Способ определения напряжённо-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола Российский патент 2023 года по МПК B63B35/08 B63B79/15 G01L1/00 

Способ определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола относится к G01L 1/02, В35В 35/42, а более конкретно к ледоведению и ледотехнике. Результаты такого определения необходимы для обеспечения условий ледового плавания, определения несущей способности ледяного покрова, а также при проектировании ледостойких гидротехнических сооружений и судов.

Известно устройство для измерения толщины льдин с борта судна [1], содержащее телевизионную камеру, соединенную с компьютером и монитором. Телевизионная камера размещается на мостике судна в положении визирования на морскую поверхность в районе борта за носовой частью судна, что обеспечивает возможности регистрации толщины вывороченнных льдин при движении ледокола.

Недостатком такого расположения устройства является то, что при движении ледокола определяется только толщина вывороченных льдин и нельзя зафиксировать формы и характер разрушения льда в районе правой и левой скулы форштевня ледокола, а также скорость закрытия канала за кормой судна.

Известен судовой измеритель толщины льда [2], который относится к способам и устройствам для дистанционного измерения размеров объектов, в том числе движущихся. Устройство снабжено датчиком температуры и относительной влажности, которые управляют нагревом защитного стекла корпуса измерителя для исключения его обледенения, а также снабжено источником света и датчиком освещенности, что дает возможность работы устройства в ночное время.

Недостатком такого расположения устройства является то, что при движении ледокола определяется только толщина вывороченных льдин и нельзя зафиксировать формы и характер разрушения льда в районе правой и левой скулы форштевня ледокола, а также скорость закрытия канала за кормой судна.

Известен способ расчета скорости сложения канала в ледяном покрове, образованном за судном, по данным телевизионных снимков, получаемых с видеокамеры, расположенной в кормовой части ледокола [3].

Недостатком такого способа является только качественное определение степени сжатия ледяного поля по скорости закрытия канала.

Известен, принятый за прототип, способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова по курсу движения ледокола. Для этого на ледяной покров устанавливаются в линию по курсу движения судна на каждом из пикетов (точках) по одному сейсмометру, наклономеру, деформометру и датчику напряжения, ориентированных осями чувствительности вдоль курса движения судна, а в носовой части судна располагается акселерометр для определения моментов пролома льда ледоколом. Количество пикетов и расстояние между ними определяется решаемыми задачами [4].

Недостатком такого способа является получение ограниченных (неполных) данных по формированию напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола, что вызвано расположением датчиков по курсу движения судна и необходимостью его остановки перед пикетами с датчиками, а также отсутствием морфометрических и визуальных характеристик ледяного покрова во время движения ледокола.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей при получении данных для определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля вплоть до его разрушения при движении ледокола, который достигается расстановкой камер видеонаблюдения на ледоколе, датчиков на ледяном покрове и размещением акселерометров не только в носовой, но и в кормовой части судна. Установка акселерометра в кормовой части судна совместно с акселерометром, расположенным в носовой части ледокола, обеспечивает более точную фиксацию момента пролома льда при движении ледокола по сравнению с нахождением устройства только в носовой его части. Видеокамеры на судне располагаются следующим образом: в носовой части судна с левого и правого бортов закрепляются видеокамеры в положении визирования на морскую поверхность в районе скуловой части носа ледокола и обеспечивающие видеозапись в реальном времени форм и характера разрушения льда форштевнем ледокола [5]; на мостике судна устанавливается видеокамера, направленная на регистрацию формирования трещины, образующейся перед форштевнем ледокола при его движении; в кормовой части судна устанавливается видеокамера для фиксации ширины канала за ледоколом; на мостике располагается вторая видеокамера в положении визирования на морскую поверхность вывороченных льдин в районе борта судна для определения толщины льда. Такое распределение видеокамер обеспечивает возможность в общем виде характеризовать не только напряженно-деформированное состояние ледяного поля, но и направление сжатия льда, а также морфометрические характеристики льда по ходу движения ледокола. Кроме того, на льду перпендикулярно курсу движения судна с обоих бортов разворачиваются по три пикета, на каждом из которых располагаются трехкомпонентный сейсмометр (например, СМЕ-4311 [6]), двухкомпонентный наклономер (например, ИН-Д3_а-360 [6]), три кольцевых деформометра [7], стойки которых вмораживаются в лед таким образом, чтобы оси чувствительности располагались под углами 120° относительно друг друга, три плоских датчика напряжений также вмораживаются в ледяной покров под углами 120° относительно друг друга [8]. Однотипно сориентированные датчики деформации и напряжения обеспечивают определение эллипсов деформации и напряжений в точках их установки. При этом все данные, получаемые на каждой точке наблюдений, как на судне так и на ледяном покрове, при их оцифровке, снабжаются синхронизационными временными меткам, получаемыми от спутниковой системы glonass/gps, посредством использования приемника спутниковых сигналов. Таким образом, все полученные данные являются синхронизированными по единой временной шкале.

