FeMnNi合金的冲击相变和层裂特性的实验研究

对FeMnNi合金进行了轻气炮平板撞击实验研究,实验中材料发生了相变和层裂。得到的FeMnNi合金的相变阈值压力为6.3~6.9 GPa,远低于纯铁的相变阈值压力13 GPa,说明Mn、Ni合金元素的加入会极大的降低相变阈值。回收试样观测表明,当应力高于FeMnNi合金的相变阈值时,样品中可能产生二次层裂现象和浅表层裂新现象。实验结果还表明该合金相变后层裂强度没有明显的提高。     

无氧铜层裂的实验与数值研究

利用一级气体炮对国产的无氧铜（OFHC）进行了平板撞击致层裂实验,3 mm厚的OFHC飞片撞击6 mm厚的OFHC靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃（PMMA）界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的应力剖面以及试样层裂片厚度与实验结果基本一致。此外,对于国外相关的OFHC层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

预制缺陷对花岗岩层裂破坏的影响

利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置对完整和预制缺陷花岗岩试样进行层裂破坏实验,并采用高速摄像仪记录了试件层裂破坏的全过程。通过理论分析,计算了半正弦波加载情况下完整杆可能的初始层裂位置。高速摄影结果显示,预制缺陷对初始层裂位置具有一定影响,层裂一般发生在预制缺陷处。结合PFC2D（particle flow code in two dimensions）数值模拟进一步发现,初始层裂位置受到预制缺陷和反射拉伸波上升沿的影响,反射拉伸波上升沿越长,初始层裂越可能发生在预制缺陷处,反射拉伸波上升沿越短,初始层裂位置发生在预制缺陷处的可能性则相对越小。     

有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透率实验研究

为了研究天然气水合物开采过程中水合物饱和度和有效应力变化对含水合物沉积层渗透率变化规律的影响,利用自主研制的水合物沉积物合成与三轴渗流实验一体化装置,进行了有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透性实验。结果表明:有效应力升降过程中,不同饱和度水合物沉积物的渗透率与有效应力均呈负指数规律变化,并表现出在低有效应力阶段渗透率变化的幅度大于高有效应力阶段;有效应力升降过程中,试样产生的不可恢复变形使渗透率不能完全恢复,造成渗透率永久损失;有效应力不变时,水合物沉积物的渗透率与水合物饱和度呈负指数规律变化,且曲线的斜率随饱和度增加由大变小;水合物的饱和度越大,最大渗透率损害率越大,渗透率恢复的程度越差。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

金属材料层裂破坏的内聚力模型

本文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间,构建了一个层裂破坏的内聚力模型,以计及层裂破坏过程中能量耗散行为。采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究,重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律。研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述弹塑性材料层裂破坏过程中的非线性能量耗散行为。利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行对比校准,可确定内聚力模型特征参数。该特征参数可同样成功地预示不同撞击速度下的层裂实验,获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好,特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近。这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性,并且不难由简单实验标定相关的特征参数。     

含气多孔介质卸压层裂的间隔特征——突出的前兆

含气多孔介质在卸压下的拉伸破坏有两种模式－层裂和突出，达到或超过临界破坏条件，引发骨架层裂破坏，达到或超过更强一些的临界突出条件，则引发突出，从采煤实践中逐次掘进的长过程看，层裂是已达破坏条件而未到突出条件的情况，进一步发展可能引发突出。实验表明层裂显微镜规律的间隔特征，因而与层裂相关的瓦斯浓度变化和地音信息可以认作是突出的前兆，如果在内部形成破坏区，渗流场与应力场的耦合有可以导致延时突出，石门自     

液体炸药滑移内爆加载下钢管的变形与层裂破坏研究

用液体炸药滑移内爆加载方式,研究了不同炸药厚度和外壳条件下20钢圆管的内聚变形和破坏特征。实验中,钢管发生了较大径向应变,应变值大致随炸药厚度的增加而线性增大。在炸药厚度不低于3mm时钢管变形均匀,轴对称较好;药厚小于3mm时其变形不再是基本轴对称收缩,管子表面出现扭转褶皱。各种装药厚度下,均未观察到预期的层裂破坏。对未层裂的原因进行了初步分析。     

