楊 坤，翟必垚，季順迎

（1.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201306；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023）

噴霧凍結(jié)冰彎曲強(qiáng)度與單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究

楊 坤1，翟必垚2，季順迎2

（1.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201306；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023）

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的明冰會(huì)改變流場(chǎng)分布，影響發(fā)動(dòng)機(jī)組的正常工作，同時(shí)脫落后的明冰可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生破壞。彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度是明冰基本的力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)明冰的形成原理，人工噴制明冰，并對(duì)明冰的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分析了溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的影響。該研究為準(zhǔn)確判斷冰脫落形式以及脫落后的運(yùn)行軌跡提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為冰脫落數(shù)值仿真計(jì)算提供了可靠參數(shù)。

明冰；彎曲強(qiáng)度；單軸壓縮強(qiáng)度；試驗(yàn)測(cè)試；溫度

大氣結(jié)冰問(wèn)題于1949年首次在航空航天領(lǐng)域被發(fā)現(xiàn)，后來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)在北方國(guó)家（加拿大，俄羅斯，挪威等）的電信和電力傳輸設(shè)備領(lǐng)域[1]。飛機(jī)在溫度低于冰點(diǎn)的空中飛行時(shí)，當(dāng)遇到0～10℃的凍雨或含有過(guò)冷水滴的云層時(shí)，水滴撞擊在飛機(jī)表面上，就會(huì)導(dǎo)致水滴凝結(jié)成冰[2-3]。飛機(jī)結(jié)冰是飛行實(shí)踐中廣泛存在的一種現(xiàn)象，也是造成飛行安全事故的主要隱患之一[4-5]。在飛行器上或內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)部件上生成的積冰將會(huì)嚴(yán)重改變飛機(jī)的氣動(dòng)性能，對(duì)飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成很大影響[6]。

根據(jù)飛機(jī)表面結(jié)冰的結(jié)構(gòu)、形狀以及對(duì)飛行影響程度的不同，可分為明冰、霜冰、霧、霜[7]。其中明冰、霜冰對(duì)飛機(jī)的影響最為嚴(yán)重[8-9]。明冰是光滑透明，結(jié)構(gòu)密實(shí)，主要分布在機(jī)翼、機(jī)頭整流罩和進(jìn)氣口處，而且由于明冰透明，不易被機(jī)組人員發(fā)現(xiàn)且不容易除去[3]。飛機(jī)機(jī)翼和尾翼前緣所形成的明冰會(huì)使機(jī)翼和尾翼外形發(fā)生變化，減少飛機(jī)升力，增大飛機(jī)阻力，影響飛機(jī)的穩(wěn)定性[10]。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上產(chǎn)生凍結(jié)冰以后，改變了流場(chǎng)分布從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)組正常工作，同時(shí)脫落后的凍結(jié)冰可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生破壞。

對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰機(jī)理和防（除）冰技術(shù)的研究包括數(shù)學(xué)仿真和飛機(jī)結(jié)冰及防冰系統(tǒng)試驗(yàn)研究[11]。對(duì)凍結(jié)冰的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，是準(zhǔn)確判斷凍結(jié)冰脫落形式以及脫落后運(yùn)行軌跡的重要依據(jù)，同時(shí)也為數(shù)值仿真計(jì)算提供了可靠參數(shù)。

國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于冰的物理力學(xué)性質(zhì)的研究。Druez等[12-13]對(duì)大氣冰（atmospheric ice）做了壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的研究，冰在不同的溫度下制備，制備過(guò)程中測(cè)量不同溫度下的空氣流速，氣流中的液態(tài)水含量（LWC，liquid water content）和液滴的直徑都設(shè)定為定值。Kermani等[1，14]研究了不同溫度和應(yīng)變率下，大氣冰彎曲和壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律。除了對(duì)大氣冰的研究，很多研究者著手于其他類型的冰，特別是淡水冰。Timco等[15-16]對(duì)淡水冰做了懸臂梁彎曲試驗(yàn)，總結(jié)歸納了鹵水體積、加載速率對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響。Hawkes等[17-21]都做過(guò)有關(guān)淡水冰壓縮強(qiáng)度的研究，為后人的研究提供了參照。Gagnon等[22]研究了海冰強(qiáng)度對(duì)加載速率的敏感性。Raraty等[23]研究了冰的粘結(jié)力強(qiáng)度性能。Wang等[24]對(duì)海冰在低應(yīng)變率下的彎曲強(qiáng)度做了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

