侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

大弯径比挠性弯管内气固两相流冲蚀特性研究

以90°大弯径比挠性弯管为研究对象,基于离散相模型和General冲蚀模型,利用Fluent数值仿真软件,开展不同工况下气相进口速度、夹带固体颗粒质量流量、弯管肋条及弯径比等影响因素对弯管内气固两相流冲蚀特性的数值模拟研究。研究结果表明：弯管纵切面气固两相流场速度分布存在分离现象;弯管的最大冲蚀速率随气相进口速度的增长呈指数关系,随颗粒质量流量的增长呈线性关系,随肋条数目的增长先减小后略微增大最后趋于稳定;大弯径比弯管内部流场二次流强度小且肋条的存在使弯管的耐冲蚀性能得到一定的提升;弯管冲蚀最严重区域发生在弯管沿流动方向偏转26°左右夹角的区域且呈现出V型冲蚀形貌,这种现象是由于弯管处独特的颗粒运动轨迹决定的;在弯管沿流动方向60°～80°夹角范围内出现沟槽状冲蚀形貌,它是由于颗粒在弯管内的二次及多次碰撞。     

对称翼型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究

采用Rogers发展的三阶Roe格式,求解非定常不可压N-S方程,时间方向为二阶精度双时间步方法, 数值模拟了对称翼型SD8020低雷诺数(Re=40000,100000)条件下,流场层流分离涡结构和升力系数随攻角的变化．同试验比较证明了数值模拟的正确性．通过对数值模拟时均化流场结果的详细分析,发现对称翼型在小雷诺数0°攻角附近出现的层流分离泡,其内部结构和演化规律都不同于经典层流分离泡模型,从而提出了一种后缘层流分离泡模型．并应用该模型对对称翼型小攻角低雷诺数流场特性以及升力系数非线性效应的形成机理进行了研究和解释．     

Ni基高温合金攻丝中高速钢丝锥的摩擦磨损性能研究

用高速钢W9制备了切削锥角为7°30′的M6修正齿丝锥和标准丝锥,并用其对Ni基高温合金GH4169进行攻丝试验;采用扫描电子显微镜和显微硬度计测定了攻丝后丝锥顶后刀面的表面形貌及试件底孔截面各层硬度.结果表明,标准丝锥对GH4169攻丝的摩擦扭矩占总扭矩的45%,其顶后刀面及侧后刀面沿切削速度方向出现严重的磨损沟和粘着物,这主要归因于GH4169中的硬质点和严重的加工硬化;同标准丝锥相比,修正齿丝锥的摩擦扭矩减小65%,且磨损显著减轻,这是由于其独特的渐成法成形有利于减小刀齿与被切螺纹侧面间的摩擦接触面积及被切螺纹因大弹性变形而夹住丝锥齿的可能性所致.     

冲击载荷下石墨矿石动力学特性的层理效应及宏微观破坏机理

为探究冲击荷载作用下层理对石墨矿石动力学特性的影响规律，采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）系统，对0°、 45°和90°层理角度的石墨矿石开展了不同冲击荷载（0.3、 0.4和0.5 MPa）下的动态压缩实验，并结合高速摄影和电子扫描技术分析了不同层理角度石墨矿石的动态力学特性和冲击破坏模式。研究结果表明：石墨矿石中矿物多呈同形粒状定向排列，接触界限不规则，白云母和石英含量较高，与石墨伴生，沿层理面富集；层理面的存在对石墨矿石的力学性质存在劣化作用，45°层理劣化作用最强；能耗特性随层理角度增大呈U形变化，与强度特征相似；同一应变率下，矿石破碎尺寸与能耗密度具有明显的相关性，0°层理破碎平均尺寸较小，能耗密度较大，45°层理破碎后块度最大，能耗密度最小；受外力作用时，石墨鳞片不仅从内部断裂，也易被伴生矿物撕裂，随层理角度的增大，试样破坏形式可归纳为张拉破坏—剪切破坏—张拉劈裂破坏的演化过程。冲击荷载作用下，石墨鳞片破坏程度主要受压力大小和作用方向控制，拉伸破坏可减少石墨鳞片内部断裂，低应变率可减少岩粉产生。因...     