平板撞击下梯度镍的层裂损伤研究

为研究高应变率下梯度镍的层裂损伤行为,对均匀镍材进行准静态扭转,制备出硬度和晶粒尺寸沿径向规则变化的圆柱形梯度镍.运用一级轻气炮对梯度镍进行平板撞击加载,利用多通道激光多普勒测速仪测量梯度镍的自由面粒子速度,计算层裂强度,并结合金相显微镜观察梯度镍回收试样的层裂损伤形貌.实验结果表明:平板撞击加载下,梯度镍的层裂损伤以...     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

基于SHPB实验的砂岩动态破坏过程及应变-损伤演化规律研究

为研究砂岩型铀矿爆破增渗地浸开采过程中赋矿岩层的破坏特征及损伤演化规律, 利用带有应变控制环的SHPB实验系统,对砂岩试样进行控制应变条件下的动态冲击实验,并结合波速测试实验和CT扫描实验,分析研究了砂岩试样的整体破坏过程、裂纹分布及应变-损伤演化规律。实验结果表明:在冲击荷载作用下,当应变值超过0.008 3时,砂岩试样会突然出现明显的整体破坏,整体破坏形式近似双锥形,其破坏模式为剪切-张拉混合破坏;随着应变的增加,裂纹的产生及扩展大致分为无裂纹阶段（0～0.003 3）、微裂纹起裂阶段（0.003 3～0.008 3）、裂纹贯通阶段（0.008 3～0.009 9）3个阶段,且裂纹分布区域主要集中在试样中间外围。分别从宏观、细观两方面建立了应变-损伤之间的定量关系式,损伤变量随应变的增长趋势大致分为两个阶段:平缓发展区（0～0.008 3）和迅速增长区（0.008 3～0.011 5）,损伤变量随应变增加并非简单的线性增加,而是应变值超过应变损伤阈值之后损伤程度急剧增加,应变损伤阈值为0.008 3。     

判断煤与瓦斯突出危险性的三维模型

根据有效应力原理,建立瓦斯压力和煤体变形之间的耦合关系. 在地应力和瓦斯压力的共同作用下,煤体发生弹脆性破坏,之后发展为层裂-粉化破坏,据此判断发生煤与瓦斯突出的危险性. 根据一维煤激波管瓦斯突出实验,结合一维混相流动模型,进行了数值验证,证实了模型的可靠性.     

斜波压缩下锡的相变和层裂行为

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.     

东海低渗储层压裂高起裂压力规律分析

东海HY-A1井H8b气藏为异常高温、高压地层,压裂设计的预测起裂压力与压裂施工不一致,作业中出现高起裂现象;考虑裂缝内流体压力、主应力、井壁渗透率、裂缝倾角等因素,建立了东海低渗储层压裂高起裂压力数学模型;通过现场验证,起裂压力计算误差为4.9%,具有一致性。借助二分法对模型求解,结果表明,随井斜角度的增大,当方位角<45°时,起裂压力变化随井斜角的增大并不明显,当方位角≥45°时,起裂压力呈现先减小后增大的趋势;随方位角的增大起裂角呈现先增大后减小,直至为零,起裂压力总体呈现先减小后增大的趋势;随着方位角增大,起裂压力存在最低峰值,最低峰值区间的方位角在50°～80°之间;井斜角α=0°直井段时,方位角φ=71°时,最低起裂压力峰值为58.5 MPa,在东海本区块属于高起裂;在一定的方位角度上起裂角存在最大峰值,起裂角最大峰值区间的方位角在60°～80°之间;应力差值大、泊松比小、异常高压是高起裂压力的关键因素;在压裂设计中,满足施工需求同时,尽可能设计方位角及井斜角靠近起裂压力最小区域。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏.分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小.进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程.高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速.最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.     

地下岩体的垂向渗透率测试及分析

本文介绍了在真实油井中使用阵列压力计测量油藏薄层垂向渗透率的实验方法。通过注水-停注并多次重复此过程使地层产生压差,并在井中不同深度放置压力计接收压力信号。为分析压力的变化,本文从渗流力学基本方程出发,对其无量纲化并采用Laplace变换及数值反变换技术,得到考虑垂向渗透率的地层压力分布表达式,利用这一表达式,对测试的压力资料进行解释。最后根据非线性回归理论对其中的4只压力计的压力资料进行分析,得到了各层垂向渗透率。     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术，制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样，并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机，并结合数字图像相关性全场应变测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究，得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线，结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应；(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征，发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变；(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大，断裂应变在中低应变率下保持不变，但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验，发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大，单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变；层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处，断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。