岩石结构对碎屑岩储层弹性参数影响的数值研究

结合岩石颗粒粒径分布,通过过程模拟法构建3维数字岩心,利用有限元方法研究了岩石颗粒尺寸比、颗粒大小以及颗粒分选性对岩石弹性特性的影响.结果表明岩石颗粒的大小、分选性均会对岩石的物性以及孔隙结构产生影响,引起岩石弹性模量和纵横波速度的变化.颗粒尺寸比对岩石弹性的影响是非线性的,随着大颗粒含量的增大,岩石体积模量先增大至最大值,然后再减小至趋于不变,随着颗粒尺寸比的变大,大颗粒含量对岩石弹性模量的影响增强.粒径对饱和水岩石弹性的影响弱于对干岩石的,并且粒径越小,岩石体积模量对孔隙流体的变化越敏感.随颗粒分选性变差,岩石体积模量和剪切模量及纵横波速度变大.     

砂砾岩弹性试验研究

对济阳坳陷东营北带东段地区砂砾岩体储层取样进行岩石物理试验测试.首先利用等效介质理论计算岩石基质的弹性模量;通过薄片观察和弹性模量测试,研究砂砾岩Biot系数变化特征,分不同岩性利用曲线回归干岩样的Biot系数与φ/φc(φ和φc分别为岩石孔隙度和临界孔隙度)关系式模型,根据扩展的Biot-Gassmann关系式计算出流体饱和后的岩石弹性模量,将预测纵横波波速与实际测试进行对比;最后通过岩石物理试验测试,验证Biot-Gassmann理论用于分析砂砾岩弹性特征的适用性.结果表明:利用HS边界模型计算的弹性模量更接近岩心的实际基质弹性模量,比取经验值精确,且降低了岩样流体饱和后的敏感性影响;Biot系数反映岩石孔隙的刚度,孔隙度大的系数大,它随着有效压力的增大而减小,与岩石的岩性、矿物组成、内部结构有关;利用扩展Biot-Gassmann理论预测纵横波速度得到满意结果,简化了估算纵横波速度的过程.     

微孔结构对多孔材料细观力学特性的影响

在三维孔隙材料如泡沫材料中，胞孔的形状及大小并非完全均匀，因此借助二维均匀化方法来讨论胞孔形状及大小对多孔材料性能的影响。在线弹性范围内，根据均匀化理论，基于虚位移原理，结合有限元方法推导出二维周期性结构的均匀化的有限元格式。取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，将三维孔隙材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结构，来计算不同微孔形状及大小下的等效弹性常数；比较分析了微孔结构对多孔材料等效弹性常数的影响。计算结果分析表明，多孔材料的等效弹性参数不仅取决于微孔结构的数量，而且对微孔结构的形状也有一定程度的敏感，同时对基体材料的泊松比的变化敏感与否也与微孔结构有关。     

基于能量法不同壁厚类蜂窝共面力学性能研究

基于三明治蜂窝夹层板理论,运用能量法对等壁厚和双壁厚类蜂窝夹芯结构的共面等效力学特性进行研究,推导类蜂窝夹芯结构的共面等效弹性常数的计算公式,同时通过实例对比分析等壁厚与双壁厚类蜂窝夹芯的共面等效弹性参数.研究结果表明:运用采用能量法与改进Gibson公式得到的共面等效弹性常数的计算公式结果一致,进一步验证了类蜂窝胞元等效模型的正确性,以及能量法推导过程的合理性;同时从不同壁厚类蜂窝力学特性对比中可以看出,随胞元壁厚与胞元边长之比逐渐增大,等壁厚与双壁厚类蜂窝的共面等效弹性参数差别也越来越大,该结论为进一步研究由不同壁厚蜂窝夹芯构成的蜂窝夹层结构的整体力学性能提供了参考.     

超轻多孔类蜂窝夹心结构创新构型及其力学性能

通过优化排列六边形和四边形夹心胞元,以六边形和四边形的组合设计胞元结构,提出了类蜂窝夹层结构的概念并对其进行了创新构型;基于Gibson提出的胞元理论,建立了类蜂窝夹心结构力学等效模型,并推导出了等效模型的等效弹性常数公式。以卫星结构的蜂窝夹层板作为应用实例,对类蜂窝和正六边形蜂窝夹心结构的等效力学常数进行了计算对比,结果表明:两者的等效弹性模量近似相等,然而类蜂窝夹心结构的等效剪切模量却有较大提高,同时等效密度更小,可有效减小结构的质量。对卫星结构类蜂窝夹心结构进行了数值模拟研究,验证了类蜂窝夹心结构力学等效模型的正确性。     

袋式除尘器花板等效力学性质分析

将均匀化方法与有限元法结合起来,采用单胞法分析周期性分布、含圆孔袋式除尘器花板的等效力学性质,通过对含密集型周期分布圆孔袋式除尘器花板的挠度和模态对比分析,证实了均匀化方法的有效性,进一步研究了花板圆孔半径和圆孔中心距对花板等效弹性常数的影响规律.结果表明:a.在圆孔半径相同情况下,随着圆孔中心距的增大,花板等效弹性模量逐渐增大,但等效泊松比逐渐减小;b.在圆孔中心距相同情况下,随着圆孔半径的增大,花板等效弹性模量逐渐减小,但等效泊松比逐渐增大.     

