自引力旋转球壳的弹性力学解

考虑旋转对自引力球壳的影响,借助MATHEMATICA符号计算软件求解了Navier方程,得到了自引力旋转球壳的弹性力学解析解,给出了应变和应力张量的解析表达式,并分析了应变和应力张量的性质,得到了在球壳或球体内主应力最大的位置,即在极角θ≈49°和θ≈131°处,或在纬度41°S和41°N处。     

生长对超弹性球壳变形和稳定性的影响

应用连续介质力学有限变形理论建立受内压作用不可压超弹性球壳大变形问题的力学模型, 且运用基于变形梯度张量极分解的弹性体积生长理论分析生长对不可压超弹性球壳变形和稳定性的影响. 通过对球壳变形与内压关系式的数值计算得到不同生长条件下球壳的变形曲线和应力分布曲线及由生长引起的残余变形和残余应力分布. 计算结果表明生长对球壳变形特性有明显的影响, 生长影响球壳可产生不稳定变形的临界壁厚和临界内压, 且在某些情况下可改变球壳的稳定性. 生长在球壳中可产生一定的残余变形和残余应力, 对球壳中的应力分布有一定的影响. 另外当生长的程度足够大时, 即便没有外力作用,球壳仅在生长引起的残余应力作用下也可产生不稳定变形.      

大型爆炸防护结构的动态应力测试与分析

对某大型爆炸防护结构进行不同工况的爆炸实验,通过电测法测量了几个典型位置的应力,结果 显示:从第1和第2主应力测试结果来看,球壳表面在爆炸冲击作用下的冲击应力峰值除第1次最大外,之后 基本以拉压应力状态来回振动,而且振动应力在经过1~2个来回后立刻减小到100 MPa以下,土的堆压可 以起到削弱球壳振动的作用,因此球壳单次爆炸引起的振动疲劳问题大为削弱;模型的强度满足设计要求;排 气孔附近是应力最为集中区域;炸药的形状系数对结构的安全影响很大。     

考虑横向剪切变形的扁球壳在集中力作用下的分析

采用适于夹层壳的直线假设扁壳理论，应用三角级数法，导出了扁球壳齐次方程的解析解。进而分析了在顶点作用法向集中力和在偏心集中力作用下的解。计算了在偏心集中力作用下带孔球壳的位移和应力，并将结果与经典理论的结果进行了比较分析，结果表明，在集中力作用处和孔边处两种理论结果明显不同。     

考虑横向剪切变形的扁球壳在集中力作用下的分析

采用适于夹层壳的直线假设扁壳理论，应用三角级数法，导出了扁球壳齐次方程的解析解。进而分析了在顶点作用法向集中力和在偏心集中力作用下的解。计算了在偏心集中力作用下带孔球壳的位移和应力，并将结果与经典理论的结果进行了比较分析，结果表明，在集中力作用处和孔边处两种理论结果明显不同。     

电活性聚合物球壳的力电不稳定性

应用连续介质力学有限变形理论,分析了不可压电活性聚合物球壳在外加电场及内压作用下发生非对称变形的力电不稳定性问题。文中给出了不同外加电场下球壳的变形曲线和应力分布曲线, 结果表明对壁厚小于临界壁厚值的薄壁球壳,当内压大于临界内压值时,球壳可以产生不稳定的非对称变形。文中求得了球壳发生不稳定变形的临界壁厚及临界内压,探讨了外加电场对两个临界值的影响规律,同时讨论了外加电场对球壳中应力分布的影响。     

纵横加肋圆柱壳的应力分析

建立了一种纵横加肋圆柱壳有限元分析的正确的力学模型,通过大量数值计算,论证了纵骨尺寸,纵骨间距对壳体应力状态的影响,提出了一种等效各向同性壳的近似解析公式,为开展纵横加肋圆柱壳的结构设计打下了良好的基础。     

线弹簧模型法在含表面裂纹球壳中的应用

本文应用线弹簧模型法,基于Sih.G.C.含二维裂纹球壳理论建立了含表面裂纹球壳的控制方程,采用数值方法选取位移试函数及合理地处理了对偶奇异积分方程使计算大为简化,通过电算实现了计算求解过程,从而获得了球壳表面裂纹前沿各点的应力强度因子之值。 最后将计算结果与考虑“膨胀效应”后的Ncwoun-Raju 解进行了比较,同时研究了曲率因素对表面裂纹线弹性断裂性态的影响。     

