应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质，研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程，分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中，孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形，变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变），以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性，拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

非饱和土中功的表述以及有效应力与相分离原理的讨论

基于多相孔隙介质理论的质量、线动量、能量平衡方程和非饱和土力学的假定，推导出总变形功W的一种表达式。在总变形功的具体方程基础上给出了建议与土骨架位移在功上对偶的有效应力表达式．它和Wheeler（2003年）以及其他一些研究者根据直觉和经验给出的有效应力具有相同的形式，但本文给出的有效应力是从多相孔隙介质理论的基本原理出发，经推演而得到的，具有坚实的理论基础和科学依据。文中根据总变形功的具体表达式，指出非饱和土的物理力学性质复杂，其影响因素较多，其固体骨架的变形不可能像饱和土那样由有效应力唯一确定。另外，利用总变形功的表达式以及各相自由能A^a的关系式，论证并得出了Passman（1984年）给出的相分离原理不严格适用于非饱和土的结论。     

炭／炭复合材料微观孔隙结构演化的分形特征

提出了一种用分形理论研究炭／炭（C／C）复合材料制备过程中孔隙演化特征的新方法．基于压汞测试数据，根据海绵分形模型及热力学关系模型导出的多孔介质分形维数计算公式，计算了致密化各阶段C／C复合材料孔隙的分形维数，并研究了分形维数随孔隙演化过程的变化规律．结果表明C／C复合材料属于多孔分形介质，孔隙分形维数随孔隙率的减小而增大，但同时受到热解炭织构形态的影响，从各向同性到高织构热解炭，分形维数减小．分形维数综合反映了C／C复合材料内部孔隙的复杂程度和热解炭的形貌特征，是监控C／C复合材料致密化过程中孔隙演化的一个有效参数．     

以[火积]耗散最小为目标的空腔几何构形优化

[火积]耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准．针对导热固体中包含开口空腔的2种情形（内部产热和外受热），引入了基于熘耗散定义的无量纲当量热阻，并以之最小化为目标，对模型进行了构形优化．数值结果验证了本文方法的必要性和可行性．与以无量纲最大热阻最小化为目标的优化结果对比发现，不论哪种模型，当空腔占固体的体积百分比Ф值较小时，2种优化部结果无明显差别，但随着新口固体长宽比H／L值的增大，2种优化结果区别越大．固体外受热时的最优空腔，始终比内部产热时的最优空腔更细长．系统的传热性能受热量来源的影响较大，外部加热时的[火积]耗散比内部产热时的[火积]耗散增加了2～3倍，系统传热性能降低．本文方法对相关热设计问题具有一定指导意义．     

粉末体冷加工的变形机制

针对粉末体的非连续性及由此导致的内部应力的不确定性, 引入颗粒介质力学的概率理论、颗粒介质的Mohr-Coulomb屈服准则和晶体滑移变形的临界切应力理论, 提出了粉末体冷变形的统计学机制和高温超导线/带材织构形成机理, 同时提出了一种粉末体屈服准则假设.     

基于格子Botlzmann方法的三维多孔介质中多相导热过程的研究

建立了模拟三维多孔介质中多相导热过程的格子Boltzmann模型，结合三维多孔介质重构算法，从孔隙尺度对CPL／LHP毛细芯中的瞬态导热过程进行了模拟，计算了不同条件下毛细芯内温度分布，分析了热负荷、孔隙率等因素对导热过程的影响，并计算了三维多孔介质的有效导热系数．     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

岩石孔隙结构的统计模型

通过砂岩CT扫描实验研究了岩石孔隙的几何特征与分布规律，给出了孔隙的形心坐标，孔隙间距、孔隙数和孔径的统计特征与各自分布的概率密度函数．利用Monte Carlo法和随机数算法生成了具有相同统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟孔隙位置、数量和孔径的随机分布．借助FLAC如程序按照随机数序列分配的孔隙位置和统计特征构建了岩石三维孔隙结构模型．在此基础上，应用该模型研究了巴西圆盘劈裂破坏时的应力分布、单元破坏方式以及破裂单元的连通情况．研究表明：孔隙模型具有与真实岩石孔隙结构一致的孔隙统计特征和较好的几何相似性，该模型可以直观地反映孔隙特征对应力分布、破坏方式以及破裂连通性的影响．     