本文根據(jù)明冰的形成原理，模擬明冰的形成過(guò)程來(lái)制備明冰，通過(guò)對(duì)明冰試樣的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度測(cè)試研究，重點(diǎn)分析溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的影響。

1 噴霧凍結(jié)冰的制備

自然界中冰的形成受多個(gè)因素影響，如風(fēng)速、空氣中液滴含量、液滴粒徑、空氣溫度、液滴溫度，這些都會(huì)影響冰的結(jié)構(gòu)以及冰的力學(xué)性能。因此，選擇、監(jiān)控和控制好冰的形成條件至關(guān)重要。

本文在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)組和噴霧系統(tǒng)是用來(lái)模擬明冰形成過(guò)程的3個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

根據(jù)明冰形成的條件，將環(huán)境溫度設(shè)置為-15℃。制冰用的噴霧系統(tǒng)如圖1所示，P1為氣源壓力，P2為水源壓力。空氣霧化噴嘴高度D設(shè)定在15～20 cm之間，儲(chǔ)水的密封壓力罐放至設(shè)定為2℃的一級(jí)冷藏室內(nèi)靜置18 h以上，使水溫處于2～6℃，這是模擬過(guò)冷水滴的需要。液滴的粒徑由水壓和氣壓共同作用決定，本文特制的噴嘴經(jīng)測(cè)試，保證噴出的液滴粒徑在35～40 μm之間，符合明冰的形成條件。

圖1 噴霧系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of industrial spray nozzle

通過(guò)氣泵提供恒定壓力的兩股氣流，一股（P1）連入密封壓力罐的進(jìn)氣口，形成高壓，將密封壓力罐內(nèi)部承裝液態(tài)水壓出；另一股（P2）連入空氣凈化器，氣流經(jīng)過(guò)空氣凈化器內(nèi)部的液態(tài)水凈化后由出氣口流出；密封壓力罐的出水口輸出的液態(tài)水與空氣凈化器出氣口輸出的清潔空氣分別通入空氣霧化噴嘴，空氣霧化噴嘴將空氣與液態(tài)水混合后以一定壓力噴出35～40 μm大小的霧化液滴水汽，水汽從3℃環(huán)境內(nèi)噴射至-15℃環(huán)境中，由于液滴顆粒較小且為離散分布，因此在降落至附著面的過(guò)程中急速降溫冷卻生成顆粒結(jié)構(gòu)的冰晶粒子，最后聚集形成試驗(yàn)所需的冰。具體制冰步驟如下：

1）先在低溫實(shí)驗(yàn)室中將光滑平板用酒精擦拭干凈；

2）通過(guò)空氣霧化裝置使液態(tài)水以液滴形式噴出，在設(shè)定溫度為-15℃的低溫實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行凍結(jié)冰的制備工作，在指定區(qū)域噴制凍結(jié)冰，厚度在3～4 cm，面積約 1 m2，歷時(shí)約 60 min；

3）將大面積的凍結(jié)冰進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間冷凍，保證溫度分布均勻，且凍結(jié)完成；

4）提前將臺(tái)鋸放至于-15℃環(huán)境中，臺(tái)鋸表面溫度降低后，在-15℃低溫環(huán)境下，將大面積的冰塊切割成長(zhǎng)寬高固定的規(guī)則柱狀冰塊，切好后保存在低溫環(huán)境中待試驗(yàn)使用，如圖2所示。

圖2 彎曲應(yīng)力及壓縮應(yīng)力冰樣示意圖Fig.2 Ice sample in bending strength and compression strength test

2 冰的單軸壓縮強(qiáng)度

2.1 單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方法

考慮到試驗(yàn)的可行性，單軸壓縮試驗(yàn)所用的試件為長(zhǎng)方體。試件的橫截面尺寸需包含足夠多的冰晶數(shù)量以減少尺寸效應(yīng)的影響，其高度應(yīng)為寬度的2.5倍以保證試樣中部0.5倍的線性段。為此，取壓縮強(qiáng)度試樣的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為10 mm×10 mm×30 mm。

明冰的單軸壓縮試驗(yàn)裝置如圖3所示，壓縮試驗(yàn)需在試件上下兩端加置橡膠墊塊，以克服壓縮過(guò)程中試樣的端部摩擦，從而避免試樣的橫向變形與不均勻壓縮狀態(tài)。試驗(yàn)機(jī)的加載板與壓力傳感器連接，以采集加載力，并同步獲取加載板的位移變化。

