水岩化学作用对黑色页岩的化学损伤及力学劣化试验研究

为模拟黑色页岩化学风化中酸性水-页岩化学作用过程,本文对其进行氧化条件下的不同pH值H2SO4溶液的非平衡流动态腐蚀性试验,获得了黑色页岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征的变化。通过单轴压缩试验,获得黑色页岩在不同浸泡时段的变形和强度特性规律,探讨了酸性水对黑色页岩化学作用的化学损伤和力学劣化的腐蚀效应及机制。研究表明,页岩试件在化学腐蚀后,易溶性矿物成分减小,黏土矿物增加,同时矿物胶结变得松散,矿物边缘变得模糊;页岩试件的相对质量损失与次生孔隙率随pH值减小和浸泡时间的增长而增大,而纵波波速则减小;其力学特性有从脆性破坏向延性破坏转化的趋势,单轴抗压强度和弹性模量有随pH值减小和浸泡时间的增长而减小的趋势。基于次生孔隙率,构建化学损伤变量来描述试件化学-力学损伤演化过程。分析酸性水-页岩化学作用的机理主要为:溶解作用、氧化作用、水解作用及离子交换吸附作用。     

自相似多孔材料的力学性能与吸能特性

通过对自相似多孔材料的研究,给出了该结构的代表体积单元和相对密度。采用有限元方法对多孔材料面外的准静态压缩以及动态压缩进行数值模拟,分析了其变形模式,提取了应力-应变响应曲线,讨论了相对密度对多孔材料的弹性模量、平台应力、密实应变以及单位质量吸能的影响。研究发现:多孔材料在面外准静态压缩时,弹性模量、平台应力随相对密度的增大而增大,密实应变随相对密度的增大而减小;相对密度主要影响多孔材料的平台应力和弹性模量。多孔材料在面外动态压缩时,在相同的冲击速度下,多孔材料相对密度越大,其单位质量吸收的能量越多。     

深部软岩新型相似模拟材料的研制

在总结以往相似模拟材料特点的基础上,结合深部软岩强度、变形特征,本着相似材料组分简单、模型制作便捷等原则,研制了仅以河砂为骨料,松香酒精溶液为粘结剂的深部软岩新型相似模拟材料。通过对不同配比试样进行单、三轴压缩、巴西劈裂试验,获得了不同配比条件下该相似模拟材料的强度、变形、破坏特征。研究表明,通过简单的配比调配,该相似模拟材料可以较好地模拟深部大多类型的软岩,且具有组分简单、模型制作便捷、力学性能稳定、无毒无污染、价格低廉、一定程度上可重复利用等特点。     

页岩气吸附解吸规律研究

页岩中天然气的吸附解吸规律是页岩气开发的基础。根据物质平衡原理,自行设计了页岩气吸附解吸实验装置。用该装置对取自鄂尔多斯盆地的三个页岩岩样在不同温度(30～90℃)、不同压力(0.1～10MPa)条件下,进行页岩气吸附及解吸规律研究。实验结果表明,吸附量随有机碳含量的增加而增大;随压力的增加吸附量增大,而随温度的增大吸附量减小。同一温度压力条件下,相对吸附过程而言,解吸过程有滞后现象,解吸不够彻底。对粘土含量较大的页岩,朗格缪尔模型拟合效果较差,而利用修正的双朗格缪尔模型可以得到较好的拟合结果。     

孔隙率对纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能影响的研究

研究了孔隙率对1种混杂纤维增强纸基摩擦材料压缩回弹性以及摩擦磨损性能的影响.结果表明:在相同载荷下,随着孔隙率增大,材料的压缩率增加而回弹率降低,随着载荷增加,高孔隙率材料的回弹率先明显增大,而后趋于稳定;在相同比压和转速下,孔隙率越高,材料的摩擦系数越大,随着比压增加,孔隙率高的材料摩擦系数逐渐降低,且不同孔隙率材料的摩擦系数逐渐趋于一致;在连续循环制动时,高孔隙率材料的摩擦系数逐渐降低并趋于稳定.这是由于在较高压力下,高孔隙率材料的孔隙会引起塌陷,使其孔隙率降低,从而影响材料的压缩回弹性和摩擦磨损性能.     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

多功能含能结构材料冲击压缩特性的理论计算

基于混合物冷能叠加原理,由各组分Hugoniot数据计算了密实材料的冲击压缩特性。再从等压 路径出发,结合Wu-Jing模型由热力学关系得到了具有一定孔隙率多功能含能结构材料的冲击压缩特性计算 方法。以W/Cu、Al/Ni、Ni/Ti和Al/Fe2O3/epoxy等典型颗粒金属材料及含能金属材料为例,计算了其冲击 压缩过程中相关Hugoniot参数。计算结果与已有实验结果吻合较好,多功能含能结构材料冲击压缩特性受 材料孔隙率、材料配比等影响明显。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