侧向局部加热腔体内对流时空结构的研究

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.949时侧向局部加热腔体内水平温差驱动的自然对流。仔细观察腔体内水平流的入侵过程,发现在冷热流体交接面的上下部位同时出现了冷入侵流和热入侵流,并且在交汇处有破碎扰动波出现。揭示了周期性双局部对流结构,并发现在右壁面温度高于左壁面温度区域顶部有对流卷生成,对流卷随时间沿侧壁面向腔体下部移动,最后消失,同时又有新对流卷在该区域顶部生成,这种现象重复循环着。结果表明:在右壁面温度高于左壁面温度区域,热边界层厚度(θδ)随腔体高度增加而增大;在右壁面温度等于左壁面温度区域,θδ值随腔体高度增加而减小;并且格拉晓夫数(Gr)越大,θδ值越小。     

CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域, 并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用, 甚至会发生层裂. 本文采用分子动力学(MD)方法, 研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性. 模拟结果表明, 在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象, 且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势, 但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象. 在冲击过程中, 大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加, 使得层裂强度随冲击速度的增加而减小. 此外, 层裂强度也具有取向相关性. 沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相, 抑制了层错以及无序结构的产生, 使得[100]方向的层裂强度最高; 层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变, 使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_p≤0.9 km/s)大于[110]方向, 而在冲击速度较大时(U_p≥1.2 km/s)略小于[111]方向. 研究成果有望为 CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.      

燃气涡轮发动机关键部件疲劳小裂纹研究进展

疲劳小裂纹扩展作为疲劳开裂过程中的关键阶段之一,显著影响着材料和结构的疲劳断裂过程.因具有速率波动和扩展路径偏转等特点,小裂纹效应给材料和结构疲劳寿命预测结果带来了不确定性,从而影响燃气涡轮发动机等机械结构的服役安全.本文围绕燃气涡轮发动机关键部件材料的疲劳小裂纹扩展问题,首先总结了当前疲劳小裂纹的扩展规律及其对疲劳寿命的影响规律;其次,针对先进燃气涡轮发动机关键部件常用的多晶合金和单晶合金,揭示了疲劳小裂纹的萌生和扩展机理;再次,对疲劳小裂纹扩展模型进行了总结,且指出了各模型的优缺点;从次,重点针对先进燃气涡轮发动机热端部件的工作环境,综述了热腐蚀/氧化介质中的疲劳小裂纹扩展行为和模型;最后,对当前疲劳小裂纹相关研究进行了总结,且结合燃气涡轮发动机领域提出了未来的研究趋势与方向.本文以期为先进燃气涡轮发动机关键部件的设计、安全评估和寿命预测提供理论知识和科学方法.     

椭圆截面侵彻弹体爆炸特性试验研究

为研究椭圆截面侵彻弹体的爆炸特性,设计并开展了静爆威力外场试验。将质量为255 kg的弹体竖立于木质托弹架上,质心距地面高度为2 m,采用试验引信起爆弹体装药。通过航拍无人机实时拍摄整个爆炸过程,在长轴和短轴方向布置扇形效应钢板以获取破片数量及穿甲率,采用超压传感器测量距弹轴7、10和12 m处的冲击波超压,并对弹体爆炸后的宏观景象以及火球、破片和冲击波超压特性进行了详细分析。结果表明,火球演化形貌与破片散布区域关于弹体长轴和短轴呈对称分布;火球演化过程分为快速成长阶段、高温稳定阶段以及自由扩散阶段,火球尺寸在爆炸后41.7 ms达到最大,短轴和长轴方向的最大尺寸分别为21.86、19.29 m,且火球在长轴方向发生了明显的二次膨胀;短轴方向的破片尺寸小、数量多、穿甲能力强,而长轴方向的破片特性恰好相反;冲击波超压峰值、冲量及速度均随传播距离增大而不断减小。综合试验结果对比分析,认为椭圆截面侵彻弹体的非轴对称结构和非均匀壁厚对爆炸特性影响较大,是造成火球形貌及破片非轴对称分布的根本原因。     

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.