高超声速飞行器大面积热防护系统的传热数值分析

隔热毡是高超声速飞行器防热系统中重要的组成部分。隔热毡内存在复杂的多种传热形式的耦合,本文详细地分析了隔热结构内导热与辐射的复合换热问题,用光学厚极限法分析了隔热层纤维席内辐射热流。建立了高温绝热毡有效热导率的数值计算模型,分析了温度和压力对传热机制的影响。该模型预测的有效导热系数与试验结果最大误差不超过6%。通过应用数值分析方法得到有效导热系数,建立了防热结构一维瞬态传热模型,该模型结果与瞬态实验结果最大误差为8%。最后还计算出不同厚度隔热毡蒙皮结构的温度响应,并分析讨论了隔热毡厚度对隔热效果的影响。本文研究表明:TPS隔热毡的厚度达到63.3mm后,继续增加尺寸,其隔热效率将明显降低。     

地下气化过程中煤系沉积岩热物理性能试验研究

利用GHC-Ⅱ型比热容测试仪、DRX-Ⅱ型导热系数测定仪等仪器,对乌兰察布地下气化煤层顶板泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粗砂岩及粉砂岩等5种沉积岩体进行了50~1000℃范围内的高温物理试验研究,分析了不同温度梯度下的比热容及导热系数随温度的变化规律,并用多项式函数对5种岩样的导热系数测定结果进行了拟合,得到了导热系数与温度的拟合关系式。试验结果表明,5种岩样的比热容值随着温度的升高呈现下降趋势,在100~400℃范围内,5种岩样的比热容值下降趋势较为明显;顶板泥岩等5种岩性岩样的导热系数值随着温度的升高呈现下降趋势,随着温度的升高,粗砂岩导热系数值变化最大,由50℃时的1.412W/(m·K)下降至1000℃时的0.900W/(m·K),减小了36.3%;随着温度升高,粉砂岩导热系数值变化最小,其值由50℃时的1.200W/(m·K)下降至1000℃时的0.901W/(m·K),减小了24.9%。上述结果可为研究煤炭地下气化空间温度场分布提供必要的数据。     

考虑隔热层的高岩温隧道温度场和应力场分布规律研究

高岩温热害问题是深埋隧道面临的难点问题之一。高岩温不仅会恶化施工环境、影响施工材料的选择和混凝土的耐久性等,高温带来的温度应力还会引起衬砌的开裂和围岩的变形等。为分析高岩温作用下隧道结构和围岩的温度场、应力场分布规律,根据简化的理论模型,建立了隧道的热传导方程和平衡方程,并利用量纲归一化和微分方程级数求解的方法得到了隧道结构和围岩的温度场、位移场、应力场的解析解。以典型的高原地热隧道-拉日铁路吉沃希嘎隧道为例进行详细地分析。研究发现:隔热层能有效地阻隔热量传递,减少围岩热量的散失;铺设隔热层后,初衬的温度升高;增加隔热层厚度可以加强隔热效果,但隔热层厚度的选择要综合考虑初衬温度以及材料性能变化的影响。     

爆破扰动下邻近层状围岩隧道的稳定性与振速阈值

爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏,确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理,建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型,得到了最危险点的应力计算表达式,分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律,并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度,结合地震波传播时的衰减规律,可以得出爆破施工时的最大单响药量,从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。     

考虑宏细观损伤的隧道裂缝区围岩弹塑性分析

针对以往隧道含裂缝围岩弹塑性分析仅考虑细观损伤的不足,本文在统一强度理论下考虑宏细观损伤因子、水的渗透压力以及中间主应力,推导出含裂缝区围岩的应力、洞室位移量的计算公式和考虑损伤的围岩抗力系数表达式;并应用于现有隧道分析计算。其计算结果表明:①不考虑宏观损伤会使计算的细观裂缝区半径偏小;②宏观裂缝区半径不变,细观裂缝区半径随着支护抗力变大而变小;③随着细观裂缝区半径增大,洞室位移量随着弹性模量增大而减小,且随着内聚力增大而减小,泊松比越大,其增长曲线斜率越大,细观裂缝区半径较小时,洞室位移量随着泊松比增大而减小,细观裂缝区半径较大时,洞室位移量随着泊松比的增大而增大。研究成果可以为隧道工程支护力的确定以及支护结构的选取提供理论参考。     

水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

水平互层围岩因其显著的层理构造, 导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别. 目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式, 未考虑破坏形式的多样性. 为探究水平互层围岩的破坏范围, 首先按其层理面划分为单层围岩进行分析, 将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式, 分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析, 提出了相应的破坏准则, 并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究, 将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中, 与既有方法进行比较, 验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性, 同时代入离层破坏算例中验证其实用性. 并以此为基础, 结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型, 将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例. 结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好. 研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.      