制样含水量对软黏土力学特性影响的试验研究

为分析制样含水量对重塑软黏土的力学特性影响,用单向固结仪和三轴仪分别对不同泥浆含水量固结而成的重塑样开展了单向压缩试验和固结不排水剪切三轴试验。试验结果表明,重塑样的初始孔隙比随制样含水量的增大而增大,从而引起压缩曲线的上移以及压缩指数的增大,土体的抗剪强度减小,孔隙水压力增大;但初始含水量对土体的有效应力比和临界状态影响不大;制样含水量对重塑样力学特性的影响的界限含水量约为2.0倍液限含水量。最后,用孔隙指数对试验结果归一化,得到不同初始孔隙比重塑样的压缩曲线和剪切强度可基本归一化为土的固有压缩曲线和固有强度曲线。     

沥青海砂作为软岩相似材料的实验研究

为了解决岩石工程相似模型实验中传统相似材料难以模拟深部软岩低强度、大变形和强流变的问题,本文选用70#沥青(产量大、成本低、粘弹性、易成型、易软化等)和海砂作为深部软岩的相似模拟材料.采用连续加压法对其进行了单轴压缩实验,对不同配比下试件的密度、抗压强度及初始弹性模量进行分析,得到了该相似材料有关的原始数据和规律.本文初步验证了使用该相似材料模拟深部软岩的可行性,并针对不足之处给出一些合理改进建议,为进一步模型模拟实验提供指导.     

基于细观尺度的混凝土单轴力学性能仿真计算分析

基于细观力学建立了混凝土的2D随机骨料模型,应用塑性损伤本构模型,模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩载荷下的力学性能和裂纹的萌生扩展。通过变参数分析,研究了粗骨料形状和面积分数、界面性能以及孔隙率等混凝土多相特征对应力-应变关系的影响。数值研究表明:粗骨料形状对混凝土拉压强度影响很小;粗骨料面积分数、界面性能和孔隙率是控制混凝土宏观响应的重要参数。研究发现:随粗骨料面积分数增加,混凝土拉压强度均表现出先减小后增大的变化趋势;而界面性能对混凝土的强度有重要影响,混凝土拉压强度随界面性能的增大而单调增加;孔隙率愈高,混凝土的拉压强度损失愈显著。     

锥柱形膜片后屈曲的材料特性预示研究

使用正交表设计数值试验, 分析弹性模量、屈服强度、延伸率等材料特性参数对锥柱形膜片结构后屈曲状态的影响, 预示材料特性对膜片翻转的影响. 正交数值试验在不影响结果科学性的基础上, 极大地降低了试验次数. 数值试验结果表明: 在一定结构情况下, 弹性模量与屈服强度对膜片正向翻转影响非常显著, 而延伸率的影响与前两个因素比较而言, 几乎可以忽略. 并且, 结构顶点位移随材料的弹性模量增大而增大; 随材料的屈服强度减小而增大.因此, 在结构固定的情况下, 为了提高材料的翻转性能, 可以选择弹性模量较大而屈服强度较小的材料, 且延伸率为20%左右最好.     

孪生诱发塑性对V-5Cr-5Ti合金应变硬化行为的影响

钒合金(V-Cr-Ti)作为潜在重要的聚变反应堆用结构材料, 近年来受到广泛的关注. 为了研究 V-5Cr-5Ti 合金不同应变率压缩下的应变硬化行为, 特别是孪生对塑性变形的影响, 以位错密度和孪晶演化为基础, 建立了该合金的应变硬化模型. 模型中考虑了孪晶中的位错滑移对材料塑性应变的贡献. 模拟结果表明, 由于孪生诱发塑性, 从而使动态压缩时的位错密度小于准静态加载时的, 这使得 V-5Cr-5Ti 合金在动态压缩时的应变硬化率比准静态加载时的小. 当孪晶形成后, 位错滑移引起的塑性应变率随应变增大而增大, 并逐渐接近加载应变率, 而孪生引起的塑性应变率则随应变增大而减小.      