圖3 明冰單軸壓縮試驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental instrument for frozen ice compression strength test

單軸壓縮試驗(yàn)中，力傳感器測(cè)得加載過(guò)程中的壓力為F，并由冰試樣發(fā)生破壞時(shí)的最大壓力確定單軸壓縮強(qiáng)度 σc，即

其中：Fmax為明冰試樣受到的最大壓力；a與b分別為明冰試樣的截面尺寸。圖4為典型的明冰壓縮破壞過(guò)程的應(yīng)力時(shí)程曲線，其試樣溫度為-11.7℃，冰的壓縮強(qiáng)度為5.79 MPa。

圖4 明冰單軸壓縮過(guò)程中法向應(yīng)力的典型時(shí)程曲線Fig.4 Measured compression strength of frozen ice versus time

2.2 冰溫對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度的影響

明冰的壓縮強(qiáng)度受到溫度、晶體結(jié)構(gòu)與加載方向、速率等因素的共同影響。本文主要對(duì)明冰單軸壓縮強(qiáng)度在不同溫度下的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)：-3℃、-6℃、-9℃、-12℃、-15℃、-18℃、-21℃、-24℃，選用一次噴制的明冰切成的試樣用于整個(gè)實(shí)驗(yàn)，這樣避免人為因素造成明冰結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，試驗(yàn)采用勻低速豎直向下單軸加載，保證試驗(yàn)的可操作性。

在對(duì)明冰單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試中，設(shè)定冰溫在-3～-24℃，由此得到的不同溫度下冰單軸壓縮強(qiáng)度如圖5所示。從圖中可以看出，隨冰溫度的降低，明冰單軸壓縮強(qiáng)度表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其很好地符合線性函數(shù)關(guān)系，即

σc=-0.111 1T+3.633 6

圖5 溫度對(duì)明冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響Fig.5 Compression strength of frozen ice at different temperatures

該擬合得到的殘差平方根R=0.705 1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還存在微弱的離散性，如表1所示。

表1 單軸壓縮強(qiáng)度均值和均方差Tab.1 Average value and MSE of compression strength data

由此得到冰單軸壓縮強(qiáng)度均值和溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 溫度對(duì)明冰單軸壓縮強(qiáng)度均值的影響Fig.6 Average compression strength of frozen ice at different temperatures

圖6可看出兩者很好地滿足線性關(guān)系，即：σc=-0.113 4T+3.621 3。該擬合的殘差平方根R=0.976 2，由此可見，冰壓縮強(qiáng)度的均值在不同溫度下可很好地符合線性函數(shù)。凍結(jié)冰強(qiáng)度隨溫度降低而變大的原因：冰是一種粘彈性材料，隨著溫度的降低，冰內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶體粘結(jié)性能升高，導(dǎo)致冰強(qiáng)度隨溫度降低而變大，當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體粘結(jié)性能降低，內(nèi)部缺陷增多，強(qiáng)度也會(huì)降低。

3 冰的彎曲強(qiáng)度

3.1 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法

本文采用了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法測(cè)試彎曲強(qiáng)度，加載方式如圖7所示，其中L0為冰式樣的長(zhǎng)度，L為冰樣兩個(gè)加載點(diǎn)間的距離，h為冰樣厚度，b為冰樣寬度。將冰樣放在有一定距離的兩個(gè)支撐點(diǎn)上，在兩個(gè)支撐點(diǎn)中點(diǎn)上方，向冰樣施加豎直向下的載荷，標(biāo)本的3個(gè)接觸點(diǎn)形成相等的兩個(gè)力矩時(shí)即發(fā)生三點(diǎn)彎曲，支撐座和加載端如圖8所示。彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)中，冰樣將于中點(diǎn)處發(fā)生斷裂，試樣下端面產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力是冰彎曲強(qiáng)度的控制因素。

圖7 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度加載方式Fig.7 Schematic of three points bend test

圖8 明冰彎曲應(yīng)力實(shí)驗(yàn)裝置：支撐座和加載端Fig.8 Experimental instrument for frozen ice bending strength test

根據(jù)簡(jiǎn)支梁的受力特點(diǎn)，作用力為P時(shí)，海冰試樣中最大橫截面上的正應(yīng)力為

在試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制冰試樣溫度，將冰在設(shè)置溫度的環(huán)境中放置3h，當(dāng)達(dá)到熱力平衡時(shí)再進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)冰試樣施加勻低速載荷直至發(fā)生破壞，自動(dòng)采集不同時(shí)刻壓頭作用力P及壓頭位移，典型的彎曲應(yīng)力σb時(shí)程曲線如圖9所示，并同步測(cè)量冰試樣的溫度和環(huán)境的溫度。當(dāng)海冰試樣發(fā)生彎曲破壞時(shí)，彎曲正應(yīng)力達(dá)到最大值σmax，此即為海冰的彎曲強(qiáng)度σf=σmax。

