喷雾冻结冰弯曲强度与单轴压缩强度试验研究

杨 坤，翟必垚，季顺迎

（1.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 201306；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116023）

喷雾冻结冰弯曲强度与单轴压缩强度试验研究

杨 坤1，翟必垚2，季顺迎2

（1.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 201306；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116023）

飞机发动机产生的明冰会改变流场分布，影响发动机组的正常工作，同时脱落后的明冰可能会对发动机部件产生破坏。弯曲强度和压缩强度是明冰基本的力学性质，依据明冰的形成原理，人工喷制明冰，并对明冰的弯曲强度和压缩强度进行测试，分析了温度对弯曲强度和压缩强度的影响。该研究为准确判断冰脱落形式以及脱落后的运行轨迹提供了重要依据，同时也为冰脱落数值仿真计算提供了可靠参数。

明冰；弯曲强度；单轴压缩强度；试验测试；温度

大气结冰问题于1949年首次在航空航天领域被发现，后来陆续出现在北方国家（加拿大，俄罗斯，挪威等）的电信和电力传输设备领域[1]。飞机在温度低于冰点的空中飞行时，当遇到0～10℃的冻雨或含有过冷水滴的云层时，水滴撞击在飞机表面上，就会导致水滴凝结成冰[2-3]。飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种现象，也是造成飞行安全事故的主要隐患之一[4-5]。在飞行器上或内部发动机部件上生成的积冰将会严重改变飞机的气动性能，对飞机及其发动机性能造成很大影响[6]。

根据飞机表面结冰的结构、形状以及对飞行影响程度的不同，可分为明冰、霜冰、雾、霜[7]。其中明冰、霜冰对飞机的影响最为严重[8-9]。明冰是光滑透明，结构密实，主要分布在机翼、机头整流罩和进气口处，而且由于明冰透明，不易被机组人员发现且不容易除去[3]。飞机机翼和尾翼前缘所形成的明冰会使机翼和尾翼外形发生变化，减少飞机升力，增大飞机阻力，影响飞机的稳定性[10]。发动机叶片上产生冻结冰以后，改变了流场分布从而影响发动机组正常工作，同时脱落后的冻结冰可能会对发动机部件产生破坏。

对飞机发动机结冰机理和防（除）冰技术的研究包括数学仿真和飞机结冰及防冰系统试验研究[11]。对冻结冰的物理力学性质进行测试，是准确判断冻结冰脱落形式以及脱落后运行轨迹的重要依据，同时也为数值仿真计算提供了可靠参数。

国内外有很多关于冰的物理力学性质的研究。Druez等[12-13]对大气冰（atmospheric ice）做了压缩强度和拉伸强度的研究，冰在不同的温度下制备，制备过程中测量不同温度下的空气流速，气流中的液态水含量（LWC，liquid water content）和液滴的直径都设定为定值。Kermani等[1，14]研究了不同温度和应变率下，大气冰弯曲和压缩强度的变化规律。除了对大气冰的研究，很多研究者着手于其他类型的冰，特别是淡水冰。Timco等[15-16]对淡水冰做了悬臂梁弯曲试验，总结归纳了卤水体积、加载速率对海冰弯曲强度的影响。Hawkes等[17-21]都做过有关淡水冰压缩强度的研究，为后人的研究提供了参照。Gagnon等[22]研究了海冰强度对加载速率的敏感性。Raraty等[23]研究了冰的粘结力强度性能。Wang等[24]对海冰在低应变率下的弯曲强度做了实验室测试。

本文根据明冰的形成原理，模拟明冰的形成过程来制备明冰，通过对明冰试样的弯曲强度和压缩强度测试研究，重点分析温度对弯曲强度和压缩强度的影响。

1 喷雾冻结冰的制备

自然界中冰的形成受多个因素影响，如风速、空气中液滴含量、液滴粒径、空气温度、液滴温度，这些都会影响冰的结构以及冰的力学性能。因此，选择、监控和控制好冰的形成条件至关重要。

本文在低温实验室内进行试验。风机、制冷机组和喷雾系统是用来模拟明冰形成过程的3个关键实验设备。

根据明冰形成的条件，将环境温度设置为-15℃。制冰用的喷雾系统如图1所示，P1为气源压力，P2为水源压力。空气雾化喷嘴高度D设定在15～20 cm之间，储水的密封压力罐放至设定为2℃的一级冷藏室内静置18 h以上，使水温处于2～6℃，这是模拟过冷水滴的需要。液滴的粒径由水压和气压共同作用决定，本文特制的喷嘴经测试，保证喷出的液滴粒径在35～40 μm之间，符合明冰的形成条件。