高温变形过程中的动态再结晶类型识别

通过分析高温变形过程中伴随再结晶晶粒长大的内部位错密度变化,判别不同变形条件下动态再结晶过程的进行形式,研究动态再结晶形式对变形参数的依赖规律,发现：低温大应变速率下,高温变形过程中的再结晶形式以连续性动态再结晶为主;高温低应变速率下,以周期性动态再结晶为主.根据动态再结晶软化与加工硬化平衡,得到反映稳态流动时钛合金流动应力对变形参数的响应,建立具有实际物理意义描述钛合金稳态流动本构关系的Arrhenius型方程.通过热模拟压缩实验得到800~900℃,0.0005~10 s-1条件下的TC18钛合金高温变形流动应力应变曲线,验证动态再结晶形式的判据模型,并通过DMM耗散效率分布图分析模型的适用性.通过显微组织分析,研究不同变形参数下的高温变形过程中,不同动态再结晶形式对应的再结晶晶粒粗化/细化的特点.通过各变形条件下真应变？=0.8时的稳态应力验证得到的本构模型,并分析应变速率敏感系数的变化规律.     

基于煅耗散率最小的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体体-点导热构形优化

基于构形理论，以煨耗散率最小为优化目标，对环形高导热通道的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体“体一点”导热问题进行构形优化，得到无量纲当量热阻最小的“体一点”导热问题最优构形．结果表明：无量纲当量热阻最小和无量纲最大热阻最小目标下三维圆柱形构造体最优构形是不同的，这与对应的二维矩形构造体两种目标下最优构形比较结论不同,在微、纳米尺度下，存在尺寸效应影响时与无尺寸效应影响时的基于矩形和三角形单元体的构造体最优构形有明显区别；由于第二级构造体高导热材料通道中的热流不再服从线性分布，熄耗散率最小的和最大温差最小的第二级构造体最优构形是不同的．基于煅耗散率定义的当量热阻反映了构造体的平均散热性能，在三维条件和微、纳米尺度下研究熄耗散率最小的“体-点”导热构形问题进一步拓展了熄耗散极值原理的应用范围。     

单壁碳纳米管拉伸试验的分子动力学模拟

采用Brenner势函数描述碳纳米管中碳原子间的相互作用，通过分子动力学方法对几种单壁碳纳米管进行轴向拉伸试验研究，得出其Young模量为4．2TPa，强度极限为1．40～1．77TPa．在对碳管拉伸过程中，发现只要应变不达到断裂极限，卸载时的应力．应变沿加载曲线返回，表明在碳纳米管的拉伸过程中没有塑性应变；对碳纳米管的拉伸断裂过程进行了仿真，从能量和结构变化方面对碳纳米管断裂机理进行了分析．     

多孔介质发动机压燃着火的数值研究

多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧．为加深对多孔介质发动机特性的了解，用改进的KIVA-3V对一种形式的多孔介质发动机燃用气体燃料的工作过程进行了模拟，并讨论了多孔介质初始温度和多孔介质结构及燃料喷射时刻对多孔介质发动机实现压燃着火的影响．针对Zhdanok等人的甲烷预．空气预混合气过滤燃烧的实验，用改进的KIVA-3V进行了数值计算以检验模型的合理性，燃烧波的计算结果与实验结果吻合得很好．计算结果表明在压缩比一定时，多孔介质初始温度是决定多孔介质发动机能否压燃着火的重要因素；改变多孔介质的结构会影响多孔介质内气固两相的换热和多孔介质的弥散作用，多孔介质孔隙大小是影响多孔介质发动机压燃着火的主要因素；在上止点附近起喷燃料不能实现多孔介质发动机的压燃着火．     

应力腐蚀和压力溶解对双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定2种计算工况：（i）裂隙开度随应力腐蚀和压力溶解而变化（基岩的孔隙率亦是应力的函数）;（ii）裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔（裂）隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布等情况.结果主要显示：应力腐蚀引起的闭合速率要高于压力溶解引起的闭合速率6个数量级,且2种因素产生的闭合速率随时间先增加后减少,并趋于稳定;随着时间的推移裂隙开度由初始值下降并趋于残余值,而粗糙面接触率亦由初始值上升并趋于其名义值;当考虑应力腐蚀和压力溶解时,近场的负裂隙水压力上升很高;2种工况的岩体中的应力量值及分布差别很小.     

