的重心位置在設(shè)計(jì)吃水位置以上1.07 m.在模型試驗(yàn)中，非全墊升工況下氣墊平臺(tái)模型的重量與原型平臺(tái)的最大排水量相對(duì)應(yīng)，重心位置與原型平臺(tái)的重心位置相對(duì)應(yīng).由于全墊升狀態(tài)并不是原型氣墊平臺(tái)的設(shè)計(jì)破冰模式，在全墊升工況下僅保證平臺(tái)墊升姿態(tài)和有效飛高與原型相似.裝配成型的氣墊平臺(tái)模型如圖5(b)所示.

1.4 拖曳裝置與測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用拖車拖曳平臺(tái)模型穿越冰蓋的方式進(jìn)行，如圖6 所示.結(jié)構(gòu)模型通過剛性拖曳桿與試驗(yàn)拖車相連，在剛性拖曳桿兩端均連接有萬向節(jié)，以保證氣墊平臺(tái)在垂向與橫向上可以自由運(yùn)動(dòng).在此基礎(chǔ)上，剛性拖曳桿在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)通過兩條彈性纜繩限制，從而抑制平臺(tái)模型的艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)模型保持航向.因此，在此拖曳模式下，氣墊平臺(tái)模型的艏搖、縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)是受限制的，而縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)基本不受影響.

圖5 氣墊平臺(tái)模型Fig.5 Air cushion platform model

在試驗(yàn)過程中，墊升風(fēng)機(jī)通過氣道向圍裙內(nèi)注氣，并通過控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量及墊升壓力.因此在每臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)出口處布置了1 個(gè)風(fēng)速傳感器(圖7(a))及1 個(gè)風(fēng)壓傳感器(圖7(b))，用以監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的出口流量及風(fēng)壓.在平臺(tái)框架底板下面前后對(duì)稱布置2 個(gè)風(fēng)壓傳感器，測(cè)試氣墊下的實(shí)時(shí)墊升風(fēng)壓.在橫向鋼梁上布置1 個(gè)輪輻式拉壓傳感器，以記錄模型的航行阻力(圖6).試驗(yàn)中各傳感器的采樣頻率均為100 Hz.在氣墊平臺(tái)前進(jìn)方向上布置了1 臺(tái)高速攝像機(jī)，記錄模型冰在氣壓作用下的破壞模式.在水池中布置了1 臺(tái)跟隨氣墊平臺(tái)模型運(yùn)動(dòng)的水下攝像機(jī)，用以記錄圍裙下方模型冰排的變形和破壞情況.在拖曳試驗(yàn)過程中，氣墊平臺(tái)的航速由主拖車控制，氣墊平臺(tái)底部在艏部破冰狀態(tài)下的墊升壓力及艉部墊升壓力由風(fēng)壓傳感器測(cè)得.

圖6 平臺(tái)模型拖曳方式Fig.6 Towing mode of the structure model

1.5 低溫凍結(jié)模型冰

氣墊平臺(tái)破冰阻力模型試驗(yàn)，使用第4 代改進(jìn)的尿素模型冰，即以尿素為模型冰溶液主要添加劑，經(jīng)低溫凍結(jié)制備得到.模型冰制備過程主要包括配置尿素水溶液、制冷降溫、噴霧引晶、回溫調(diào)節(jié)和參數(shù)檢測(cè)等環(huán)節(jié).

制備得到的低溫凍結(jié)模型冰具有與天然海冰相似的晶體結(jié)構(gòu)(圖8)，均由上部的粒狀晶層和下部的柱狀晶層組成.模型冰晶體結(jié)構(gòu)和尺寸與天然海冰相似，從而保證模型冰表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)滿足相似律要求.當(dāng)回溫調(diào)節(jié)模型冰力學(xué)性質(zhì)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)時(shí)，在低溫拖曳冰水池內(nèi)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和懸臂梁彎曲試驗(yàn)，測(cè)試冰強(qiáng)度滿足要求，即開始模型試驗(yàn).

圖8 模型冰截面圖Fig.8 Section picture of the model ice

1.6 試驗(yàn)流程與試驗(yàn)工況

完成低溫凍結(jié)模型冰制備后，按以下步驟開展冰水池試驗(yàn)：

(1)氣墊平臺(tái)在平整地面進(jìn)行墊升測(cè)試，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將平臺(tái)模型墊升至指定飛高，核定平臺(tái)全墊升狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)參數(shù)及氣墊壓力.