图1 喷雾系统示意图Fig.1 Schematic of industrial spray nozzle

通过气泵提供恒定压力的两股气流，一股（P1）连入密封压力罐的进气口，形成高压，将密封压力罐内部承装液态水压出；另一股（P2）连入空气净化器，气流经过空气净化器内部的液态水净化后由出气口流出；密封压力罐的出水口输出的液态水与空气净化器出气口输出的清洁空气分别通入空气雾化喷嘴，空气雾化喷嘴将空气与液态水混合后以一定压力喷出35～40 μm大小的雾化液滴水汽，水汽从3℃环境内喷射至-15℃环境中，由于液滴颗粒较小且为离散分布，因此在降落至附着面的过程中急速降温冷却生成颗粒结构的冰晶粒子，最后聚集形成试验所需的冰。具体制冰步骤如下：

1）先在低温实验室中将光滑平板用酒精擦拭干净；

2）通过空气雾化装置使液态水以液滴形式喷出，在设定温度为-15℃的低温实验室里进行冻结冰的制备工作，在指定区域喷制冻结冰，厚度在3～4 cm，面积约 1 m2，历时约 60 min；

3）将大面积的冻结冰进行长时间冷冻，保证温度分布均匀，且冻结完成；

4）提前将台锯放至于-15℃环境中，台锯表面温度降低后，在-15℃低温环境下，将大面积的冰块切割成长宽高固定的规则柱状冰块，切好后保存在低温环境中待试验使用，如图2所示。

图2 弯曲应力及压缩应力冰样示意图Fig.2 Ice sample in bending strength and compression strength test

2 冰的单轴压缩强度

2.1 单轴压缩强度试验方法

考虑到试验的可行性，单轴压缩试验所用的试件为长方体。试件的横截面尺寸需包含足够多的冰晶数量以减少尺寸效应的影响，其高度应为宽度的2.5倍以保证试样中部0.5倍的线性段。为此，取压缩强度试样的尺寸（长×宽×高）为10 mm×10 mm×30 mm。

明冰的单轴压缩试验装置如图3所示，压缩试验需在试件上下两端加置橡胶垫块，以克服压缩过程中试样的端部摩擦，从而避免试样的横向变形与不均匀压缩状态。试验机的加载板与压力传感器连接，以采集加载力，并同步获取加载板的位移变化。

图3 明冰单轴压缩试验装置Fig.3 Experimental instrument for frozen ice compression strength test

单轴压缩试验中，力传感器测得加载过程中的压力为F，并由冰试样发生破坏时的最大压力确定单轴压缩强度 σc，即

其中：Fmax为明冰试样受到的最大压力；a与b分别为明冰试样的截面尺寸。图4为典型的明冰压缩破坏过程的应力时程曲线，其试样温度为-11.7℃，冰的压缩强度为5.79 MPa。

图4 明冰单轴压缩过程中法向应力的典型时程曲线Fig.4 Measured compression strength of frozen ice versus time

2.2 冰温对单轴压缩强度的影响

明冰的压缩强度受到温度、晶体结构与加载方向、速率等因素的共同影响。本文主要对明冰单轴压缩强度在不同温度下的变化规律进行分析。

实验共设置8个温度测试点：-3℃、-6℃、-9℃、-12℃、-15℃、-18℃、-21℃、-24℃，选用一次喷制的明冰切成的试样用于整个实验，这样避免人为因素造成明冰结构不同导致对实验结果的影响。此外，试验采用匀低速竖直向下单轴加载，保证试验的可操作性。

在对明冰单轴压缩强度测试中，设定冰温在-3～-24℃，由此得到的不同温度下冰单轴压缩强度如图5所示。从图中可以看出，随冰温度的降低，明冰单轴压缩强度表现出上升趋势，其很好地符合线性函数关系，即

σc=-0.111 1T+3.633 6

图5 温度对明冰单轴压缩强度的影响Fig.5 Compression strength of frozen ice at different temperatures

该拟合得到的残差平方根R=0.705 1，试验数据还存在微弱的离散性，如表1所示。

表1 单轴压缩强度均值和均方差Tab.1 Average value and MSE of compression strength data

由此得到冰单轴压缩强度均值和温度的关系如图6所示。

图6 温度对明冰单轴压缩强度均值的影响Fig.6 Average compression strength of frozen ice at different temperatures