任意叠层球壳内的应力波传播

提出一种有效求解方法，求解了任意叠层球壳在动载荷作用下的应力波传播。首先，利用有限Ｈａｎｋｅｌ变换和Ｌａｐｌａｃｅ变换求解了每一单层的弹性动力学解。然后，利用叠层球壳的内、外边界条件和层与层之间的连接条件确定每一单层解中的待定常数。从而，我们可以得到应力波在叠层球壳内传播的精确解。最后，我们计算了在一个突加内压作用下的两层球壳（Ｓｔｅｅｌ／Ａｌ）和三层球壳（Ｓｔｅｅｌ／Ａｌｌｏｙ／Ａｌ）内的应力波传播。求解过程和计算结果表明文中提出的求解方法是简便可行的。     

具有弱界面特性叠层压电球壳的自由振动

针对具有弱界面的叠层压电球壳自由振动,引入两个位移和应力函数,从三维压电弹性理论基本方程出发建立了分别对应于两类振动形式的独立状态方程,并通过球面谐函数展开技术以及近似层合模型将其化为关于径向坐标的常系数状态方程。采用弱界面模型建立状态向量的界面传递关系,与层内传递关系得到球壳内外状态变量的整体传递关系。最后考虑球壳内外边界自由条件, 得到了两类振动形式的频率方程。通过与已有精确解的比较验证了本文解的准确性,数值详细表明弱界面弹性柔性系数的大小对叠层球壳自振频率有较大影响,但弱界面导电性的高低对自振频率的影响不大。     

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。     

圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性研究

为了准确掌握丽香铁路圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性,结合深埋炭质板岩隧道大变形特点,通过调查分析发现炭质板岩具有显著的各向异性特征,在地下水、高地应力及施工扰动等复杂因素作用下表现出显著的蠕变特性,从而导致隧道发生大变形。同时,对圆宝山隧道展开围岩变形及初期支护受力监测,监测结果表明,薄层炭质板岩段围岩的变形速率、变形量整体上较中厚层炭质板岩段围岩大,且达到稳定所需的时间更长;围岩压力与钢拱架应力基本呈从拱顶到拱脚减小的趋势,且围岩压力最大值出现在拱肩,而钢拱架应力最大值分布位置不固定,常见分布位置为两侧拱墙上下,这与钢拱架因发生扭曲而设置横支撑基本吻合;变更支护参数后,围岩的时效特性有明显改善,尤以薄层炭质板岩段围岩最为明显,同时围岩压力分布更加均匀,钢拱架出现拉应力现象不再集中。基于上述研究成果,选择I18型工字钢焊制钢架、设置间距为0.6m、喷射厚为27cm的C25混凝土作为初期支护,同时采用"弱爆破、短进尺"的掘进方式,以达到控制深埋炭质板岩隧道围岩变形的目的。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

初应力对压电压磁板中水平剪切振动的影响

针对含有初始应力的压电压磁板中的水平剪切振动问题,从基本的线弹性理论出发,经过适当的变量代换,推导出了精确的解析解,得到了电磁学开路、电学开路磁学短路、电学短路磁学开路、电磁学短路四种情况下的频率控制方程;进一步应用二分法对方程进行求解,并数值模拟了初始应力以及不同的电磁学边界条件对振动频率、位移模态的影响．研究结果表明：初始应力和电磁学边界条件对压电压磁板的水平剪切振动频率都具有显著的影响,且当初始应力变化范围较小时（初始应力与有效刚度系数之比在5%以内）,振动频率与初始应力之间呈线性关系;电磁学边界条件能显著改变压电压磁板内振动位移的分布,但初始应力对其影响不大．     