Электропитание датчиков осуществляется от аккумуляторных батарей, а передача аналогового сигнала с датчиков преобразуется в цифровой формат и по радиоканалу передается в режиме реального времени на накопитель и монитор оператора, размещенные на судне.

На фиг. 1 представлена схема размещения оборудования для определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола, состоящая из следующих объектов:

1 - ледокольное судно;

2 - формы разрушения льда в области форштевня (носовой части судна);

3 - трещина во льду перед форштевнем судна;

4 - вывороченные льдины у борта судна;

5 - канал, образованный за судном;

6 - камеры видеонаблюдения, установленные в носовой и кормовой частях ледокольного судна (камеры, установленные на мостике судна на фиг. 1 не приведены);

7 - акселерометры, установленные в носовой и кормовой частях судна;

8 - радиопередатчик с антенной и преобразователем аналоговых сигналов в цифровой формат для передачи данных с датчиков на судовой сервер и монитор оператора;

9 - плоские датчики напряжений, вмороженные в ледяное поле;

10 - двухкомпонентные наклономеры;

11 - трехкомпонентные сейсмометры;

12 - кольцевые деформометры;

П_л-1, П_л-2, П_л-3 - три пикета с датчиками, развернутые на ледяном покрове по левому борту перпендикулярно курсу движения судна;

П_п-1, П_п-2, П_п-3 - три пикета с датчиками, развернутые на ледяном покрове по правому борту перпендикулярно курсу движения судна.

Видеокамера, предназначенная для определения толщины льда, и видеокамера для фиксации трещины перед форштевнем (носом) ледокола, установленные на мостике судна, на фиг. 1 не указаны. Приемники спутниковых сигналов glonass/gps для получения синхронизационных временных меток на фиг. 1 также не указаны.

Способ определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола реализуется следующим образом. С двух сторон по курсу движения ледокольного судна 1 расчищаются от снега площадки под пикеты П_л-1, П_л-2, П_л-3 по левую сторону от маршрута движения ледокола и П_п-1, П_п-2, П_п-3 по правую сторону. Расстояния от курса движения ледокола до пикетов и между пикетами выбирается в зависимости от размера ледяного поля, его толщины и решаемых задач. На каждом пикете в намеченных местах при помощи цепной бензопилы выпиливаются три прорези по размеру плоских датчиков напряжения на заданную глубину под углом 120° относительно друг друга. Датчики 9 вставляют в прорези и замораживают во льду. Ко льду примораживаются деревянные постаменты, на которых устанавливают двухкомпонентные наклономеры 10 и трехкомпонентные сейсмометры 11, которые осями чувствительности ориентируются перпендикулярно и вдоль курса движения ледокола. Кроме того в поверхностном слое льда пробуривают отверстия, в которые вставляют и замораживают стойки кольцевых многофункциональных деформометров 12, таким образом, чтобы оси их максимальной чувствительности были под углом 120° друг к другу и совпадали с осями чувствительности датчиков напряжений 9. Далее датчики подключают к блокам питания (на фиг. 1 не указаны), проводят соответствующую настройку, и через аналого-цифровой преобразователь (плата АЦП на фиг. 1 не указаны) подключают к антенне радиопередающего канала 8. Сигналы с датчиков по радиоканалам в цифровом формате поступают на сервер и монитор оператора на ледокольное судно. Кроме того, на судне на корме и носу устанавливают два акселерометра 7, сигналы с которых через плату АЦП и радиопередатчик с антенной 8 поступают на сервер и монитор оператора. Видеокамеры 6 устанавливаются в кормовой части ледокола для определения скорости закрытия канала за ледоколом, в носовой части судна с правого и левого бортов для определения характера и форм разрушения льда форштевнем ледокола, на мостике для определения толщины льда и вторая для фиксации трещины, образующейся впереди ледокола (две последние на фиг. 1 не приведены). Видеоизображения с камер также поступают на сервер и монитор оператора. Кроме того, как на судне так и на ледяном покрове, в каждой точке расстановки датчиков устанавливаются приемники glonass/gps спутниковой системы для временной синхронизации всей схемы наблюдений (на фиг. 1 не указана).

