岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA^2D)，通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟，研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为．模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响．岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式：平行剪切带，单一剪切带和共轭剪切带．在局部化剪切带出现时，材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的，而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用．岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应，而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因，非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性质．     

砂化岩体在开挖干扰下弹塑性损伤数值模拟

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,求解砂化岩体损伤演化方程,并将损伤引入到修正的弹塑性本构方程中,提出了适用于砂化岩体的弹塑性损伤三维有限元计算方法.该方法反映砂化岩体在开挖施工干扰下的岩体破坏过程.应用该方法进行数值模拟计算了坪头水电站引水隧道1#竖井开挖过程,分析成果与实际情况较为吻合,验证了该分析方法的合理性,为砂化岩体计算提供了理论依据.     

露天矿边坡损伤与可靠性变化规律的数值分析

以鞍钢眼前山露天铁矿南帮节理岩体边坡为工程背景,综合应用FLAC-3D、损伤力学、断裂力学和可靠性分析等多项理论和方法,系统研究了露天矿边坡的节理岩体伴随采矿开挖的概率损伤分析程序,定量揭示了边坡岩体概率损伤分布及演化规律。综合考虑节理、岩石和岩体初始损伤状态的抗剪强度,结合露天矿开挖的FLAC-3D模拟与损伤断裂力学分析,根据Monte-Carlo原理和极限平衡理论建立了露天矿节理岩体边坡的三维稳定性和可靠性动态评价模型,探讨了眼前山铁矿南帮 21 m铁路运输平台的节理岩体边坡在矿山不同开采深度的稳定性和可靠性的动态变化规律。     

混凝土的细观损伤理论及其数值模拟

本文建立了拉伸荷载作用下混凝土的二维细观损伤的本构理论，采用有效场方法考虑混凝土的裂纹相互作用，分析了混凝土随外加应力场的损伤演化过程，求出了损伤柔度张量的表达式，在此基础上对混凝土的细观损伤特性进行了数值模拟．由于微裂纹的扩展和裂纹之间的相互作用，混凝土的柔度表现为非对称的和各向异性的。数值分析表明，本文模型的计算结果介于Ｔａｙｌｏｒ方法和自恰方法之间，与实验结果具有较好的一致性，尤其是当裂纹密度较大时，本文的结果能更好地模拟实验结果。因此，当裂纹密度较大时，必须考虑裂纹的相互作用。     

热轧钢延性损伤断裂过程各向异性的细观力学分析

对热轧钢中的长条形初始损伤孔洞承受不同方向最大正应力时的后续损伤演化和断裂的过程进行细观有限元分析.结果表明:热轧钢中的长条形夹杂物与基体剥离后形成的长条形孔洞在后续加载中,其周围产生的局部高应力应变集中及其相互作用使孔洞长大.孔洞长大行为存在明显的个体差异,个别大孔洞的快速长大和聚合对材料破坏起主导作用.当长条形孔洞承受不同方向的最大正应力加载时,孔洞周围产生的局部应力应变分布及其相互作用不同,孔洞长大速率及其聚合时的临界外加主应变不同,相应的材料延性起裂韧性不同.当最大正应力与孔洞长条平行时,韧性最高;垂直时,韧性最低.     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...     

管道高周腐蚀疲劳损伤模型与数值模拟研究

根据疲劳与应力腐蚀损伤的耦合效应,利用非线性累积原理,构建了金属材料的高周疲劳损伤演化模型。以API X65管道钢为研究对象,结合实验确定了腐蚀疲劳损伤演化参数。利用ABAQUS软件二次开发模拟了含不同腐蚀坑形状的管材试样腐蚀的疲劳损伤演化与裂纹萌生过程,探讨了腐蚀疲劳裂纹萌生对腐蚀坑形貌的敏感性。结果表明：腐蚀坑宽度与深度相同时,半椭球型腐蚀坑试样腐蚀疲劳裂纹萌生寿命最长,圆台型与圆锥型次之,矩形体腐蚀坑试样裂纹最先萌生;半椭球体腐蚀坑试样应力腐蚀损伤对总损伤的贡献量始终大于疲劳损伤,而对于其他类型腐蚀坑,腐蚀疲劳裂纹萌生主要源于疲劳损伤的累积。     