二氧化碳在砂岩透镜体中充注封存的盖层岩石抗断裂性能分析

把CO2这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行封存和隔离,已被公认为是有效减少CO2排放量的一种比较安全的技术途径。砂岩透镜体油气藏具有良好的圈闭构造和储层物性,油气濒临枯竭的砂岩透镜体是较理想的CO2地质封存箱。基于币形裂纹模型和水力致裂原理,将纵向厚度和横向展布长度均远小于盖层岩石尺度的水平产状砂岩透镜体简化为盖层岩石中的I型币形裂纹,从岩石断裂力学角度分析封存箱盖层岩石的抗断裂性能。采用叠加原理给出了盖层岩石币形裂纹尖端（砂岩透镜体尖灭部位）应力强度因子的计算公式,在此基础上提出了断裂力学判别准则（K=KIC）和临界有效压应力判别准则（P=PC）,从岩石断裂力学角度为砂岩透镜体封存箱盖层岩石抗断裂性能分析和评价提供了一种新的研究思路。     

北京晓幼营板理化岩体结构面强度的原位测试

岩体强度很大程度上取决于结构面的强度,板理化岩体尤其如此。通过原位测试直接获得岩体结构面的强度参数对于岩体稳定性分析和工程设计都具有重要意义。为了解板理化岩体板理结构面的强度性质,选择北京房山区晓幼营白云质板理化岩体进行了结构面强度的原位测试研究。鉴于传统岩体原位直剪试验成本高和操作难的情况,在掌握北京地区构造应力资料的基础上,在试验中考虑岩体中板理结构面的产状与构造应力方向的关系,提出了一套利用地应力提供原位试体剪切面法向力的测试分析方法:开挖出不同方向、不同解除状态的3个试体(试坑); 试坑中两个平行的解除面与原岩之间形成一定距离的空间,自然构成了施加水平试验荷载的反力框架,从而免除了传统试验中笨重的试验反力装置。由于解除面组合的变化,试体受到的构造应力状态有相应的变化,与试验荷载叠加后在预定剪切面上形成了不同大小法向力和切向力。上述方法免除了笨重的反力装置,取得了一定的实验效果,确定了被测岩体结构面的强度参数:黏聚力c和摩擦角φ,对原位岩体结构面强度测试方法进行了一次有益的新尝试,得到的岩体结构面的强度参数为类似板岩地区大型输电线路塔杆地基设计及岩体稳定性分析提供了参考。     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征，通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明:围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布；在一定爆炸当量下，爆炸应力存在一个有效作用范围Lp，该范围塑性区以内，爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大；有效作用范围Lp以外，围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应，耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

Investigation of a hydraulic impact: a technology in rock breaking

Finite element method and dimensional analysis have been applied in the present paper to study a hydraulic impact, which is used in a non-explosive rock breaking technology in mining industry. The impact process of a high speed piston on liquid water, previously introduced in a borehole drilled in rock, is numerically simulated. The research is focused on the influence of all the parameters involved in the technology on the largest principal stress magnitude in the rock, which is considered as one of the key factors to break the rock. Our detailed parametric investigation reveals that the variation of the rock material properties, especially its density, has no significant influence on the largest principal stress, which implies a good adaptability of the method for different rock materials. The influences of the depth of the hole and the depth of the water column are also very small. On the other hand, increasing the initial kinetic energy of the piston can dramatically increase the largest principal stress and the best way to increase the initial kinetic energy of the piston is to increase its initial velocity. Results from the current dimensional analysis can be applied to optimize this non-explosive rock breaking technology.     

隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析

本文结合某高速公路隧道设计与施工,利用黏弹性理论,对隧道围岩与支护结构时间相依应力与位移进行了研究。首先,将隧道开挖后围岩受力分析视为具有初始应力、在洞周位移作用下的边值问题,导出了隧道时间相依的围岩与支护结构应力与位移,结果表明,其应力和位移与隧道围岩和支护结构间相互作用相关。然后,利用变形协调条件,导出了隧道围岩与支护结构间的相互作用,结果表明,围岩、初期支护与二次衬砌之间的相互作用不仅与围岩和衬砌的材料性质、结构尺寸相关,而且与施做初衬和二衬的时间相关。最后,结合具体隧道设计与施工,利用本文时间相依应力,对围岩应力释放与支护施做时机、载荷分配与支护结构受力分析进行了探讨,给出了不同荷载分担比下二次衬砌的受力与变形,为隧道施工与设计提供参考。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。