高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

冲击破煤过程中能量耗散的理论分析

介绍了能量在冲击式破煤过程中的产生、传递和耗散过程以及能量最终的分布范围;运用应力波的方法分析了应力波在煤体中传播过程,并得出能量在衰减过程中衰减率的计算方法;还分析了剥落厚度的计算方法,并得出正弦应力波在煤体中传播时的冲劈厚度和最大煤块尺寸的关系;根据冲击规律和能量的传递特征对能量的传递过程进行了分析,并求出冲击消耗能量和最小散逸能之间的关系,指出了要使煤块破碎必须满足冲击消耗能量要大于最小散逸能。     

节理岩体中纵波传播特性数值研究

利用通用离散元程序(UDEC)研究应力波在单个和多个平行节理中的传播规律,为了简化问题,其中的应力波为垂直节理入射的P波.数值模拟的结果表明,在单个节理的情况下,透射系数的大小只与节理的法向刚度有关,而与节理的剪切刚度和内摩擦角无关;在多个平行节理的情况下,节理数影响应力波的透反射情况,节理数增加,透射系数随着节理间距减小的变化值增大.     

基于三维节理网络模拟的顶煤块度预测研究

顶煤块度是放顶煤开采的关键,以往的块度预测方法主要是考虑节理裂隙影响的原始块度预测;而顶煤块度还与地应力及煤体的力学性质有关。以放顶煤开采的顶煤为研究对象,通过构建三维节理网络系统,对顶煤的原始块度、破断块度及放出块度的预测方法进行研究。统计分析原始构造面的空间分布状态和构造面几何参数的概率分布规律;通过Monte Carlo及破断块度修正系数模拟考虑地应力及煤体力学性质影响的三维节理网络系统;研究三维模型快速切割算法建立节理面切割的顶煤破断块度预测模型。通过提出的顶煤块度预测方法,为坚硬煤体放顶煤开采的放煤工艺过程研究提供理论和技术基础。     

不同地应力下应力波在节理岩体中传播试验

在地应力作用下,应力波在节理岩体中的衰减规律是近些年在深埋地下工程中的热点问题.本研究设计了可同时模拟单条节理和多条节理的组合砂浆试块模型试验,自制地应力加载系统,其尺寸为180 cm×80 cm×25 cm.为避免炸药爆炸应力波与爆生气体难以分离的情况,提出一种电火花震源替代炸药震源激发应力波的方法,分析了应力波在地应力荷载下单条节理和多条平行节理中的传播衰减规律.试验结果表明,当电火花激发电压为2500 V时,随着地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa,地应力对波传播有一定的抑制作用,应力波在节理岩体中有效波速随地应力的增加而增大,单条节理与多条节理岩体中透射系数都随地应力增加而减小.     

冲击破煤过程的计算机仿真

利用ANSYS/LS DYNA对冲击破煤过程进行仿真,给定不同的冲击参数方案,经计算得到刀具冲劈煤壁时应力的变化结果。依据计算结果研究各冲击参数对冲击破煤的影响,确定最佳的冲击作用时间并得出冲击力与冲击速度、冲击作用时间等参数之间的数学模型,为采煤机冲击系统的进一步优化提供了一种新途径。     

充填节理岩体中应力波传播特性研究

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将充填节理简化为不考虑厚度的位移不连续模型,考察了充填节理法向与切向力学性质的变化规律。结果表明:所推导的波传播方程计算值与相关研究结果吻合较好,通过迭代可求出反射波与透射波的数值解;在相同的节理厚度和波入射角度下,透射系数随节理接触界面刚度的增加而增大,反射系数则逐渐减小;不同节理厚度下等效法向与切向刚度均随接触面刚度的增加而增大,而随节理厚度增加,等效法向与切向刚度呈降低趋势。研究结果对揭示应力波在节理岩体中传播规律具有一定参考价值。     

不同应力波在张开节理处的能量传递规律

通过对应力波与张开节理相互作用过程的分析, 建立应力波在张开节理处传播的解析模型. 利用该模型, 研究正弦波、矩形波和三角形波在张开节理处的能量传递规律. 研究结果表明： 不同应力波在张开节理处的传递系数均随应力波幅值的增大而增大, 随空隙宽度的增大而减小;当空隙宽度大于临界宽度时, 能量传递系数为0;矩形波的临界宽度最大, 正弦波的次之, 三角形波的最小;存在一个最优入射角, 当入射角等于最优入射角时, 能量传递系数达到最大值.     

