煤柱-顶板系统协同作用的脆性失稳与非线性演化机制

把坚硬顶板视为弹性梁,把煤柱视为应变软化介质并采用W e ibu ll分布描述它的损伤本构模型,本文对坚硬顶板和煤柱组成的力学系统,用突变理论方法研究了它的演化失稳过程。通过对建立的尖点突变模型的分析发现,系统失稳主要取决于系统的刚度比k与材料的均匀性或脆性指标m值,并给出了失稳的充要条件力学判据和失稳突跳量的表达式。考虑煤柱介质的粘性或蠕变性,建立了系统演化的非线性动力学模型———物理预报模型,并给出了根据顶板沉降观测数据反演非线性动力学模型的方法和稳定性判别准则。对木城涧矿根据观测序列进行了动力学模型的反演分析,一个重要发现是:D值在临近失稳时陡增出现峰值而后急剧下降。根据材料损伤与声发射累计计数的对应关系,建立了系统演化过程中声发射率的动力学模型,并进行了声发射模拟分析和分维分析,发现m值与系统的演化路径对系统演化的声发射活动规律及分维特征有重要影响,单纯根据声发射监测和降维现象预报冲击地压是不可靠的。     

不同应力差下非线性蠕变研究

深部工程处于复杂的环境场(应力场、温度场和渗流场)之中,引起的地下工程围岩流变破坏事故屡见不鲜。本文通过三轴蠕变实验,根据岩体流变力学和蠕变原理对影响深部岩体蠕变的因素进行了研究。用实验数据进行数值计算,得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的非线性蠕变模型,建立了应力差-时间-蠕变的定量关系,利用MATLAB软件得到了不同情况下的蠕变-时间曲线;应力差-时间-蠕变曲面。从而验证了非线性流变理论,找到了引起蠕变的主要因素应力差。并利用应力差理论分析了深部巷道围岩的蠕变破坏机理。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点,建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联,建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型,根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处,并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证,结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高,所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律,尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好,验证了模型的合理性．     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

黏弹性板的大挠度蠕变屈曲

研究了具有初始小挠度受轴向压载黏弹性板的蠕变屈曲问题,在建立控制方程时,利用了von Karman非线性应变-位移关系,并考虑了初始挠度,用标准线性固体模型描述材料的黏弹性特性,在求解非线性积分方程时,利用梯形公式计算记忆积分式,将非线性积分方程化为非线性代数方程进行数值求解,得到了结构的蠕变变形过程,又将问题退化到小挠度情况进行研究,得到了挠度随时间扩展的解析解,分析了瞬时失稳临界载荷、持久临界载荷的物理意义,讨论了考虑几何非线性对黏弹性板蠕变屈曲的影响。     

古树包滑坡滑带土蠕变经验模型

针对清江古树包滑坡滑带土的室内蠕变试验资料,结合经验模型理论,以双曲线函数描述蠕变应力-应变关系,并引入Morgan Mercer Florin函数,用来描述应变-时间关系,建立了一种新的蠕变经验模型。采用ε/ -ε关系曲线和遗传算法求解出了该模型的所有参数。经过计算,所建经验模型的计算结果与实际实验数据的相关系数在0.96以上,说明所建经验模型能有效地反映古树包滑坡滑带土的蠕变特性。     

黏弹性结构蠕变屈曲特性的分析

分析了线黏弹性正交铺设层合板的蠕变失稳问题，由相空间的特征方程解出临界载荷，经Laplace数值反演得到屈曲载荷与时间的关系；然后，通过建立扰动模型和分析变形的有界与无界增长，讨论了黏弹性结构延迟失稳的特性，解释了临界载荷与失稳时间的具体含义．     

片麻岩蠕变特性试验研究

为了对红透山铜矿片麻岩蠕变特性及深部采场(-467、-827中段)出现时效性片帮破坏问题进行研究,采用室内蠕变试验和理论分析相结合的方式对片麻岩的蠕变特性进行了分析。结果表明:随着应力水平的不断提高,岩样蠕变经历衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变三个阶段。其中,稳态蠕变阶段持续时间最长,加速蠕变阶段变形速率波动最大,且以非线性方式逐渐增加。试样P-4与P-8在围压10MPa条件下的起始蠕变应力阈值分别为50MPa及80MPa,长期强度分别为90~100MPa及170~180MPa,加速蠕变启动时间分别为34.68h及2.4h;最后基于模式搜索(PS)改进非线性最小二乘法,并结合岩石蠕变试验结果,对蠕变模型参数进行反演。通过反演得到的理论曲线与试验曲线的吻合效果较好,由此证明了蠕变模型的正确性和合理性。     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.     

