自由面对应力波反射诱发层裂过程影响的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版岩石破坏过程分析系统RFPA2D数值模拟软件,对冲击载荷作用下非均匀介质中应力波反射诱发层裂过程进行了数值模拟,重点探讨了不同自由面情况对层裂过程的影响.结果表明：动态版RFPA2D数值模拟软件可以逼真地模拟其过程;在不同自由面情况下,应力波传播至自由面产生反射诱发层裂破坏,除与应力波的峰值、延续时间和波形等有关外,还与应力波传播的方向有关,如果相同应力波垂直入射至自由面比斜入射至自由面更容易诱发层裂破坏的发生;当应力波平行入射至自由面时不会诱发层裂破坏.     

混凝土桩锤击施工时层裂破坏的有限元分析

对混凝土桩锤击施工中出现的桩身层裂破坏现象进行分析。应用大型有限元计算软件LS-DYNA对混凝土桩在软土地基中锤击施工时的破坏现象进行模拟,结合一定的理论模型讨论,分析打桩过程中产生层裂破坏现象的各种影响因素。分析结果表明：应力波的入射压缩和反射拉伸直接影响桩身裂缝的开展情况。研究结果对混凝土桩的设计、制造与锤击施工有一定的指导作用。     

装药爆炸下地下拱形结构变形及破坏特征分析

地下拱形结构侵彻爆炸下涉及许多复杂的物理过程,即装药的爆炸、弹坑的形成、冲击波的传播、应力波在岩石介质中的传播以及岩石与结构的相互作用.为了解决上述复杂问题,利用非线性动力有限元软件LS-DYNA对常规武器侵彻爆炸作用下地下拱形结构的动力响应展开研究.通过数值模拟可较直观地了解应力波的传播过程,及爆炸应力波在拱形结构物中传播及与周围围岩的相互作用.对爆炸应力波作用下拱形结构的变形和破坏特点进行了分析.数值计算结果表明,在爆炸应力波作用下钢筋混凝土结构内侧受反射拉伸波作用产生震塌破坏,加大药量时结构的震塌破坏程度加重,大约在距拱中心线1/4处产生应力集中,形成塑性铰.可为工程设计、改造加固及战时快速抢修提供有益的参考.     

岩石洞室受爆炸应力波作用的破坏效应

基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石洞室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应.总结了洞室宏观破坏的一般规律,编制出新的洞室破坏分区表.水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中洞室应力波破坏的特征,扫描电镜试验表明洞室微观损伤破坏的变化规律与宏观破坏现象具有一致性.在数值模拟研究中采用了实测经验应力波规律和能表现材料破坏后性能劣化及脆性破坏非连续各向异性发展的材料模型,创建了适用的洞室工程破坏准则,编制了动力有限元参数化分析的计算程序,计算了大量模型的洞室破坏历程和最终工程状态,工程实例计算表明数值模拟方法是合理可行的.通过数值模拟研究了在不同荷载、工程特征、地质特征下岩石洞室破坏的定性和定量特征.     

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.     

爆炸应力波在层状岩体中的传播与衰减

针对层状岩体的特征,研究爆炸应力波中的平面波在层状岩体界面上的透、反射关系以及球面波在各岩层中的衰减特性,分析爆炸应力波在层状岩体中的传播和衰减规律.研究表明,爆炸应力波在各层岩体中随传播距离的增加而衰减,衰减速度分别与各层岩体的衰减系数有关;爆炸应力波在经过不同岩层界面时的强度增减与层面两侧岩体的阻抗有关.在相同传播距离内,层数较多、软硬相间的层状岩体对爆炸应力波有更大的衰减.当爆炸应力波经层状岩体传播后作用于地下结构时,层状岩体能更好地保护其下方的结构.     

强爆炸应力波作用下岩石地下洞室的破坏现象学

为了发展更准确实用的地下洞室抗爆工程类比设计方法,对强爆炸试验中地下洞室工程破坏效应进行了综合研究.讨论了强爆炸岩体应力波与自由场岩体破坏、岩石洞室应力波破坏的一般图像、洞室关键破坏部位与破坏方式、洞室破坏影响因素以及洞室破坏分区的问题.洞室的破坏在根本上是由爆炸荷载决定的,地质介质特征在很大程度上控制了洞室破坏的表现形式,洞室工程特征的变化又可使破坏程度和细节破坏形态发生改变.若场地岩体较均质、应力波传播和洞室破坏定量规律较清楚,工程设计时可先按破坏分区表进行洞室破坏的一级估计,然后再计入局部因素进行修正.     

钢筋混凝土圆杆中的应力波传播及层裂研究

利用Φ74 mm的Hopkinson压杆对圆柱型钢筋混凝土试件进行了波传播实验和层裂实验研究,利用应变片记录杆中应力波信号,使用高速摄影机拍摄试件的拉伸破坏过程.实验结果表明：在较低的加载速率下,应力波在钢筋混凝土试件传播过程中呈现弹性波特性,不弥散不衰减;在较高的加载速率下,钢筋混凝土试件出现层裂现象,层裂强度在7 MPa左右;断裂试件中的裂纹在拉压应力波交替作用下反复张开闭合,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定.     