(2)將氣墊平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)至低溫拖曳冰水池，啟動(dòng)伺服渦輪風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至核定值，將氣墊平臺(tái)以全墊升狀態(tài)拖入冰水池中的開敞水面，進(jìn)行水上全墊升氣墊壓力的標(biāo)定.

(3)按全墊升及非全墊升狀態(tài)要求，在氣墊平臺(tái)模型上放置配重，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)吃水至預(yù)定位置.

(4)啟動(dòng)試驗(yàn)拖車，設(shè)計(jì)航速和距離拖曳氣墊平臺(tái)穿過模型冰排.拖曳開始前開啟各傳感器和攝像機(jī)，在試驗(yàn)過程中保持連續(xù)測(cè)試.

(5)停車后退一段距離，使結(jié)構(gòu)模型與模型冰脫離接觸，并重復(fù)步驟(3)～(4)開展下一輪試驗(yàn).

在試驗(yàn)工況的制定中，以氣墊平臺(tái)的墊升高度來控制全墊升與非全墊升狀態(tài)，并測(cè)試不同航速下平臺(tái)所受阻力，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況見表3.其中，全墊升狀態(tài)的飛高參數(shù)對(duì)應(yīng)原型平臺(tái)的設(shè)計(jì)有效飛高，非全墊升狀態(tài)的吃水參數(shù)完全遵照原型平臺(tái)的設(shè)計(jì)吃水進(jìn)行設(shè)置.

表3 模型試驗(yàn)工況Table 3 Model test conditions

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 全墊升試驗(yàn)

當(dāng)氣墊平臺(tái)在開敞水面全墊升時(shí)，平臺(tái)下方的水面在圍裙氣囊噴出的高壓氣體作用下，形成了一個(gè)氣墊凹陷，如圖9 所示.可見氣墊凹陷在水中形成明顯邊界，同時(shí)形成水面興波向四周擴(kuò)散.部分氣體沿平臺(tái)與水面的間隙向外散逸，裹挾大量水體形成飛濺水霧的現(xiàn)象,見圖10(a).興波的擴(kuò)散過程造成風(fēng)壓的脈動(dòng)變化，進(jìn)而致使氣墊平臺(tái)發(fā)生持續(xù)的升沉運(yùn)動(dòng).結(jié)構(gòu)模型在試驗(yàn)拖車拖曳下由開敞水面行駛2 m 后，形成了穩(wěn)定的航行姿態(tài)并到達(dá)模型冰排前緣.此時(shí)，由于平臺(tái)底部存在水面凹陷，使得冰排前緣已經(jīng)完全暴露于水面之上，并與圍裙發(fā)生瞬態(tài)的撞擊.這一瞬態(tài)的撞擊事件，導(dǎo)致冰排前緣發(fā)生局部破壞，并伴隨整體的下彎變形姿態(tài)，同時(shí)艏部圍裙也發(fā)生小幅彎折變形，見圖10(b).但這一過程并未促成冰排的大尺寸彎曲斷裂.在全墊升狀態(tài)下，氣墊平臺(tái)艏部圍裙的底部與冰排邊緣發(fā)生接觸，圍裙底部發(fā)生小幅彎折變形后順勢(shì)抬升，氣墊平臺(tái)以“前仰后傾”的姿態(tài)沿彎曲冰面順利上爬至冰面上.當(dāng)氣墊平臺(tái)完全上爬至冰面后，氣墊平臺(tái)以全墊升狀態(tài)在冰面上保持低速航行,見圖10(c).冰排則在風(fēng)壓作用下發(fā)生了可見的下陷變形，且形成冰面興波，但試驗(yàn)全程并未發(fā)生破壞.

圖9 試驗(yàn)工況1 水下試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.9 Test phenomena under water in condition 1

圖10 試驗(yàn)工況1 現(xiàn)象和阻力時(shí)程Fig.10 Test phenomena and resistance curve in condition 1