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.      

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征分析

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出:矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

浅埋海底隧道围岩应力复势函数显式解

利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究.采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为Laurent级数.利用无穷远点应力有界性对Laurent级数幂次项进行确定,根据地表边界和孔口不均匀应力边界条件得到Laurent级数系数迭代表达式,将已确定的Laurent级数条件代入迭代表达式中得出复势函数显式解,从而实现复势函数系数从低次幂迭代至高次幂.根据应力分量的复变函数表达式即可得到隧道周围各点应力分量.研究了两个单值解析函数取不同幂次时对结果的影响,分析了浅埋隧道埋深对环向压应力的影响.研究结果表明:幂级数解具有较高的可靠性,在隧道上半部分幂级数解与有限元数值解吻合效果良好,在隧道下半部分幂级数解最终计算结果比有限元结果相对保守;为了保证计算结果的准确性复势函数需取足够多项;随着隧道埋深增大,隧道底部及两侧孔腰处环向压应力不断增大;腰部与底部环向应力的差值也随之增大.     

动力扰动诱发巷道围岩冲击失稳的能量密度判据

能量积聚程度及积聚位置是判别冲击矿压是否发生的两个重要参数,运用ANSYS/LS-DY-NA模拟了应力波作用下巷道围岩的能量积聚过程及应力波强度对能量积聚程度的影响,得到了一定围岩应力状态下巷帮围岩能量积聚的大小、位置等结果.模拟研究表明:应力波是巷帮能量积聚、继而诱发冲击矿压的一个重要因素;应力波强度决定了最大能量密度值及其位置,随着扰动应力波强度的增加,巷道围岩的最大能量密度随之增加,最大能量密度点的位置渐渐向巷帮边界面靠近.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理及冲击矿压发生的预测预报具有重要意义.     

岩溶围岩分级初步探讨

岩溶隧道施工中多处遇各种形态岩溶,通常应根据开挖情况对原设计围岩级别作调整,从而提出岩溶围岩级别划分问题。对岩溶围岩级别的几个基本概念进行解释,提出以“岩溶发育程度修正系数”为核心的岩溶围岩分级模型和建议标准,以武隆隧道横洞段为例进行应用探讨。实践证明,本方法分级结果与隧道施工实际基本相符。本方法因考虑了岩溶发育的可能性及岩溶形态等综合因素,是原分级方法基础上针对岩溶围岩的修正,其分级结果比较接近施工实际,但尚需大量工程实践验证。     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t 25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t ≤25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t>25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

基于Hoek-Brown准则的破裂围岩应力分析

深部煤矿巷道在高围压的作用下,围岩普遍出现破裂,而且围岩破裂范围在扩大的同时,往往出现继续破坏的现象,并形成不同的分区.论文针对长的圆形巷道,将围岩分成破裂、塑性和弹性三个区域,采用Hoek-Brown准则,进行非关联弹塑性分析,获得了其应力和变形的封闭解析解,并说明该解析解是不唯一的.通过利用在弹塑交界处应力连续的条件、以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件,获得了确定围岩破裂区和塑性区半径的解析算式.最后,通过算例并分析了破裂区和塑性区应力和应变的分布特点、以及破裂区范围的影响.利用所获得的结果,可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据.     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。     

隧道围岩变形破坏概率的SVM分析方法

以隧道周边收敛为准则构建了隧道围岩稳定功能函数的通用形式,分析指出了该形式在复杂地层隧道中的具体解析表达及其破坏概率求解方面存在的困难。引入具有较好拟合与预测能力的支持向量机(SVM)理论,建立了隧道周边收敛变形与岩体物理力学参数解析关系的高精度近似表达式,导出了其相应的功能函数。将该功能函数嵌入以验算点和可靠性指标收敛为目标、循环迭代、逐步逼近的响应面求解思路中,构建了在变形准则下的隧道围岩破坏概率分析步骤,形成了一种效率较高的新算法。采用该方法分析了某隧道围岩变形破坏问题,与Monte-Carlo法对比得出,该方法计算量远小于Monte-Carlo法,计算结果与其相对差值仅为2.42%。