Использованные источники

1. Клейн А.Э., Третьяков В.Ю., Фролов С.В. Устройство для измерения толщины льда с борта судна. Патент на полезную модель №70983, 2008 г.

2. Сероветников С.С., Ковчин М.И. Судовой измеритель толщины льда. Патент на изобретение №2767293, 2022 г.

3. Третьяков В.Ю., Фролов С.В., Клейн А.Э. Методика расчета скорости сложения канала по данным телевизионных снимков. Метеорологический вестник. №2 (7), 2010 г., с. 12-29.

4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалев С.М., Нюбом А.А. Способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова при изгибе. Патент на изобретение №2614922, 2017 г.

5. Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Механика разрушения и проблемы освоения Арктики. Арктика: экология и экономика. №4 (20), 2015, с. 14-27.

6. Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Бородкин В.А., Нюбом А.А., Шушлебин А.И. Инструментальный мониторинг и краткосрочный прогноз явлений сжатия и торошения в морских льдах. Санкт-Петербург, ААНИИ, 2017, с. 174.

7. Смирнов В.Н., Сыроваткин В.И., Шушлебин А.И. Ледовый кольцевой многофункциональный деформометр. Патент на полезную модель №82838, 2009 г.

8. Знаменский М.С., Ковалев С.М., Шушлебин А.И., Щепанюк С.Н., Яцкевич А.А. Гидравлический датчик напряжений для ледяного покрова. Патент на изобретение №2765802, 2022 г.

Изобретение относится к ледоведению и ледотехнике. Предложен способ определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола, который характеризуется расстановкой камер видеонаблюдения и датчиков на ледоколе и на ледяном покрове. В кормовой и носовой частях судна устанавливаются акселерометры для фиксации пролома льда при движении ледокола. В носовой части судна с левого и правого бортов закрепляются видеокамеры в положении визирования на морскую поверхность в районе форштевня, обеспечивающие видеозапись в реальном времени форм и характера разрушения льда форштевнем ледокола; на мостике судна устанавливается видеокамера, направленная на регистрацию формирования трещины, образующейся перед форштевнем ледокола при его движении; в кормовой части судна устанавливается видеокамера для фиксации ширины канала за ледоколом; на мостике располагается вторая видеокамера в положении визирования на морскую поверхность вывороченных льдин в районе борта судна для определения толщины льда. При этом на льду перпендикулярно курсу движения судна с обоих бортов разворачиваются по три пикета, на каждом из которых располагаются трехкомпонентный сейсмометр, двухкомпонентный наклономер, три кольцевых деформометра, стойки которых вмораживаются в лед таким образом, чтобы оси чувствительности располагались под углами 120° относительно друг друга, три плоских датчика напряжений также вмораживаются в ледяной покров под углом 120° относительно друг друга. Передача аналогового сигнала с датчиков преобразуется в цифровой формат и по радиоканалу передается в режиме реального времени на накопитель и монитор оператора, размещенные на судне. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и полноты определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля вплоть до разрушения при движении ледокола. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола, заключающийся в определении сжатия ледяного поля и толщины льда по вывороченным льдинам при помощи видеокамер, размещенных на корме ледокола в положении визирования ширины ледового канала за судном и на мостике с визированием морской поверхности в области борта судна за носовой его частью, определении акселерометром, установленным на носу ледокола, моментов пролома льда, определении напряжения и деформации льда при помощи расставленных на его поверхности сейсмометров, наклономеров и вмороженных в лед деформометров и датчиков напряжений во льду, расположенных на пикетах по курсу движения ледокола, а данные с датчиков, преобразованные в цифровой формат, по радиоканалу поступают на накопитель и монитор оператора, отличающийся тем, что на мостике судна устанавливается видеокамера в положении визирования трещины в ледяном поле перед форштевнем ледокола, устанавливаются камеры видеонаблюдения с правого и левого бортов в носовой части судна с визированием на морскую поверхность в скуловой части носа ледокола, в кормовой части ледокола устанавливается акселерометр, а на ледяном поле перпендикулярно курсу судна на каждом из трех пикетов с правого и левого бортов располагаются трехкомпонентный сейсмометр, двухкомпонентный наклономер, замораживаются три датчика напряжений под углом 120° относительно друг друга и три деформометра под углом 120° относительно друг друга.

2. Способ определения напряженно-деформированного состояния ледяного поля при движении ледокола по п. 1, отличающийся тем, что временная синхронизация наблюдений осуществляется спутниковой системой приемников glonass/gps.