脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC （Holmquist-Johnson-Cook）模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg^1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明：考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。     

水中爆炸激波对水泥试样作用的数值模拟分析

通过对水中爆炸激波在水泥净浆试样中传播的数值模拟,再现了爆炸激波的传播过程,采用对典型单元受到的激波作用和应力进行分析的方法,得出了水泥试样各个区域损伤破坏的成因,数值模拟结果和实验现象吻合。     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

地面重力环境下可展开天线索网结构形态分析

为了模拟在地面环境测试时重力对可展开天线索网结构形面精度的影响和索网在天线展开过程中的内力变化情况,本文引入悬链线单元对天线索网结构进行了重力作用下的形态分析和计算。文中首先使用平衡矩阵线性分析方法计算出了天线索网结构各索段在无重力作用下的预张力值和索段原长;然后在不改变索段原长的条件下以悬链线单元模拟了可展开天线的上、下弦索网,以两节点直杆单元模拟天线的纵向索网,计算得到了索网结构在地面重力环境下的形状和内力分布,并仿真模拟了天线索网在展开过程中的形态和内力变化情况。基于文中的数值算例对可展开天线索网结构在重力作用下的形面精度以及在展开过程中的形态变化进行了仿真计算和分析。算例计算结果表明,自重作用下的天线索网形态与无重力作用下的索网形态差别很小,但天线索网结构在重力作用下的展开过程中,其内部各个索单元的张力表现出了强烈的非线性变化特征。     

岩石双孔爆破过程的流形元法模拟

在流形元基本理论基础上,引入断裂力学的裂纹产生及扩展判据,应用二阶流形元对岩石双孔爆破过程进行了研究,模拟了双孔同时起爆和毫秒延时起爆两种条件下裂纹的产生和扩展、块体的形成以及漏斗形成过程,分析了爆炸载荷作用下岩石的破坏规律以及起爆条件对该过程的影响,验证了流形元法在研究冲击载荷作用下岩石从连续体到不连续体破坏过程的准确性和有效性,为研究类似问题提供一个新的思路和方法。     

爆炸荷载作用下地下拱形结构动力响应样条小波有限元研究

采用小波有限元方法研究爆炸荷载作用下地下结构的动力响应,克服在模拟过程中由于材料的奇异性、地质条件的复杂性和加载的快速性出现的应力集中和计算效率低下,根据样条有限点法,构造了单向和双向区间B样条圆环扇形小波单元,用尺度函数作为插值函数;结合工程实例,通过Matlab软件编程对爆炸荷载作用地下拱形结构的动力响应进行了数值模拟,并与应用传统有限元程序模拟结果进行对比。结果表明,小波有限元用很少单元取得了较高的精度,计算效率比传统有限元提高一倍。     

岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法，可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性，提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法；并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟，验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明，当子块体单元数较小时，圆盘表现出更高的整体强度；随着子块体单元数的增大，起裂处位置更接近真实，开裂破坏路径更清晰；子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合，并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程，为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。     

水电站地下厂房大型岩体洞室的抗爆性能

通过大量的数值模拟试验,以洞室岩体和混凝土衬砌结构的损伤为指标,研究了水电站地下厂房这类大型岩体洞室在强地表爆破荷载作用下,洞室埋深、围岩岩体强度和地应力对洞室抗爆性能的影响。数值计算中,洞室岩体和混凝土衬砌均采用弹塑性损伤本构模型,同时考虑了几何非线性效应。研究结果表明:对于水电站地下厂房这类高边墙洞室,浅埋深洞室的抗爆性能较差,深埋深洞室的抗爆性能较强;岩体强度越高,洞室的抗爆性能越强;当地应力侧压因数λ1时,随地应力侧压因数的增大,洞室的抗爆性能显著下降。 更多还原     

节理岩体的爆破松动机理

利用应力波理论对节理岩体的爆破松动机理进行了探讨,同时利用动力有限元数值模拟方法验证了理论分析结果。研究表明,爆破荷载的加载阶段对岩体的挤压蓄能和快速卸载阶段的弹性回复是岩体产生后续松动位移的根本原因;节理岩体的爆破松动在开挖面的法向表现为岩体的剪切错动,在平行于开挖面方向表现为结构面的张开;拉格朗日坐标下的动力有限元数值方法,如ANSYS/LS-DYNA程序,能够较好地用来模拟节理岩体的爆破松动过程。     

多层吸能元件在冲击波作用下大变形问题的模态解

通过实验研究了多层吸能元件在冲击波作用下的大变形模式,基于虚速度原理建立了问题的模态近似解。实例计算表明理论值与实验结果吻合很好,分析了硬化、动态应变率以及元件静态孙载力,层数和惯性对结果的影响。     

工程爆破问题数值模拟研究

工程爆破方法在开矿、筑坝、修路和凿洞中得到了广泛使用,经验和分析表明,当炸药埋深超过40米时,重力对爆破抛掷现象有明显影响,但目前缺乏系境研究。本文提出了一个用于爆破作用下的岩体本构数学模型,并用二维轴对称数值计算方法对有重力影响的工程爆破问题初始阶段进行了详细研究,计算结果包括爆炸应力波的传播规律,岩体的加速与破坏过程,空腔与地表面的运动规律,抛掷区的形成与划定,能量分配关系等,结果表明:重力对爆炸波的传播基本无影响,重力仅影响抛掷区的大小和抛掷区动能占总爆炸能的比例。     

基于Starfield迭加法的条形药包爆炸应力场分析

在分析条形药包的现有理论研究方法与实验成果的基础上,认为爆轰波沿装药方向传播的时间效应是影响条形药包爆炸应力场特征的主要因素。综合Starfield迭加法与动力有限元法,提出了基于Starfield迭加原理的条形药包爆炸应力场数值分析模型,全面分析了不同起爆方式下条形药包爆炸应力场发展及形成规律,结论对实际工程具有一定指导意义。     

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。     

冲击波对核反应堆安全壳的动力响应研究

本文用时域边界积分方程提出研究半球形核反应堆安全壳在爆炸冲击波作用下动力响应分析的计算模型。从空中爆炸和地面爆炸两方面探求壳体位移和变形过程,分析冲击波在壳体内的传播规律。计算了在水平冲击波作用下壳体的内力分布,其计算结果可以作为我国核电站设计的参考分析依据。     

混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序,基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法,研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应,并且将数值结果与现场实验结果进行比较,由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2 t TNT炸药在距离坝体上游面10 m不同起爆深度的情况下,有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明,无泡沫混凝土保护层时,坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动;当上游表面有泡沫混凝土保护层时,坝体上游表面的损伤明显变小,下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤,在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

基于空气流场压力分析的头盔冲击波防护效能研究

研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50 g TNT距有无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头部前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性;同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场压力变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。