图6可看出两者很好地满足线性关系，即：σc=-0.113 4T+3.621 3。该拟合的残差平方根R=0.976 2，由此可见，冰压缩强度的均值在不同温度下可很好地符合线性函数。冻结冰强度随温度降低而变大的原因：冰是一种粘弹性材料，随着温度的降低，冰内结构发生变化，晶体粘结性能升高，导致冰强度随温度降低而变大，当温度升高时，晶体粘结性能降低，内部缺陷增多，强度也会降低。

3 冰的弯曲强度

3.1 弯曲强度试验方法

本文采用了三点弯曲试验方法测试弯曲强度，加载方式如图7所示，其中L0为冰式样的长度，L为冰样两个加载点间的距离，h为冰样厚度，b为冰样宽度。将冰样放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方，向冰样施加竖直向下的载荷，标本的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，支撑座和加载端如图8所示。弯曲强度试验中，冰样将于中点处发生断裂，试样下端面产生的拉伸应力是冰弯曲强度的控制因素。

图7 三点弯曲强度加载方式Fig.7 Schematic of three points bend test

图8 明冰弯曲应力实验装置：支撑座和加载端Fig.8 Experimental instrument for frozen ice bending strength test

根据简支梁的受力特点，作用力为P时，海冰试样中最大横截面上的正应力为

在试验过程中严格控制冰试样温度，将冰在设置温度的环境中放置3h，当达到热力平衡时再进行试验。对冰试样施加匀低速载荷直至发生破坏，自动采集不同时刻压头作用力P及压头位移，典型的弯曲应力σb时程曲线如图9所示，并同步测量冰试样的温度和环境的温度。当海冰试样发生弯曲破坏时，弯曲正应力达到最大值σmax，此即为海冰的弯曲强度σf=σmax。

图9 明冰弯曲过程中法向应力的典型时程曲线Fig.9 Measured bending strength of frozen ice versus time

3.2 冰温对弯曲强度的影响

明冰的弯曲强度同样受到温度、晶体结构与加载速率等多重因素共同影响。本文主要研究温度单一因素对其造成的影响。弯曲强度试验中，冰样将于中点处发生断裂，试样下端面产生的拉伸应力是冰弯曲强度的控制因素。

本文弯曲实验设置8个温度点：-3℃、-6℃、-9℃、-12℃、-15℃、-18℃、-21℃、-24℃，将冰试样和所有试验器材放置在冷却环境中3 h，保证热力平衡后再进行试验，分别测量冰试样的弯曲强度。针对实际温度为-1.8℃、-5.7℃、-8.7℃、-10.7℃、-14.7℃、-16.2℃、-19.2℃、-21.6℃（设定温度为-3℃，-6℃，-9℃，-12℃，-15℃，-18℃，-21℃，-24℃）8个点的试验数据进行总结，所得到的试验结果如图10所示，从图10中可看出明冰弯曲强度的最终试验结果具有较强的离散性。观察每个温度点的平均值，如图11所示，可得到结论，冰温对明冰的弯曲强度影响不大，没有明显随冰温降低而升高的趋势。

图10 温度对明冰弯曲强度的影响Fig.10 Bending strength of frozen ice at different temperatures

图11 平均温度对明冰弯曲强度的影响Fig.11 Average bending strength of frozen ice at different temperatures

4 结语

明冰的物理力学性质是研究飞行器结冰和防（除）冰工作的基础，是研究积冰对飞行器性能影响的前提。通过对明冰物理力学性质的研究，可为合理确定积冰对飞行器性能的影响提供依据。本文人工模拟自然环境制备明冰，并在8个温度点对单轴压缩强度和其弯曲强度做了测试，重点分析温度单个因素对明冰的压缩强度和弯曲强度造成的影响。试验结果表明：在低加载速率的条件下，明冰的单轴压缩强度与温度成线性关系，弯曲强度受温度影响较小。可为以后对明冰物理力学性质其他单个因素影响或多因素共同影响的研究提供借鉴，有助于确定冰的基本物理性质和飞机发动机叶片设计参数的确定。

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（责任编辑：刘智勇）

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

上海市科学技术委员会科研计划项目（14DJ1400300）；国家自然科学基金项目（41176012）；中央高校基本科研业务费专项（DUT15ZD105）

杨坤（1977—），女，山东蓬莱人，高级工程师，博士，研究方向为适航与安全、结构强度.