一种受剪细观损伤单元模型及其应用

基于剪切损伤破坏机制,发展了相应的细观损伤单元模型,它由弹脆性的微弹簧和模拟裂缝滑移的塑性元件组成.混凝土单轴受压时的宏观性能可用受剪细观损伤单元的并联体来解释,由此建立了混凝土单轴受压的损伤本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法.通过引入混凝土剪切单元破坏应变分布随机场,推导了应力与损伤的均值、标准差的表达式.根据混凝土单轴受压时的应力-应变全曲线试验结果,结合随机建模原理和优化算法确定随机场参数和材料参数,将分析得出的受压随机应力-应变关系与试验结果进行比较,二者吻合良好.     

砂岩单轴压缩与劈裂破坏过程的损伤研究

在对赵固矿煤层顶板砂岩进行单轴压缩试验的基础上,结合颗粒流程序获得砂岩细观力学参数并采用编制的fish程序进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,研究砂岩在压缩和劈裂破坏过程中的损伤演化机制。得到如下结论:压缩破坏在主控破裂面上接触力集中传递,在损伤区接触力向临近岩体转移,劈裂破坏中接触力在劈裂方向由圆盘边缘向内扩散,垂直劈裂方向由圆盘中心向边缘逐渐减小;压缩破坏砂岩损伤发展经历弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和宏观裂纹贯通失稳4个阶段;劈裂破坏中损伤分布在劈裂径向一定宽度范围内,微裂纹从受力复杂的圆盘边缘萌生沿着径向不断发展并突然贯通。     

初始损伤影响钢的低温解理断裂韧性的细观力学分析

通过长条形孔洞附近的局部应力应变分布的细观有限元模拟计算,对初始损伤影响钢的低温解理断裂韧性的原因进行了研究.计算结果表明,预加载时引入的长条形孔洞缺陷在后续低温加载时,其前端产生了局部高应力应变集中,促使了解理裂纹的形核(pε≥pεc)和扩展(yσy≥fσ),使解理发生在较低的载荷下,引起了韧性的降低.随预载荷比P0/Pgy的增加,材料中的损伤量和损伤孔洞的尺寸增大,引起的局部高应力应变集中程度增大,可促使解理发生在更低的载荷下.这就是随着预载荷比P0/Pgy的增加,材料的缺口解理断裂韧性Pf/Pgy降低的细观力学原因.     

细观层面的混凝土碳化过程数值模拟

为在细观层面上研究混凝土碳化问题,首先建立了基于积累分布函数的三维球形骨料生成方法,分析了随机性对模拟结果的影响,对骨料最大粒径、最小粒径和体积分数的选取原则进行了讨论.建立了简化的混凝土碳化数值模型,分析了骨料对宏观层面混凝土碳化行为的影响.结果表明,骨料的稀释效应和扭曲效应将降低混凝土的碳化深度;骨料在水泥浆中的非均匀分布将导致宏观上混凝土碳化深度的非均匀性.     

数值分析法对顶煤压裂损伤参数的研究

运用弹塑性耦合有限元数值分析正交试验法,系统研究了放顶煤开采中顶煤压裂的损伤变量D随开采深度H,煤的强度R。和煤层厚度的变化规律,得出开采深度和煤的强度是影响顶煤损伤参数的主要因素,煤层厚度等因素影响是微弱的。     

倾斜煤层冲击地压危险状况的数值模拟研究

利用ANSYS分别模拟了煤层倾角为10°、20°、30°、40°、50°、60°的采区工作面,探讨了煤层倾角对冲击地压危险状态评定的影响,为一定地质条件下,错动煤层的冲击危险评定提供了一定的理论指导。     

火炮发射过程中装药损伤数值模拟研究

为研究火炮发射过程弹体内部装药的损伤响应,采用节点约束-分离模拟方法对TNT和PBX9501炸药装药进行数值模拟,计算不同发射速度下弹体内部装药的损伤及破坏,计算得到了TNT和PBX9501装药损伤的临界弹体初速以及加速度载荷,数值模拟结果与实验结果吻合较好. 研究结果表明,采用节点约束-分离方法可以较好地描述弹体发射过程中内部炸药装药的损伤响应.     