圖9 明冰彎曲過(guò)程中法向應(yīng)力的典型時(shí)程曲線Fig.9 Measured bending strength of frozen ice versus time

3.2 冰溫對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

明冰的彎曲強(qiáng)度同樣受到溫度、晶體結(jié)構(gòu)與加載速率等多重因素共同影響。本文主要研究溫度單一因素對(duì)其造成的影響。彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)中，冰樣將于中點(diǎn)處發(fā)生斷裂，試樣下端面產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力是冰彎曲強(qiáng)度的控制因素。

本文彎曲實(shí)驗(yàn)設(shè)置8個(gè)溫度點(diǎn)：-3℃、-6℃、-9℃、-12℃、-15℃、-18℃、-21℃、-24℃，將冰試樣和所有試驗(yàn)器材放置在冷卻環(huán)境中3 h，保證熱力平衡后再進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)量冰試樣的彎曲強(qiáng)度。針對(duì)實(shí)際溫度為-1.8℃、-5.7℃、-8.7℃、-10.7℃、-14.7℃、-16.2℃、-19.2℃、-21.6℃（設(shè)定溫度為-3℃，-6℃，-9℃，-12℃，-15℃，-18℃，-21℃，-24℃）8個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，所得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，從圖10中可看出明冰彎曲強(qiáng)度的最終試驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的離散性。觀察每個(gè)溫度點(diǎn)的平均值，如圖11所示，可得到結(jié)論，冰溫對(duì)明冰的彎曲強(qiáng)度影響不大，沒有明顯隨冰溫降低而升高的趨勢(shì)。

圖10 溫度對(duì)明冰彎曲強(qiáng)度的影響Fig.10 Bending strength of frozen ice at different temperatures

圖11 平均溫度對(duì)明冰彎曲強(qiáng)度的影響Fig.11 Average bending strength of frozen ice at different temperatures

4 結(jié)語(yǔ)

明冰的物理力學(xué)性質(zhì)是研究飛行器結(jié)冰和防（除）冰工作的基礎(chǔ)，是研究積冰對(duì)飛行器性能影響的前提。通過(guò)對(duì)明冰物理力學(xué)性質(zhì)的研究，可為合理確定積冰對(duì)飛行器性能的影響提供依據(jù)。本文人工模擬自然環(huán)境制備明冰，并在8個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度和其彎曲強(qiáng)度做了測(cè)試，重點(diǎn)分析溫度單個(gè)因素對(duì)明冰的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度造成的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低加載速率的條件下，明冰的單軸壓縮強(qiáng)度與溫度成線性關(guān)系，彎曲強(qiáng)度受溫度影響較小。可為以后對(duì)明冰物理力學(xué)性質(zhì)其他單個(gè)因素影響或多因素共同影響的研究提供借鑒，有助于確定冰的基本物理性質(zhì)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Experimental analysis on bending strength and uniaxial compression strength of glaze ice

YANG Kun1,ZHAI Biyao2,JI Shunying2
（1.AEC Commercial Aircraft Engine Co.,LTD,Shanghai 201306,China;2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China）

Aircraft icing is a significant hazard requiring extra attention in winter,and the shed ice can cause engine damage if it impacts an engine surface with enough mass and velocity.Glaze ice is more susceptible to aerodynamic forces that result in shedding.The experimental analysis of bending strength and uniaxial compression strength for glaze ice helps to analyze the ice shedding from the blade.Thus,the ice sample is generated with spraying to simulate the ice buildup on the engine blade during icing environment encounter.A compression test instrument is designed to measure the compression strength of glaze ice.A linear function is established between temperature and compression strength based on experimental data.The current experimental study can be applied for the analysis of mechanical properties of glaze ice and help to evaluate any engine compressor damage that results from ice shedding.

glaze ice;bending strength;uniaxial compression strength;environmental test;temperature

V228.7

：A

：1674－5590（2017）04－0016－05

2017-04-11；

：2017-05-17

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14DJ1400300）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41176012）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DUT15ZD105）

楊坤（1977—），女，山東蓬萊人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)檫m航與安全、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.