换热器设计中的炽耗散均匀性原则

本文建立了烘耗散均匀分布原则（EoED）：在给定热负荷和换热面积条件下，当局部煅耗散率在换热器中均匀分布时，总的煳耗散率取得最小值．并且证明了当传热系数不固定时，煅耗散均匀分布所得出的总煳耗散率小于温差均匀分布所得出的总煅耗散率，而有效度大于温差均匀分布的结果．如果假设换热系数固定，则煅耗散均匀分布等价于冷热流体的温差均匀分布．发现用熵产均匀分布原则和愀耗散均匀分布原则对换热器进行优化得出的熵产和煅耗散不相同．本文从理论上分析了熵产最小法与煅耗散最小法的适用范围：前者用于换热器的优化是基于使做功能力损失最小，而后者没有涉及到做功过程．并举例验证了熵产最小法与烛耗散最小法的区别，计算结果表明熵产数不适用于不同换热器间性能的比较，因为它直接依赖于流体的出入口温度；而煅耗散数不直接依赖于流体的出入口温度，因此，更适合作为不同换热器之间性能比较的标准．     

EDA介质中地震波速度、衰减与品质因子方位异性研究

通过考察EDA介质中应力应变关系 ,建立了EDA介质中考虑非弹性效应的地震波动方程组 .其中 ,裂隙引起的非弹性效应体现在波动方程组中位移分量关于时间t的三次导数项上 .通过平面波位移函数解 ,研究了EDA介质中地震波速度、衰减与品质因子Q值的方位各向异性 ,并分别对干裂隙与饱含水裂隙两种情形下EDA介质中地震波速度、衰减与Q值随波频率与传播方向的变化关系进行了探讨 .研究结果说明 ,裂隙的存在以及裂隙内所含物质内容对地震波速度、衰减与Q值及其各向异性特别是两类qS波衰减或品质因子比值具有重要的影响 ;低频时 ,EDA弹性效应占主导地位 ;高频时非弹性效应愈加不可忽略 .     

船用柴油机第一道活塞环岸积碳的微观形貌和孔隙特性的相衬显微CT研究

大型二冲程船用柴油机具有热负荷高、燃用重油、润滑油参与燃烧及其变质、颗粒物排放高等特点，直接或间接地导致其燃烧室内更为明显的积碳现象，同时积碳层的构成和特性会显著影响柴油机的输出动力性能和排放特性．采用我国第三代同步辐射装置一上海光源的x射线相衬显微CT技术，对第一道活塞环岸积碳样品进行了三维无损显微成像．通过定量数字图像处理，对积碳层的微观特性和孔隙分布特性进行了分析研究．结果表明，活塞环上部积碳厚度基本在1．0mm左右，仅为缸套和活塞间距的一半，但是其表面形态显示出与缸套强烈的摩擦磨损痕迹，这说明该部位的积碳会明显破坏缸套的滑油分布．同时积碳内外表面裂纹密集，而中部裂纹较疏松，积碳内外表面的裂纹形成机理存在显著差异．从孔隙连通性来看，几乎所有的裂缝都是相通的，计算得到的总的孔隙率在10．9％～12．8％之间．并且连通的裂纹中存在交汇的孔洞结构，这些孔隙结构可能对燃气产生吸附和解吸的作用．     