冲击地压时列建模的进化神经网络方法

考虑到冲击地压时序的特点,采用基于免疫进化规划的进化神经网络进行了冲击地压非线性系统的建模研究。并采用一个矿山实测得到的震级数列进行了进化神经网络方法的实用性验证,结果表明,进化神经网络不但模型拟合精度高,而且预测性能也较好。     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

含水岩体非线性蠕变损伤模型及应用

岩体含水是岩体失稳的重要因素之一。将传统西原模型的线性牛顿体改为非线性牛顿体,克服了传统西原模型不能反映加速蠕变阶段非线性特征的缺点;考虑水对岩体蠕变的影响,将改进西原模型的模型参数设为含水率的函数并引入P元件,P元件所产生的变形代表是由水压的作用引起的变形量;为了量化水压对蠕变变形的影响提出水化因子λ的概念;蠕变过程中岩体的蠕变参数具有时效性,借助损伤力学的方法可以有效地实现岩体材料的劣化及蠕变参数的非定常特性;模型参数中蠕变寿命和极限强度由蠕变试验确定,其余参数由蠕变试验数据运用1st Opt软件反演得到;最后将蠕变模型应用于开挖岩体的蠕变分析中,发现岩体中的水增加了井壁的应力水平,加快了井壁的蠕变变形,这对工程实践有重要的指导意义。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明:试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明:单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

蠕变条件下刚性夹杂填充高聚物复合材料的延迟时间-蠕变荷载幂率关系研究

本文研发了不锈钢短纤维(SSFs)填充聚丙烯(PP)的新型高聚物复合材料,开展了在不同的蠕变荷载下材料的蠕变行为研究。实验证实,在相同的持载时间条件下,蠕变变形与蠕变载荷之间呈非线性关系,这个现象用传统的线性粘弹性理论难以解释。本文采用延迟时间与蠕变荷载相关的观点,对蠕变变形-蠕变载荷的非线性现象进行分析,发现了在对数坐标下延迟时间与蠕变载荷之间存在线性关系,从而得到了延迟时间与蠕变载荷之间的幂律关系。进一步的分析指出,蠕变载荷提升导致延迟时间增加的机理主要由材料体系的损伤所诱发。     

横向冲击作用下高桥墩的几何非线性动力稳定性

考虑大变形的影响,建立了高桥墩在横向冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;对时间变率的非线性微分方程进行数值求解,给出了不同冲击荷载作用下不同柔度高桥墩的位移响应曲线以及其从产生横向振动到失稳的全过程,得到了横向冲击时高桥墩失稳的临界冲击荷载和失稳时刻;通过数值算例比较了三角形和矩形冲击荷载作用下高桥墩的荷载-位移响应曲线;分析了横向冲击力幅值、冲击区域大小、冲击持续时间、高桥墩柔度、桥面质量大小对位移幅值响应曲线、临界冲击荷载、失稳时刻的影响。结果表明:无论是在矩形还是三角形形式横向冲击作用下,随着冲击区域的增大高桥墩的振动幅值变大;桥面简化质量越大,高桥墩失稳的临界冲击载荷越小;柔度越大时,高桥墩失稳的临界冲击荷载幅值越小;对于矩形冲击,当冲击持续时间大于1s后,冲击持续时间的增加对高桥墩的稳定性无明显影响;对于三角形冲击荷载,随着冲击持续时间的增大高桥墩的振动幅值变大。     

高地应力围岩流变特性及竖井长期稳定性分析

基于自行研制的重力加载流变仪,采用多级加载对4种典型矿岩开展了三点弯曲蠕变试验研究,获得了蠕变试验曲线. 将Burger's模型与Mohr-Coulomb准则相结合,形成改进的Burger's模型. 并通过最小二乘法对均质混合岩进行蠕变参数拟合,获得了与蠕变试验曲线相吻合的蠕变理论曲线. 结果表明改进的Burger's模型能较好地描述均质混合岩的蠕变特性. 在此基础上,采用该流变模型,对返修后的竖井工程进行三维流变数值模拟和稳定分析,为竖井工程的长期稳定预测和失稳风险预测提供了理论依据.      

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟,并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上,进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明,在所有重力加速度下,冲击物的穿透深度d与冲击速度v₀的关系可以用Poncelet模型表达;d与冲击物下落的总高度H表现为d～Hⁿ的幂律关系,当H<10 m时,d与H的幂率标度为0.322,而H>10 m时,d与H的幂率标度下降到0.211。此外,穿透深度小于冲击物半径时,重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下,当冲击速度大于5 m/s时,冲击物的持续碰撞时间t_c是恒定的,且与重力的-1/2次方呈正比。     

考虑参数随机性的压实黄土蠕变变形不确定性分析

现有蠕变模型的计算值为确定值,未能考虑岩土材料和参数评估过程中的随机性。为反映岩土材料的变形随机特性,基于多次重复的一维固结蠕变试验,本文研究了分级和分别加载条件下压实黄土的蠕变特性,建立了考虑参数随机性的改进Merchant模型,提出了一种蠕变变形的不确定性预测方法,并通过延安高填方工程进行了验证。结果表明,压实黄土具有明显的衰减蠕变特性,引入非线性元件的Merchant模型能更好描述土体的应变时间关系,考虑参数随机性的模型计算值近似服从正态分布;通过不确定性预测方法可以获得蠕变变形值的概率云图,且工程实测蠕变变形值落在预测范围的95%的置信区间内,说明了考虑参数随机性的蠕变变形不确定性预测方法的有效性。     

从非线性动力学的视角认识细长压杆的稳定性

工程上大部分机构和结构都处于动载的作用下，受压细长杆的失稳是复杂的动力破坏事件．应用Lagrange描述法建立了两端角铰支受压细长杆的非线性动力学模型，通过对这种模型简化分别得到非线性静力学模型、线性动力学模型和含三次非线性项的动力学模型．利用谱截断方法，讨论了线性动力学模型的局部分岔．通过讨论平衡态存在性和稳定性，得到了含三次非线性项的动力学模型分岔条件．研究表明，受压细长杆的非线性动力学模型中存在叉形分岔．