高应变率下复合炸药的细观数值模拟

针对复合炸药8701中RDX晶体与粘结剂分别对复合炸药8701平均力学性能的影响,建立了相应的细观数值计算模型.通过SHPB实验获得了8701在应变率600 s-1时的动态应力-应变曲线,根据Taylor均匀化方法得到了细观计算的宏观应力-应变曲线.结果表明:细观数值计算模型结果与8701的试验结果具有较好的一致性;在高应变率加载下,RDX晶粒和粘结剂的应力随应变都在增加,但由于RDX的强度和质量分数更大,因此对8701整体力学性能起主导作用.      

卸围压下煤体损伤的能量演化和渗透特性

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行三轴渗流试验,并基于能耗特征原理及损伤定义,探讨了损伤变量和渗透率的关系。研究结果表明:在卸围压前,煤体渗透率随轴压的增加而逐渐减小,煤体吸收的能量主要转换为弹性能储存在煤体骨架结构中,煤体渗透率随着损伤的增加呈现对数函数减小;卸围压后,煤体渗透率开始增大,储存的弹性能转变为耗散能用于煤体的破坏,损伤增加变快,渗透率随损伤的增加呈现指数关系增长,同时发现损伤变量达到0.7是煤体破坏的一个关键点。     

二相交通流LWR模型的理论分析与数值模拟

从特征速度、非严格双曲性质以及特征分解等几个重要方面，讨论了二相交通流LWR方程，并设计具有高分辨和高阶精度的WENO(weighted essentially nonoscilatory)数值逼近方法．数值算例结合Riemann问题以及实际的交通流现象进行设计和分析，得到了满意的数值结果．数值方法以及一些理论结果可以推广到多相交通流的LWR模型．     

平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真

在对平面等角螺旋天线进行理论分析的基础上,采用基于矩量法的电磁场数值仿真软件,研究了平面等角螺旋天线的结构参数对天线辐射场分布的影响以及辐射场分布与解析结果间的差异,给出了一定带宽及工作模式条件下的等角螺旋天线的参数选择方法。     

冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究

对大同忻州窑矿、开滦赵各庄矿具有冲击倾向性煤体试样的扫描电镜（SEM）及三点弯曲试验。分析了冲击煤的显微组分、细观结构特征；并且通过对SEM数字图像和栽荷位移关系的分析。初步解释突出煤体裂纹损伤演化的细观机理．试验表明，（1）煤是非均质材料，突出危险煤的微结构以粒状、网状、片状结构为主，也可以见到鳞片状和压扭性结构；（2）发生冲击地压灾害的破坏煤体中，裂纹主要为新生裂纹，且裂纹的扩展通常具有一定厚度带状区域，裂纹由萌发、维护到结构失稳的破坏过程具有自组织、能量耗散的特征；（3）经过冲击地压破坏后的试样破坏强度低于渐进破坏煤体试样的强度，约为1／3—1／2，这也说明因冲击地压能量突然释放引起的失稳破坏具有显著不同的特征．图10．表1。参10．     

煤炭地下气化煤气扩散规律数值模拟研究

对煤炭地下气化原理,气体扩散原理进行分析,以计算流体动力学软件(CFD)为基础,模拟分析CO在不同泄漏速度、不同通风速度的情况下在巷道中的体积分数,得出随着泄漏速度的增大,煤气中毒性增大,发生煤气爆炸的可能性也逐渐增高;随着风速的加大,危险区域会逐渐向下风向和靠近泄漏口一侧偏移的扩散规律。当发生煤气泄漏应采取加大通风来稀释煤气浓度,保证人员安全的措施。