太阳风正负动压脉冲激发磁层ULF波的数值模拟

磁层中的超低频波动（Ultra Low Frequency Wave，简称ULF波）通常被认为是由外界太阳风／行星际磁场扰动或者磁层内部的等离子体不稳定性激发的．当太阳风动压脉冲作用于磁层顶时，可能在磁层内部激发ULF波，从而将太阳风能量输运到地球磁层中．本文利用磁流体力学（MHD）数值模拟研究不同形式的太阳风动压脉冲作用下，在磁层中激发的ULF波的性质．我们主要关注地球磁层对太阳风动压正／负脉冲以及太阳风动压正．负脉冲对的响应．模拟结果表明，幅度和周期均相同的太阳风动压正脉冲和负脉冲，在磁层中所激发的ULF波幅度，周期均相同，然而相位相差180°．另外，对一个太阳风动压正一负脉冲对作用于偶极磁层的情况，在地球磁层内的某些特定区域仍可观察到磁力线共振（FLRs）现象，磁力线共振的区域分布和动压脉冲的周期以及动压脉冲对之间的时间间隔有关．同时模拟计算结果还表明，与单一脉冲相比较而言，在动压脉冲对的作用下，太阳风能量可以传递到地球磁层中更低纬度的区域．因此本文结果可以帮助我们更好地理解太阳风能量通过ULF波形式输运到地球磁层的机制；同时，还可以为研究有关内磁层中能量粒子对不同的行星际激波的响应方式提供线索．     

巷道布置对围岩稳定性影响的数值模拟

采用理论分析不同应力场下巷道轴线与最大水平主应力方向夹角的最佳角度，利用数值模拟不同夹角情况下，巷道围岩应力分布、正前方应力分布及变形特征。得出：1）最大水平主应力σH〉最小水平主应力σh〉垂直主应力σr时，最佳角度为0°；σt〉σH〉σh时，最佳角度为90°；σH〉σa〉σA时，最佳夹角为α0.2）巷道开挖后，水平应力在两帮出现应力降低区，在顸、底板出现应力集中区；垂直应力在两帮出现应力集中区，在顶、底板出现应力降低区；随角度变化，应力变化区均有明显变化，正前方断面的最大主应力变化明显。3）巷道达到最佳角度时，围岩变形相对较小，最大主应力围绕在巷道周边，呈环状或类环状分布；其它角度时，围岩变形相对较大，最大主应力逐渐向顶、底板的四角或两帮发展。     

超塑性自由胀形精确加载实验测量装置

超塑性合金的结构敏感性很强，板材超塑性充模胀形的变形规律，不仅与应力状态有关，而且与加载路径有密切关系．超塑性自由胀形边界固定不受摩擦影响，因此，研究超塑性自由胀形的变形规律及其实验装置，是超塑性充模胀形成形的重要基础．采用纯净高压氩气源并用炉外加热系统加热后作为高温高压胀形加载介质，提高了热效率和试件加热的均匀性；采用光电转换非接触测量装置，避免了接触式顶杆对自由胀形件极点处附加应力和温度不均匀的影响；以筒形压边绝热炉内试件的温度和压力为依据，反馈调控温度和压力，提高了试件温度和压力的测控精度；在加载气路中通过准确测控步进电机转角实现调压，并控制电磁阀加载，显著增加了调控气压的响应特性．同时介绍了恒压加载、压力跃变加载以及附加背压的对向差压加载等几种自由胀形典型加载路径的实现步骤和方法，提供了测量超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值和探索提高超塑性自由胀形变形速度的新途径．     

RPC高温爆裂的微细观孔隙结构与蒸汽压变化机制的研究

活性粉末混凝土(RPC)高温下易发生爆裂破坏,升温时RPC微细观孔隙结构与内部蒸汽压的变化与爆裂密切相关.本文采用压汞和SEM方法测试了素RPC200在室温至350°C七个温度水平下的微细观孔隙结构特征,分析了比孔体积、阀值孔径、最可几孔径等孔隙特征参数随温度变化的规律.通过自行研制的蒸汽压装置量测并分析了温升过程中素RPC200内部蒸汽压的变化机制.采用"薄壁球"模型定量分析了孔隙内部蒸汽压引发RPC爆裂的力学机理,并给出了球壁任意点的应力随饱和蒸汽压q(T)、球壁特征尺寸K变化的力学计算模型.研究表明:随温度升高,素RPC200的比孔体积、平均孔径、阈值孔径、最可几孔径等孔隙特征参数明显增大,200°C是阈值孔径和最可几孔径明显增加的门槛温度.单位质量的RPC孔隙体积增大主要来自于过渡孔与毛细孔的数量与体积增加.由于未形成有利于蒸发水逃逸的孔隙通道,快速达到饱和且难以有效释放的内部蒸汽压是导致RPC高温爆裂的直接原因.作者利用"薄壁球"模型给出了对爆裂起控制作用的壁厚范围.