全墊升工況中的氣墊平臺(tái)阻力時(shí)程同樣在圖10 中予以展示.由圖10 可見，初始階段氣墊平臺(tái)在開敞水面移動(dòng)，此時(shí)航行阻力均值水平很低，并且由于風(fēng)壓的脈動(dòng)效應(yīng)和水面的興波過程，致使阻力出現(xiàn)顯著的波動(dòng)現(xiàn)象.隨后，圍裙氣囊與冰排的瞬態(tài)撞擊和上爬過程，導(dǎo)致阻力水平突升，尤其是圍裙底部在上爬過程中與冰排前緣的持續(xù)摩擦過程，致使這種大阻力過程持續(xù)了近1 s 的時(shí)間.隨著氣墊平臺(tái)上爬至冰面，由水面全墊升狀態(tài)轉(zhuǎn)換為冰面全墊升狀態(tài)，阻力快速回落.氣墊平臺(tái)在冰面上航行時(shí)，圍裙底部會(huì)與冰面發(fā)生摩擦作用，受到的阻力水平明顯大于在水面航行狀態(tài)時(shí)，如阻力時(shí)程曲線中標(biāo)注的均值紅線所顯示的.

在全墊升工況試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，盡管氣墊平臺(tái)模型拖曳裝置中有兩條彈性纜繩限制結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但仍觀察到氣墊平臺(tái)有顯著的艏搖運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).這是平臺(tái)自身外形特點(diǎn)與平臺(tái)兩側(cè)受力的不均勻性共同導(dǎo)致的.這一現(xiàn)象可能對(duì)原型氣墊平臺(tái)或驅(qū)動(dòng)船只的操縱性造成十分不利的影響.

2.2 非全墊升試驗(yàn)

由全墊升試驗(yàn)的現(xiàn)象可知，有效的破冰過程是難以實(shí)現(xiàn)的.參考原型氣墊平臺(tái)的設(shè)計(jì)資料，采用其設(shè)計(jì)吃水條件進(jìn)行非全墊升模式試驗(yàn).將結(jié)構(gòu)模型在開敞水域壓載至設(shè)計(jì)吃水(27 cm)，其他試驗(yàn)條件不變.

在敞水拖曳航行階段，由于圍裙氣囊底部已浸沒水中，所以高速氣流不再以裹挾水顆粒的方式發(fā)生飛濺，而是在平臺(tái)四周形成持續(xù)的氣泡泄放，進(jìn)而造成水面的持續(xù)翻滾，難以形成穩(wěn)定的水面興波情形.當(dāng)模型艏部抵達(dá)冰排前緣時(shí)，圍裙前端受到冰排全厚度的碰撞擠壓，發(fā)生局部較大的彎折變形，阻礙了內(nèi)部氣道向下噴射高壓氣體，從而使得船艏底部暫時(shí)失去高壓氣體支撐，導(dǎo)致艏傾現(xiàn)象出現(xiàn).同時(shí)，冰排也隨之出現(xiàn)整體的下彎變形.更重要的是，此時(shí)冰排前緣的下方已經(jīng)匯聚有一個(gè)明顯的氣腔，即便單從水上觀測(cè)，也可以看到冰下一個(gè)巨大的白色空腔，如圖11 所示.

圖11 冰排底部空腔Fig.11 Airspace under ice

另一方面，由于此時(shí)平臺(tái)具有一定的吃水，因此與冰排接觸的不再僅僅是圍裙氣囊的下邊緣，而是具有倒錐形下壓構(gòu)型的圍裙氣囊表面.這樣一來，隨著平臺(tái)的繼續(xù)向前推進(jìn)，冰排的下彎變形持續(xù)發(fā)展，并很快在距離冰與圍裙氣囊表面的接觸前緣大概5 倍冰厚的位置，出現(xiàn)了一條垂直于平臺(tái)前進(jìn)方向、平行于平臺(tái)型寬方向的環(huán)向裂紋.這一環(huán)向裂紋快速向兩側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)長(zhǎng)度與前端接觸區(qū)域?qū)挾认喈?dāng)時(shí)，開始呈現(xiàn)向接觸區(qū)域閉合發(fā)展的趨勢(shì)，并最終抵達(dá)冰排前緣，致使冰排發(fā)生由單條環(huán)向裂紋貫穿的整體彎曲破壞.需要注意的是，環(huán)向裂紋的大范圍擴(kuò)展過程中，會(huì)不斷有徑向裂紋由接觸區(qū)域向環(huán)向裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而在抵達(dá)環(huán)向裂紋時(shí)將整體斷裂的冰排前緣分割為一系列的碎塊.而當(dāng)平臺(tái)的側(cè)舷開始進(jìn)入接觸區(qū)域后，則會(huì)繼續(xù)將已經(jīng)初步斷裂的冰排進(jìn)一步壓斷，形成一條整齊的“割痕”.由此，隨著平臺(tái)的持續(xù)航行，就會(huì)在冰面上留下一條布滿較小碎冰塊的破冰航道，航道周圍則散布著一系列大的環(huán)向裂紋痕跡，如圖12 所示.