节理岩体爆破数值模拟研究

为了研究节理对岩体中应力波与爆炸能量传播的影响规律,利用动力有限元分析程序LS-DYNA分别对不同数量、宽度与充填强度的节理岩体爆破进行了数值模拟。模拟研究发现,不同赋存状态的节理均会影响爆炸应力波的传播,随着节理数量与宽度增多,波的反射增强,透射波强度减弱,应力波衰减程度加快,而充填强度越小,对应力波的阻隔作用越明显;爆炸能量在节理数量少、宽度小及充填强度大的岩体中衰减较慢,能量利用率高,爆破效果更好。     

薄膜弹丸对涂层基体冲击的界面结合强度分析

针对不锈钢薄膜弹丸冲击覆有涂层基体来考核涂层结合强度的问题,采用应力波理论和有限元计算两种方法对界面结合应力进行了分析和数值仿真。应用应力波理论分析了冲击过程中应力波传播过程与规律;采用固连失效模型反映基体与涂层结合的方法,建立了带有薄膜弹丸冲击覆有涂层基体的有限元模型;利用应力波理论和非线性有限元程序ANSYS/LS-DYNA对冲击过程分别进行了数值模拟,获得了涂层与基体间结合强度的应力分布情况。计算结果表明：应力波分析计算的结果与有限元数值仿真得到很好的相互验证。     

爆炸应力波作用下的凿岩爆破破岩模拟

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程. 采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性. 通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析. 研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.     

冲击地压震源机理研究

为了进一步理解冲击地压发生的机理,解释冲击地压发生的过程,本文在论述了冲击地压发生的刚度理论、能量理论和失稳理论的统一性的基础上,提出了冲击地压的震源机理,认为冲击地压是一个动力学过程,它包括冲击地压震源的形成,冲击地压应力波的形成及传播和在应力波作用下自由面处岩体的破坏及冲出三个子过程,冲击地压发生所需能量由震源提供,而冲击地压的破坏作用是应力波造成的。利用震源机理分析了冲击地压的发生过程,揭示了震源形成的规律,推导出了应力波最大应力峰值的计算公式,给出了应力波传播衰减规律,解释了应力波在自由面处对煤体的破坏作用。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析 ,对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明 ,高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段 ,初期以应力波作用为主 ,形成岩石损伤破坏的主体 ;后期以射流准静态压力作用为主 ,主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主 ,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎 ,其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析，对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明，高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段，初期以应力波作用为主，形成岩石损伤破坏的主体；后期以射流准静态压力作用为主，主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主，水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎，其中应力波的作用占主导地位。     

节理倾角对类岩石冲击能量传递影响的试验研究

用砂浆材料模拟不同倾角的节理岩石试件,并借助霍普金森压杆试验系统(SHPB)装置对其进行相似速度下的冲击试验,研究节理倾角对应力波穿越节理面时的波动特性和能量传递及耗散的影响,并给出能量耗散比随节理倾角变化的表达式。研究结果表明:在相似入射能量条件下,随着节理角度增大,反射能量比ER/EI(即反射波能量ER与入射波能量EI之比)先增大后减小,透射能量比ET/EI(即透射波能量ET与入射波能量EI之比)先减小后增大,且在节理倾角等于破坏角时,反射能量比和透射能量比到达极值;能量耗散比ED/EI(即节理试件耗散能量ED与入射波能量EI之比)随节理倾角的变化有所波动,分别在倾角为30°和90°时取得2个极大值。     

