北极地区因其重要的航行优势、丰富的自然资源和巨大的科学研究潜力而日益受到关注。海冰厚度的迅速减少及其加速融化为北极的航行和发展开辟了新的机会，从而增加了对理解冰与结构相互作用的需求。尽管极地船舶和海洋结构多年来已经设计为能够承受海冰条件，但现有的规范主要是基于经验数据制定的，而不是基于对冰与结构相互作用过程的基本理解（Moslet, 2008）。
极地海冰呈现出多种形式，而在极地地区运行的海洋结构会遇到各种类型的冰载荷。为了确保海洋结构在冰区的安全，进行冰载荷预测的研究至关重要。现有的冰载荷预测方法已经从基于确定性情景的经验公式发展到忽略了结构变形反馈效应的时变模型。然而，考虑结构变形对与冰载荷相关的反馈机制影响的研究仍然不够充分。在这种背景下，研究结构变形如何影响冰与结构之间的相互作用过程至关重要。冰的破坏过程非常复杂，涉及多种现象，如微裂纹扩展、压碎、剥落等。此外，由于孔隙率等因素的影响，冰的本构关系复杂且难以有效描述。因此，本研究进行了小尺度压痕试验来研究这一过程。
多年来已经进行了许多冰-结构相互作用的压痕试验，这些试验主要是将平面、球形或楔形压头压入不同类型的冰中，主要关注加载速率、结构几何形状、冰形状和长宽比（结构宽度与冰厚度的比率）对过程的影响（Timco, 1987; Sodhi et al., 1998; Sodhi, 1998; Kim and Colbourne, 2016; Hossain and Taylor, 2024; Franciska, 2024）。主要关注的问题包括（但不限于）载荷类型、高压区的分布和冰的破坏模式（Tuhkuri, 1995; Zou, 1996; Taylor et al., 2019; Shruti et al., 2024）。
加载速率直接决定了冰的应变率，这使得冰表现出不同的本构关系，并导致冰载荷呈现多种类型。这是分类冰的三种典型行为（即延性、延性到脆性和脆性行为）的最重要因素（Schulson, 1999）。通过一系列边缘加载垂直压头到漂浮的柱状淡水冰中的压痕和穿透试验，得出了五种脆性范围内的破坏模式（Timco, 1987）。这些模式包括纯压碎、伴有剥落的压碎、伴有径向裂纹的压碎、伴有周向裂纹的压碎以及径向/周向裂纹和屈曲，具体取决于长宽比和相互作用速度。后续实验中也观察到了类似的现象（Lu et al., 2015, Lu et al., 2016）。在单轴压缩试验中发现了两种类型的裂纹：轴向裂纹（主裂纹与加载方向平行）和斜向裂纹（主裂纹与加载方向成一定角度）。与轴向裂纹相比，斜向裂纹的扩展会产生较小的冰碎片，表明冰裂纹扩展与加载方向之间存在相关性。这种现象主要是由于裂纹尖端的断裂韧性和应力条件的变化，而这些变化受加载速率的影响（Ji et al., 2013）。在后续试验中，破坏模式被分为延性破坏、分裂破坏和碎裂破坏，强调分裂破坏和碎裂破坏都是冰脆性破坏的表现（Ji et al., 2020）。最初，为了分析界面上的应力分布，通过推动分段压头进行了压痕试验，并独立测量了每个分段上的冰压碎力。这些试验的结果表明，在低速压痕过程中所有分段上同时产生力，而在高速压痕过程中分段上的力是非同时作用的（Sodhi, 1998）。随后，广泛使用触觉传感器来分析界面上的压力分布。当冰与结构相互作用时，接触面上高压区的分布是随机且离散的，导致冰在接触面上非同时破坏。这种现象促使人们开发了许多描述高压区分布的数学模型（Jordaan, 2001; Kujala and Arughadhoss, 2012; Taylor et al., 2019; Xu et al., 2024）。
结构刚度也对冰-结构相互作用产生显著影响，设计了不同的试验来探索其影响。在淡水冰的压痕试验中，将弹性结构系统理想化为单自由度质量-弹簧系统来分析能量交换（Sodhi, 1991）。在后续试验中，在结构与冰的界面使用了触觉传感器，表明结构刚度影响了结构穿透冰的速度。给出了结构刚度、加载速率和破坏模式之间关系的简化示意图（Sodhi, 2001）。通过将压头固定在不同尺寸的梁上来实施实验，以研究刚度效应。结果表明，结构刚度控制了相对压痕速率，产生的循环加载现象的频率与结构刚度呈线性依赖关系（Browne et al., 2013）。尽管Sodhi和Browne设计的压痕试验都有效考虑了结构刚度，但他们的单自由度系统简化模型仅限于平移效应，而忽略了结构变形的影响。目前的冰级船舶设计实践通常假设框架构件（加强件和肋条）的冰载荷高于中间跨度区域（Varsta, 1983; Riska et al., 2002）。然而，模型试验观察到的情况并非总是如此。通过改变外板的肋条刚度，发现较高的冰载荷并不总是发生在预期的框架位置，从而挑战了现有的载荷分布范式（M??tt?nen et al., 2011）。这些发现强调了结构刚度在冰-结构相互作用力学中的重要作用，尽管其作用尚未完全理解，但在相互作用分析中是一个基本考虑因素。
在这项研究中，进行了小尺度压痕试验来研究具有不同刚度的弹性板与冰之间的相互作用过程。与大多数之前关于结构刚度效应的研究不同，这些研究通常将结构简化为单自由度系统，而本研究强调了局部结构变形的影响。它关注“变刚度板的变形 → 压力分布 → 破坏模式 → 峰值载荷”这一关键链，旨在研究结构变形和刚度如何影响这一链中的参数。为了实现这一目标，系统地设计了各种测量传感器的布置、四端夹紧边界条件和多种加载速率。在试验中，使用2024年冬季从渤海收集的天然冰加工成试样，并存储在-12°C。设计了一个夹具来固定板，模拟冰与四边夹紧弹性板之间的相互作用。使用通用测试机进行加载，压力传感器记录总载荷的时间历史数据。使用两个激光位移传感器测量压紧梁的位移和弹性板的中心点。使用电荷耦合器件（CCD）相机捕捉冰的破坏过程，同时布置触觉传感器来记录界面上的压力分布。本研究表明，结构刚度主要影响冰与结构界面上的高压区的位置和面积，从而改变冰的破坏模式并影响载荷的大小。
