在极寒地区，船舶想要“乘风破浪”需要多大的力才能把厚厚的冰层破开？寒冷的冬天，海水结冰，海上采油平台与风力发电机是否经得起海冰的考验？这是工程应用中“海冰力学”的重要研究课题。对于海冰力学行为的准确把握是保障冰区航行作业安全的关键环节。然而，海冰力学行为的多尺度效应一直是极地海洋工程领域悬而未决的难题。

近期，天津大学建工学院教授黄焱课题组成员、该校副研究员孙剑桥搭乘中国第15次北冰洋科学考察“雪龙2”号船完成了科考任务，开展了多组现场实验，为揭示海冰力学行为的多尺度效应提供依据。

对于工程材料的多尺度力学分析，传统研究方法是取如厘米级、分米级、米级等不同尺寸的样本分别进行力学测试，然后用科学的方法推演出规律，并以此规律为依据，推算出更大体积物体的力学性能。以此方法，人们发现混凝土、岩石等材料的强度随体积变大而减小。海冰，是否也遵循这个规律？海冰的盐度、厚向深度等因素对于海冰的强度又有何影响？采用原位测量和离位测量的力学指标又有何变化？本次考察任务依托国家自然科学基金重大项目课题《海冰力学行为的跨尺度演变规律》，以求揭示海冰力学行为中的这些问题。

在此次科学考察中，课题组完成了海冰原位扩孔强度测试63组，海冰原位悬臂梁弯曲强度测试1组、三点弯曲强度测试43组。其中，海冰扩孔强度测试与原位悬臂梁弯曲强度测试均为我国首次在极地开展。“原位悬臂梁弯曲强度测试，就是我们模拟破冰船在破冰前行中利用船首斜面压断冰层的工作原理，选取了5米长、1.5米厚的冰层进行三面切割，利用液压缸在冰梁的自由端施加压力，测试冰层弯曲断裂所需的力。”孙剑桥解释说。实验中，课题组在北极现场完成了涵盖“厘米级”“分米级”和“米级以上”3个尺度的海冰力学行为测试，“毫米级”晶体尺度的力学测试目前正在基于采集的冰坯样品继续深化开展。

据悉，天津大学建筑工程学院冰力学与冰工程实验室是国内目前唯一的低温冰力学及冰工程实验研究基地。此次实验取得的相关测试数据及研究成果将推动海冰力学研究的前沿发展，为冰区船舶与海洋工程结构设计提供基础输入与技术验证手段，将有力服务我国极地战略的实施。

孙剑桥  天津大学供图