爆破破岩机理的实验研究

通过实验研究了在耦合装药及药包总爆炸能（Ｅ）大致相同的情况下，冲击能（Ｅｓ）与膨胀能（Ｅｂ）之间分配比例的变化，对爆炸应力波峰值及介质破碎质量带来的影响．实验结果表明，柱状药包爆炸时，在介质中先后产生原生爆炸应力波和次生爆炸应力波，前者与Ｅｓ的作用密切相关，后者与Ｅｂ的作用直接相关；介质破碎块度分布主要取决于这两个应力波共同作用的结果．据此，作者提出了原生爆炸应力波、次生爆炸应力波与介质中存在的缺陷共同作用的爆破破岩机理．     

薄壁空心球充填节理消波能力试验研究

地下水在防护工程消波层中几乎是不可避免的,采取技术措施降低地下水对消波层效能的不利影响对防护工程十分重要。为量化新型防护材料的实际效能,通过分离式霍普金森杆试验研究了在干燥与饱水两种工况下薄壁空心球粒集料对高频高幅应力波的衰减能力,并与标准砂进行对比。试验结果表明：在饱水工况下,被测材料的消波能力均有降低;但是在高幅值冲击荷载作用下,薄壁空心球粒集料在两种工况下均较标准砂表现更强的变形能力,尤其是在饱水工况下,新型薄壁空心球粒集料填充节理的应力波透射率仅为相同条件下标准砂填充节理的18.99%~37.6%。使用薄壁空心球粒集料替代传统干散砂作为消波材料可以大大提高地下防护结构消波层在饱水不利工况下的消波效能。     

破波区内波高衰减及其特性

本文从流体力学的基本方程出发,利用破波现象和明渠水跃现象的相似性,推求了破波的能量损失和波高在破波区的衰减规律;应用椭圆余弦波理论的数值计算方法,探讨了破波区内击岸波的各种特性,包括波能、相对波峰高度、辐射应力、波浪破碎前后的增水和减水及它们在整个破波区内的分布规律.按文中方法求得的计算值与实验结果相符.     

低速冲击下平行节理岩石能量传递及动力学特性

用水泥砂浆材料模拟岩样并人工形成节理裂隙,通过分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,研究不同节理间距试件在相似冲击速度下的能量传递规律、强度特征和破坏形态,进而探究冲击速度对双平行节理试件能量传递及破坏形态的影响规律.试验结果表明,相似低速冲击下,节理间距影响类岩石试件中反射波能量、透射波能量、耗散波能量的占比,节理间距越大,破碎块度越小;平行节理试件的各能量传递规律与冲击速度密切相关,能量耗散比可表征试件的宏观破坏特征;损伤变量d与冲击速度呈弱幂函数增加关系,满足d=e(-0.148-0.0101/(v-3.103)),试件破坏时的损伤值约0.72.研究结果为地下工程多节理裂隙软岩的开挖支护及稳定性研究提供参考.     

应力波在岩石直杆中传播特性及层裂研究

目的揭示冲击应力波在直杆岩体中的传播特性与层裂破坏规律,以便更好地研究围岩结构动力稳定性.方法采用RFPA~(2D-Dynamic)软件建立均匀岩石直杆数值模型Ⅰ、Ⅱ,分别施加直角三角形冲击荷载.对模型Ⅰ进行杆中及固定端应力波传播形态与理论解析对比分析,对模型Ⅱ施加5种相同峰值而持续时间不同的冲击载荷,进行直杆中应力波经自由端反射诱发层裂过程数值模拟.结果压缩应力波在固定端反射为压缩波,同时在杆两边界自由面不断产生大量剪切波和拉伸波;压缩波的峰值随着应力波的传播逐渐降低;冲击波持续时间越长,裂纹扩展范围随之扩大,萌生裂纹数量增加,裂纹间距也越长.结论冲击波传播形态数值模拟与解析理论结果具有较好的一致性;不同的冲击荷载卸荷速率对岩石直杆动态起裂位置和层裂扩展长度影响较大.