单轴压缩下页岩类脆性材料细观损伤演化的离散元分析

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度和弹性模量。引入微裂纹的概念,通过定义裂纹密度函数,系统地研究了单轴压缩条件下,页岩层理角对细观结构的影响。此外基于平均配位数建立了配位数变化与细观损伤的联系,并根据配位数的变化与裂纹数量将加载过程分为三个阶段,分析了不同阶段配位数与裂纹数量的对应变化关系。研究表明,页岩的裂纹密度随着层理角的增加而增加,而试样的平均配位数在加载过程中先上升后剧烈下降,颗粒集合体在单轴压缩条件下的应力应变及裂纹数量曲线与平均配位数曲线有良好的一致性。该研究揭示了横观各向同性脆性岩石的破坏过程和内在机理,将为页岩类脆性材料的工程应用提供理论指导。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

煤岩巷道冲击破坏过程相似模拟试验研究

采用相似材料模拟试验研究方法,利用单轴加载系统和数字散斑光测技术,根据相似材料配比制备脆性材料,对标准试块和三维巷道模型进行了相似试验研究。对相似模拟试验结果分析可知,实验室制备脆性材料模拟冲击地压巷道破坏过程是可行的,冲击破坏特征较明显;散斑计算结果说明,试块位移和应变变化与裂缝出现、扩展和贯通具有一致性,且竖向裂缝开展数量多、速度快;相似模拟试验结果也表明巷道顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,甚至出现煤岩抛出和巷道垮塌。本试验也为进一步揭示煤岩巷道冲击破坏规律提供了新的途径。     

YB-2航空有机玻璃的应变率和温度敏感性及其本构模型

为了理解和评价YB-2航空有机玻璃在极端环境下的动态力学性能,采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆对YB-2航空有机玻璃在218~373 K温度范围、10-3~3 000 s-1应变率范围内的压缩力学行为进行了研究,得到了材料的应力应变曲线。结果表明:随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变呈现增大的趋势;温度相同时,材料的流动应力随应变率的增加而增大,破坏应变随应变率的增加而减小。随着应变率的提高,材料的应变软化效应更加剧烈。基于朱-王-唐(ZWT)本构模型,得到了考虑温度效应的本构参数。结果显示,在8%应变范围内,改进的考虑温度效应的本构模型可以较为理想地表征该材料的应力应变响应。     

电磁内爆套筒动力屈曲的实验和数值模拟

用实验及数值模拟方法研究了电磁内爆套筒的屈曲响应规律。用电容器组脉冲发生器装置作为驱动源,设计4种不同材料、不同尺寸的金属套筒,通过调节电容器组的充电电压得到不同的加载电流,研究材料及几何参数、加载脉冲特性对套筒屈曲的影响;采用瞬态非线性有限元方法对实验结果进行了数值模拟。研究表明,在同样加载电流作用下相同材料套筒形成的屈曲波数随半径/厚度比增大而增大,不同材料套筒的屈曲波数随屈服强度/塑性强化模量比值增大而增大,而相同材料的屈曲波数不随加载电流的大小而改变;模拟计算结果与实验结果基本吻合。     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测。首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化。本文以某飞机舱门单锁机构中的螺旋压缩弹簧为试验对象进行了不同温度条件下的应力松弛试验,得到其松弛动力学曲线,并基于Arrhenius模型建立了弹簧在工况下的应力松弛服役寿命预测模型;其次,基于应力松弛和蠕变在本质上的一致性,结合金属材料蠕变规律并根据试验弹簧的受力特点,推导出用于描述试验材料松弛行为的蠕变本构方程,由试验结果获得该本构方程的材料常数;最后,通过该本构方程及材料常数,在ANSYS软件中对试验弹簧的松弛过程进行模拟,结果表明,模拟结果与试验结果误差不大于4%。因此,通过本文方法所建立的蠕变方程对弹簧在不同载荷条件下的应力松弛规律进行仿真分析具有一定的可行性与准确性。     

准静态压缩应力-应变曲线测量方法的探索

本文介绍了用应变片直接测量材料的准静态应力-应变曲线的试验研究。在MTS810材料试验机上分别对93W、G50、砂浆等几种材料进行了准静态压缩试验。由于仪器的系统误差不能由MTSCod规准确的得到材料的真实的弹性变形。为此在试件的中部贴应变片得到材料的弹性变形,塑性变形仍旧由MTSCod规记录,从而得到试样的真实的应变,准确获得准静态压缩应力-应变曲线。试验结果表明:在试件中部贴应变片的方法能够准确得到该材料的杨氏模量;在试件两端垫块的刀口上安置Cod规可得到材料的应力应变曲线。两者的合理组合即可得到准确而完整的准静态压缩应力-应变曲线。试验中还发现准静态实验中试件的断面加工不平,偏心压缩等都会影响E的准确测量。