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.     

基于饱依丁-汤姆逊模型的软岩损伤蠕变模型

为更加准确地描述深部软岩的蠕变全过程,以饱依丁-汤姆逊模型为基础,将损伤变量引入到蠕变方程中,并构造了可描述加速蠕变阶段的模型元件,通过串联得到了新的蠕变模型。结果表明:该模型能够较好地描述软岩的衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变阶段。用该模型对泥质页岩的蠕变试验结果进行数据拟合对比,结果显示该模型的拟合曲线与实验曲线基本吻合,拟合度为0.99733,能够很好地反映出软岩蠕变的特性,适合用于描述深部软岩的蠕变行为。     

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。     

蜂窝夹心结构等效导热系数反演的边界单元法

对蜂窝夹心结构的等效导热系数进行反演,对于热防护系统的优化设计具有重要意义.本文应用高斯定理、径向基函数和径向积分法,推导了各向异性材料稳态热传导方程的边界单元表达式;应用Newton-Raphson迭代法和复变量求导法,对蜂窝夹心结构等效导热系数进行反演.分别应用形函数、高斯积分和径向基函数插值,对蜂窝夹心结构的边界...     

软岩相似模拟材料单轴压缩力学特性的温度效应试验研究

为探索适用于模拟深部高温压下强延性地质软岩的相似材料,在传统砂和石膏的基础上,加入铁粉和温度敏感的石蜡,调整配比,制成4种软岩相似材料;通过单轴压缩试验,对经历不同温度(-20～50℃)后软岩相似材料的变形、强度特性、破坏形式的影响规律进行了研究。结果表明:随着温度的升高,软岩相似材料的弹性模量及峰值强度整体呈下降趋势,同一温度下,石蜡含量高的,峰值也大;不同温度下,表现为张拉破坏、剪切破坏、锥形破坏、楔形破坏,与天然岩体的常见破坏形式相一致;通过改变温度和砂胶比能模拟不同强度的脆性、延性岩体,尤其对高温压下的强延性深部岩体有独特优势。鉴于该类软岩相似材料的温敏性,使用时需要严格控制温度条件,可作为大型地质力学模型试验的特殊层,与其它传统相似材料配合使用。     

基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.     

机械构件刚度模型实验的相似准则

本文针对机械构件刚度模型实验,应用量纲分析法推导出其静动弯曲及静动扭转刚度相似准则,并对模型设计的相似准则和实验精度作了简要说明。     

岩石力学实验高低温环境试验箱的研制与应用

现有的压力试验机升降温效率低且不便于实时观察试件形态变化,较难实现岩石高低温环境下的力学实验。针对上述不足,本文设计了与普通压力试验机适配的高低温环境试验箱,该试验箱包括制热系统、制冷系统、控制系统和测试系统等部分,可提供-40～200℃的稳定温度环境。本文首先介绍了设备的技术原理及技术方案,然后用该设备进行了高低温环境下软岩相似材料的单轴压缩实验,结果显示,随着温度的增加,相似软岩的抗压强度和弹性模量整体逐渐下降。研究结果表明该设备具有操作观察方便、温度变化速率快、实验效率高的优点,可广泛应用于有关高低温环境影响下的岩石力学实验,包括岩石冻融损伤实验、高温高压下的岩石力学实验等,对于研究温度作用下的岩石力学行为有一定的帮助作用。     

基于Cowper-Symonds方程的相似理论修正方法

针对应变率敏感材料冲击实验的指导需求，给出了一种传统相似理论的修正方法。该方法在已有的动态相似理论基础上，考虑了因实验时模型与全尺寸原型制造材料不同，而导致外载条件相似系数对应变率效应对结果造成的影响:通过引入Cowper-Symonds方程，重新推导了外载条件相似系数的计算公式，并对两种不同材料（是否应变率敏感）的缩放模型冲击实验结果进行讨论，表明该方法相较于传统理论能够准确给出外载条件相似系数、提高模型预测精度。     

基于扰动状态概念的软岩蠕变本构模型与试验验证

软岩材料的蠕变过程从初始加载阶段开始即容易产生塑性变形,这与硬岩存在较大差异,而传统的元件模型仅在应力超过某一阈值后才开始描述其粘塑性行为.通过分析岩石加卸载时效变形过程中弹塑性状态的演变规律,以扰动状态理论为基础,确定了以塑性变形为变量的扰动因子函数,并通过塑性变形随时间的变化特征进一步建立了以时间为自变量的蠕变扰动因子演化方程.在此基础上,针对泥质页岩的蠕变变形过程,选取Burgers和Bingham模型分别描述扰动状态理论中的相对完整状态和完全调整状态,并选取蠕变扰动因子为权重函数建立了基于扰动状态理论的蠕变本构模型.通过泥质页岩的室内蠕变特性试验对模型进行有效性检验表明,理论曲线与实测曲线的逼近程度较高,蠕变扰动函数能随时间的发展持续调整相对完整状态向完全调整状态转换的过程,较高应力状态下软岩进入完全调整状态的速率较快,相对传统模型该模型具有更好的非线性及阶段协调性,可较好地描述软岩的初始、稳定和加速蠕变阶段.