柔性材料对爆炸载荷的缓冲效应研究

建立了柔性材料桙钢复合壳体在爆炸载荷作用下应力波传播问题的完备方程组;使用有限元方法完成 了对复合壳体在爆炸载荷作用下应力波传播规律的系列数值模拟,并着重讨论了不同炸药层和柔性材料层厚度 对柔性材料与钢交界面载荷的影响。     

极端冲击条件下脆性破坏的物理机制

对近十年来玻璃和陶瓷介质在极端冲击条件下的实验研究,破坏现象和物理模型进行了总结,重点分析了低于Ｈｕｇｏｎｉｏｔ应弹性极限时玻璃介质中的玻破坏波现象和陶瓷听拉伸／压缩损伤过程,指出Ｒａｓｏｒｅｎｏｖ的表面微裂纹扩展和Ｃｌｉｆｔｏｎ的相变机制在解释脆性材料破坏过程中的合理性及其不足之处,分析了Ｅｓｐｉｎｏｓａ的微裂纹多面模型和Ｐａｒｔｏｍ的自持续破坏波模型在模拟玻璃介质中的破坏波现象时存在的主要问题     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

热采环境泥岩层应力演化规律及破坏机理研究

深入认识热采环境下泥岩层的应力演化规律及破坏机理,有助于科学有效地解决稠油藏注汽过程中的盖层破裂问题及隔夹层遮挡问题。首先,从理论上定量研究了热采油藏泥岩层的传热、增压机制,分析了变温、变压条件下泥岩层不同的应力演化规律及破坏模式;然后,针对一加拿大热采项目的盖层破坏事件,开展了泥岩盖层热水应力全耦合数值模拟研究,揭示了热采环境下泥岩层的破坏机理及关键影响因素。结果表明,热采环境中泥岩层应力演化主要受热增压影响;孔隙压力远高于注汽压力,峰值位于孔隙水最大热压力系数所对应的温度附近;孔隙压力峰值附近岩层可能发生拉伸破坏和剪切破坏。热采油藏合理注汽方案的制定必须充分考虑泥岩层的热水应力耦合效应。     

湿式多片离合器翘曲特性模拟与试验

根据湿式离合器摩擦片实际几何尺寸和约束情况,建立摩擦副温度场、应力场耦合模型和对流换热系数模型。应用ANSYS/LS-DYNA软件对摩擦副进行瞬态热结构耦合分析,对过载试验中产生的对偶钢盘热弹性失稳现象进行数值模拟。揭示了热点在对偶钢盘周向和2个摩擦表面上的分布情况,分析了热弹性失稳现象中对偶钢盘应力应变的分布,并对其应力分布规律进行测试。结果表明,局部热点和接触压力有相互促进作用,温度梯度产生的热膨胀和应力集中引起对偶钢盘的翘曲,热弹性失稳导致的热衰退使对偶钢盘破坏失效。     

岩石破坏过程中波速变化特征

在单轴阶段加载条件下,对取自闽南地区的闪长岩岩样进行了不同方向上纵波传播速度的测试.首先根据实验结果总结出不同方向波速在岩石破裂过程中的变化规律,然后基于应力微小变化范围内波速与应力遵循线性关系的假设构建波速-应力关系模型,最后通过多参数分段拟合方式求解模型待定系数.研究结果表明:平行于加载方向的波速在压密阶段快速上升,岩石破裂前的波速降不明显.而垂直于荷载方向的波速在压密阶段少量上升后在临近岩石破裂出现非常明显的波速降.波速-应力关系模型通过参数的变化可以准确地描述不同方向波速的变化过程,证明了模型的适用性.     

渗碳齿轮钢残余内应力的研究

为了探讨残余内应力、接触疲劳强度间的关系,用化学剥层法在X射线应力仪上测定了失效前后经不同渗碳工艺处理的几种渗碳齿轮钢的残余内应力分布.测得渗碳层的残余内应力均为压应力,并且沿渗层呈现一个波峰、两个波谷的复杂分布;分析认为失效后残余内应力的释放程度与渗碳层碳的浓度梯度有关,对碳钢来说,在一定有效层深范围内(＜1.0 mm)残余压应力对材料的接触疲劳强度有有益的作用.     

Behavior of gravity waves with limited amplitude in the vicinity of critical layer

By using the FICE scheme, a numerical simulation of three-dimensional nonlinear propagation of gravity wave packet in a wind-stratified atmosphere is presented. The whole nonlinear propagation process of the gravity wave packet is shown; the propagation behavior of gravity waves in the vicinity of critical layer is analyzed. The results show that gravity waves encounter the critical layer when propagating in the fair winds whose velocities increase with height, and the height of critical layer propagating nonlinearly is lower than that expected by the linear gravity waves theory; the amplitudes of gravity waves increase with height as a whole before gravity waves encounter the critical layer, but the increasing extent is smaller than the result given by the linear theory of gravity waves, while the amplitudes of gravity waves reduce when gravity waves meet the critical layer; the energy of wave decreases with height, especially at the critical layer; the vertical wavelength reduces with the height increasing, but it does not become zero.     

围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOLMultiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.     

多层介质中瑞雷波传播的数学模型

地面军事目标如坦克、装甲车辆行进时会产生地震波：在地层中传播的体波和在地表面传播的瑞雷波。当探测点距目标较远时,传感器检测到的目的运动产生的地震信号成份主要为瑞雷波。利用地震波对地面军事目标探测,主要是对瑞雷波探测和识别。该文根据地质模型假设,推导出多层介质条件下由点震源的作用在介质中引起的瑞雷波的传播模型,并用此模型对不同目标运动时所产生的瑞雷波信号加以预测。