圖12 航道及兩側(cè)冰況Fig.12 Ice conditions in the channel and on both sides of the channel

上述單條環(huán)向裂紋貫穿式擴(kuò)展所引發(fā)的冰排整體破壞現(xiàn)象，在整個(gè)試驗(yàn)過程中并不是唯一的，還存在多條環(huán)狀裂紋交錯(cuò)擴(kuò)展的局部破壞模式.這種破壞模式發(fā)生在某次整體破壞現(xiàn)象之后，此時(shí)平臺(tái)艏部圍裙氣囊與完好冰排的再次接觸區(qū)就不再是規(guī)則的形狀，由此導(dǎo)致圍裙氣囊與冰排的接觸具有非同時(shí)特征，進(jìn)而致使一系列距離接觸較近的環(huán)向裂紋沿平臺(tái)艏部先后出現(xiàn)，并在擴(kuò)展過程中發(fā)生交錯(cuò).這種交錯(cuò)的擴(kuò)展就加劇了徑向裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，并將整個(gè)接觸區(qū)域的冰排分割為一系列尺寸更小的碎塊，如圖13 所示.

圖14 給出試驗(yàn)工況2 試驗(yàn)現(xiàn)象和阻力時(shí)程曲線，可以看出，局部破壞模式下的破冰阻力水平會(huì)明顯比整體破壞下的阻力低.這種局部破壞模式會(huì)維持相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，并在某一時(shí)刻又突然轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞模式.冰排的整體破壞與局部破壞的交替出現(xiàn)也成為試驗(yàn)中重要的現(xiàn)象.觀察圖14 所示的阻力時(shí)程曲線還可以發(fā)現(xiàn)，不論是冰排的整體破壞還是局部破壞，都會(huì)促使破冰阻力隨時(shí)間呈現(xiàn)出顯著的加載--卸載周期性波動(dòng)特征.

圖14 試驗(yàn)工況2 試驗(yàn)現(xiàn)象和阻力時(shí)程曲線Fig.14 Test phenomena and resistance curve in condition 2

試驗(yàn)中另一種重要的現(xiàn)象是水下氣腔的發(fā)展與釋放.伴隨著冰排的周期性破壞進(jìn)程，由水下攝像可以發(fā)現(xiàn)冰下的氣腔也存在周期性的發(fā)展與釋放過程.圖15 展示了一張從水下錄像中截取的氣腔景象，圖15 中黃色虛線指示了氣腔邊緣位置.該景象對(duì)應(yīng)于冰排發(fā)生一次整體彎曲破壞前的時(shí)刻，可以看到，此時(shí)水下的氣腔是與平臺(tái)下部的氣墊空間相貫通的，所形成的外擴(kuò)輪廓也恰恰與冰面上正在發(fā)展的環(huán)向裂紋相吻合.而當(dāng)冰排的整體斷裂事件發(fā)生時(shí)，則會(huì)在平臺(tái)艏部圍裙氣囊前伴有高高噴射而出的水霧.在局部破壞事件發(fā)生時(shí)，這種水下氣腔的壓力釋放過程，往往會(huì)將破碎的冰塊頂起，形成一種冰排發(fā)生局部向上彎曲破壞的假象，如圖16 所示.

圖15 試驗(yàn)工況2水下試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.15 Test phenomena under water in condition 2

圖16 冰排向上彎曲破壞Fig.16 Upward bending failure of ice sheet

在非全墊升工況試驗(yàn)中，仍然發(fā)現(xiàn)氣墊平臺(tái)出現(xiàn)了顯著的艏搖運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).在連續(xù)破冰過程中，冰排的非同時(shí)破壞導(dǎo)致氣墊平臺(tái)兩側(cè)受力不均勻，從而會(huì)對(duì)原型氣墊平臺(tái)的操縱性帶來不利影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 氣墊平臺(tái)破冰機(jī)理

由試驗(yàn)工況1 的現(xiàn)象可知，氣墊平臺(tái)在全墊升狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)至冰排邊緣后，由平臺(tái)底部形成的水面興波，在向冰下水體傳播的過程中，將發(fā)生快速的能量耗散，難以形成聚能效應(yīng)，因此難以依靠冰下興波促使冰排破壞.而對(duì)于興波傳播過程中帶入冰下的有限空氣，由于并未與氣墊的高壓空間形成連通，所以大部分很快被靜水壓推出冰下而發(fā)生散逸，一小部分則以小氣泡的形成散布于冰體之下，難以形成有效的氣腔環(huán)境.另一方面，由平臺(tái)底部吹出的高壓氣流，因圍裙氣囊底部與冰排邊緣之間存在縫隙而快速散逸，同樣未能沖入冰下匯集成為穩(wěn)定氣腔，該過程如圖17 所示.由此可見，由于全墊升狀態(tài)下冰下難以形成穩(wěn)定氣腔，所以水體對(duì)于冰排的彈性體支撐作用仍舊維持，進(jìn)而造成冰排的抗彎和垂向承載能力增強(qiáng)，并由此支撐平臺(tái)最終上爬至冰面全墊升行進(jìn).

而當(dāng)平臺(tái)狀態(tài)轉(zhuǎn)為具有吃水的非全墊升狀態(tài)時(shí)，圍裙氣囊的下部完全被水體封閉，因此，平臺(tái)底部本身就存在一個(gè)具有壓力維持能力的超大氣腔.在敞水條件下，這一超大氣腔不斷由底部向周圍的水體釋放高壓氣流，并經(jīng)由水氣交界面得以釋放壓力.然而，當(dāng)這些水下上升的高壓氣泡群遭遇水面冰排的阻礙后，就會(huì)快速匯聚為一定規(guī)模的氣腔，并以體積擴(kuò)展的方式釋放壓力.而平臺(tái)底部的超大氣腔則會(huì)隨著平臺(tái)與冰的作用發(fā)展，與冰下氣腔形成連通，進(jìn)而不斷為冰下氣腔的規(guī)模擴(kuò)展和壓力維持提供源源不斷的輸入，這也正是圖15 中冰下氣腔的形成機(jī)理.

圖17 全墊升平臺(tái)破冰失效原理圖Fig.17 Sketch of ice breaking process by full-cushion platform

更重要的是，冰下氣腔的形成并不僅僅是消除了水體對(duì)冰排的彈性支撐作用，而是在氣墊壓力的供應(yīng)下，對(duì)冰排產(chǎn)生了超過上部冰體自重的上頂載荷作用，如圖18 所示.這樣一來，冰排的受力條件就轉(zhuǎn)變?yōu)椋荷媳砻娴那岸顺惺芷脚_(tái)圍裙的局部下壓作用Fs，這一局部下壓力Fs與平臺(tái)的倒錐形線型促使冰排發(fā)生向下的彎曲變形；下表面的冰下氣腔范圍內(nèi)承受近乎均布的上頂壓力作用Pair.隨著氣墊平臺(tái)的推進(jìn)，越來越多的平臺(tái)重量將向冰排前緣轉(zhuǎn)移，即Fs在不斷增大；同時(shí)冰下氣腔的邊緣也不斷向冰排遠(yuǎn)端擴(kuò)展，而由于其內(nèi)部的壓力維持能力，即Pair變化很小，導(dǎo)致冰排承受的總的上頂載荷也不斷增大.由此可推知，冰排內(nèi)部就形成了一個(gè)沿厚度方向不斷增強(qiáng)的剪切應(yīng)力場(chǎng)，最大的剪切應(yīng)力自然就出現(xiàn)在冰下氣腔的邊緣位置上.冰下氣腔上頂壓力在冰內(nèi)形成剪應(yīng)力場(chǎng)，加快了冰內(nèi)環(huán)向裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程，從而促使冰排發(fā)生向下的彎曲破壞.

圖18 非全墊升平臺(tái)有效破冰原理圖Fig.18 Sketch of ice breaking process by non-full-cushion platform

圖19 為平臺(tái)破冰結(jié)束后的航道及兩側(cè)冰排破壞圖，可以發(fā)現(xiàn)大規(guī)模環(huán)向破壞隨平臺(tái)行進(jìn)呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì).平臺(tái)第一次大規(guī)模環(huán)向破壞事件如圖19 中環(huán)向切面①所示，由①切面至④切面出現(xiàn)了斜向裂紋②和③，這是由平臺(tái)局部環(huán)向破壞所引發(fā)的.破冰進(jìn)程中最后兩次大規(guī)模環(huán)向破壞事件如④和⑤切面所示.這就說明平臺(tái)破冰進(jìn)程中持續(xù)地向冰排底部輸送氣體，使得氣腔域規(guī)模逐漸向航道兩側(cè)冰排延伸，如圖20 所示.由此可見，冰排底部能否形成穩(wěn)定氣腔，是決定氣墊平臺(tái)能否有效破冰的誘因，而氣腔域的規(guī)模決定著冰排破壞的規(guī)模.

圖19 冰排大規(guī)模環(huán)向破壞Fig.19 Global failure of ice sheet

圖20 平臺(tái)行進(jìn)中冰下氣腔規(guī)模擴(kuò)展Fig.20 Expansion of air space under ice during structure moving

圖21 非全墊升工況風(fēng)壓曲線Fig.21 Wind pressure curves in non-full-cushion conditions

圖21 非全墊升工況風(fēng)壓曲線(續(xù))Fig.21 Wind pressure curves in non-full-cushion conditions(continued)

如前所述，平臺(tái)破冰進(jìn)程中的艏部破冰風(fēng)壓，由安裝于平臺(tái)艏部區(qū)域的風(fēng)壓傳感器測(cè)量.圖21 所示分別為非全墊升試驗(yàn)工況2,3,4 條件下，平臺(tái)艏部破冰風(fēng)壓時(shí)程曲線和頻譜.由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，平臺(tái)破冰進(jìn)程中，由敞水航行轉(zhuǎn)換為連續(xù)破冰航行后，艏部圍裙與全厚度冰排相互擠壓造成圍裙大幅度非線性變形，平臺(tái)整體也出現(xiàn)了明顯的艏傾現(xiàn)象.如此，艏部前傾將氣墊體積短時(shí)壓縮，反映在風(fēng)壓時(shí)程曲線上則表現(xiàn)為風(fēng)壓值的瞬態(tài)躍升.待冰排被平臺(tái)彎曲破壞后，平臺(tái)航行姿態(tài)回調(diào)，且受慣性力的影響，平臺(tái)艏部將超越敞水航行時(shí)的平衡姿態(tài)，形成短暫的上躍.此時(shí)，氣墊體積快速增大，而氣流在這一短暫的時(shí)刻不能快速填補(bǔ)增大后氣墊空間，這就使得艏部破冰風(fēng)壓出現(xiàn)下降.如此，平臺(tái)在破冰操作中經(jīng)上爬與下沉姿態(tài)連續(xù)轉(zhuǎn)換，艏部破冰風(fēng)壓則會(huì)因此表現(xiàn)出明顯的周期性波動(dòng)特征，且整體保持在一定波動(dòng)范圍內(nèi).同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)以不同航速進(jìn)行破冰操作時(shí)，艏部破冰風(fēng)壓的波動(dòng)幅值基本一致，波動(dòng)頻率基本相同.這說明航行速度對(duì)氣墊壓力的影響較小.

3.2 破冰阻力隨航速的變化

在模型試驗(yàn)中，氣墊平臺(tái)的航行阻力通過模型拖曳裝置中的輪輻式拉壓力傳感器測(cè)得.3 種非全墊升試驗(yàn)工況下測(cè)得的破冰阻力均值和最大值列于表4 中.

表4 不同工況下破冰阻力結(jié)果Table 4 Ice breaking resistance in each condition

在試驗(yàn)工況2～4 中，分別測(cè)試了氣墊平臺(tái)在3 種航速下的破冰阻力.其中，根據(jù)相似律，試驗(yàn)工況2 對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)的1 kn 航速，試驗(yàn)工況3 模擬原型結(jié)構(gòu)的2 kn 航速，試驗(yàn)工況4 對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)的0.5 kn 航速.取各組試驗(yàn)中氣墊平臺(tái)連續(xù)破冰階段的阻力均值，作為衡量結(jié)構(gòu)破冰阻力水平的度量參數(shù)，從而可用于設(shè)計(jì)氣墊平臺(tái)主機(jī)的平均功率.破冰阻力極值出現(xiàn)在冰排發(fā)生整體彎曲破壞過程中，與貫穿式單條環(huán)向裂紋同時(shí)出現(xiàn).破冰阻力極值反映了破冰過程中結(jié)構(gòu)可能遭遇的最大載荷，從而可用于設(shè)計(jì)氣墊平臺(tái)的瞬態(tài)過載能力.

不同航速下氣墊平臺(tái)的破冰阻力極值和阻力均值如圖22 所示.

圖22 破冰阻力隨航速變化情況Fig.22 Changes of ice breaking resistance with speed

由圖22 可見，氣墊平臺(tái)模型在設(shè)計(jì)吃水條件下的破冰阻力極值和均值隨航速增加而增大.這是由于在設(shè)計(jì)吃水條件下，氣墊平臺(tái)的航行阻力由兩部分組成，一部分是破冰過程受到的冰阻力，另一部分是水中航行受到的水阻力.水阻力隨航速增加而增大，從而造成氣墊平臺(tái)的破冰阻力隨航速增大.另一方面，隨航速增加，氣墊平臺(tái)與冰排的接觸過程更為迅速，圍裙變形更大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受的冰阻力水平也隨之增大.由此可見，為減小破冰阻力，該型氣墊平臺(tái)在進(jìn)行破冰作用時(shí)應(yīng)設(shè)置較低的航速條件.需要注意的是，當(dāng)航速由2 kn 增大至3 kn 時(shí)，破冰阻力極值和均值的增大幅度并不明顯，可見阻力隨航速增加而增大的速率有所減小.

圖22 中兩個(gè)三角符號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表試驗(yàn)工況1 的航行阻力極值和阻力均值.在試驗(yàn)工況1 中，氣墊平臺(tái)處于全墊升狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受到的阻力主要來自于冰面的摩擦作用.由圖可見，在全墊升狀態(tài)下，氣墊平臺(tái)冰面航行阻力均值(9.51 N)明顯小于在設(shè)計(jì)吃水條件下進(jìn)行破冰作業(yè)時(shí)的阻力.由試驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，全墊升工況下的阻力極值是氣墊平臺(tái)圍裙與冰排發(fā)生初始碰撞時(shí)產(chǎn)生的，這一過程常伴隨有冰排的局部破壞.因此，試驗(yàn)工況1 的阻力極值較大，接近破冰工況2～4 的阻力均值水平.但由于圍裙與冰排接觸面積較小，未引起冰排的整體破壞，試驗(yàn)工況1 的阻力極值遠(yuǎn)小于破冰工況2～4 的阻力極值.

4 結(jié)論

本文開展了平整冰條件下的氣墊平臺(tái)低速破冰試驗(yàn)，分別測(cè)試了不同墊升狀態(tài)和航行速度對(duì)結(jié)構(gòu)破冰進(jìn)程及破冰阻力的影響.通過試驗(yàn)得到以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)于本文研究的破冰專用氣墊平臺(tái)，非全墊升狀態(tài)更有利于冰排發(fā)生破壞，在破冰作業(yè)時(shí)應(yīng)采用非全墊升模式.

(2)平臺(tái)浸入水中后，底部高壓氣流擴(kuò)散至冰排底部將水體排開，形成冰下氣腔，且圍裙底部可為冰下氣腔的規(guī)模擴(kuò)展和壓力維持提供源源不斷的氣體輸入.待平臺(tái)與冰排相互作用后，失去水體彈性支撐的冰排在結(jié)構(gòu)的下壓作用下發(fā)生彎曲變形，在氣腔上頂壓力的作用下，氣腔邊緣位置冰排中出現(xiàn)環(huán)向裂紋，冰排發(fā)生彎曲破壞.發(fā)現(xiàn)平臺(tái)破冰的關(guān)鍵機(jī)理，是可在冰排底部形成氣腔.

(3)氣墊平臺(tái)的艏部破冰風(fēng)壓隨航速變化較小，破冰阻力隨航速增大而增大.

(4)氣墊平臺(tái)在破冰過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的艏搖運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，這是氣墊平臺(tái)幾何構(gòu)型與冰力作用的不均勻性共同導(dǎo)致的.

綜上，氣墊平臺(tái)在非全墊升狀態(tài)下會(huì)受到很大的阻力作用.在此情況下，采用自航模式破冰難以配備能產(chǎn)生足夠推力的風(fēng)機(jī)，更無法有效控制平臺(tái)的航行姿態(tài).在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮配備具有足夠推進(jìn)功率的船舶，驅(qū)動(dòng)氣墊平臺(tái)進(jìn)行破冰作業(yè)，并通過剛度較強(qiáng)的連接框架控制平臺(tái)姿態(tài)，從而保證氣墊平臺(tái)能夠安全、穩(wěn)定的連續(xù)作業(yè).