岩石的孔隙弹性研究

论述了在干燥和饱和两种情况下,玫瑰 有效体积模量于孔隙弹性模量的关系。孔隙弹性模量描述了孔隙对岩石等多孔材料的弹笥性质的影响,利用其可导出在地震勘探和石油测井界应用很广的Ｇａｓｓａｍａｎｎ,该方程建立在线性弹性假设之上并仅限于低频范围。还阐述了有效压力的概念和计算方法。提出孔隙流体变化时岩石有效模量的计算,及利用孔隙弹性模量辨别储层中不同汉体类型的计算方法。     

Love波在预应力流体饱和双重孔隙介质层中传播的特性

基于扩展的Biot理论,研究了覆盖于各向异性不均匀弹性半空间上的受预应力流体饱和双重孔隙介质中Love波的传播.推导了速度的频散方程以及Love波速的上下界限,讨论了孔隙率、不均匀性、各向异性和预应力等参数对波速的影响.通过数值计算,结果发现孔隙介质层基质孔隙的孔隙率、裂隙孔隙率及基质孔隙的孔隙率占总孔隙率的比重越大,Love波的波速越大;随着不均匀程度的提高及各向异性系数的增大,Love波的波速增大.无论是在双重孔隙介质层中还是弹性半空间中,预拉应力会使Love波的波速提高,而预压应力会降低Love波的波速.     

三维应力作用下砂砾岩孔隙型渗流

为了掌握砂砾岩在三维应力作用下的渗流规律,开展了理论和试验研究。把渗透系数设定成孔隙率变化量的函数,再基于孔隙弹性理论推导孔隙率变化量和应力之间的关系,建立了孔隙型岩石的渗流应力耦合特性关系式,其表明平均有效应力是控制孔隙型岩石渗透系数变化的主要因素。在渗流-三轴应力耦合试验机上开展的砂砾岩渗流应力耦合试验的结果进一步证明,砂砾岩渗透系数与平均有效应力成负指数函数关系。根据理论分析和试验结果建立了砂砾岩在三维应力作用下的耦合特性关系模型。     

考虑内部缺陷的FRP拉索力学行为仿真分析

通过扫描电子显微镜观测了纤维增强树脂基复合材料(FRP)拉索的内部原始缺陷形态与结构,基于Python-ABAQUS建立了含孔洞缺陷的微观模型来分析拉索的多尺度力学行为.结果 表明:孔隙率与孔洞长径比是影响纤维丝等效弹性模量的主要因素,在相同孔隙率和孔洞体积下,等效弹性模量随孔洞横截面积减小而增大.由于孔洞分布位置的随机性,数值模拟得到的纤维丝等效弹性模量比Mori-Tanaka理论计算值偏高.当纤维丝内部的孔洞的长径比小于1时,孔洞分布位置对等效弹性模量的影响最大.基于纤维束的随机破坏本构关系,采用用户自定义子程序建立了宏观尺度拉索和单筋的多尺度有限元模型,探究了微观和细观尺度的缺陷对宏观性能的影响.最后,采用不同Weibull参数与含内部缺陷的纤维束力学参数,发现FRP单筋和拉索模型的仿真结果与试验结果比较相符.     

煤层应力对裂隙渗透率的影响

从各向同性线弹性材料应力应变关系出发,考虑气体解吸引起的基质收缩效应和孔隙压力对储层应力的影响,建立了包含基质压缩系数、裂隙体积压缩系数和流体压力项的渗透率动态变化方程,分析了储层力学参数对渗透率变化的影响.结果表明:排水降压初期,有效应力处于主导地位,裂隙发生压缩变形,渗透率降低;气体解吸后基质收缩占主导地位,裂隙张开幅度增大,渗透率升高;弹性模量、泊松比越大,基质变形程度越大,渗透率呈先降低后升高的回归趋势越明显,弹性模量较泊松比对回归趋势的影响更大;当孔隙压力较高时,低孔低渗煤层渗透率随孔隙压力降低变化的幅度不大;裂隙体积压缩系数变化的起始压力点可以根据不同起变压力下渗透率与储层压力的关系确定.     

孔隙湿度对混凝土初始弹性模量影响

采用细观力学方法研究湿态混凝土中孔隙及孔隙水对材料初始力学性能的影响.混凝土材料细观孔隙分为活性孔隙和非活性孔隙两类,其中活性孔隙湿态情况下将由孔隙水填充.将非活性孔隙和孔隙水作为两类夹杂,理想无孔隙混凝土作为基体,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了双类夹杂模型.该模型考虑了不同饱和度孔隙水的水化效应和粘滞性对混凝土力学性能的影响.理论结果和试验数据比较表明,该模型可以较为准确地预测孔隙及孔隙水对混凝土弹性模量的影响.     

致密砂岩孔隙结构预测

孔隙结构对岩石弹性性质有着重要影响。因此,利用有效介质理论模型计算岩石弹性模量时必须要考虑这一因素。自洽等效介质理论通过改变模型中孔隙形状及其含量来计算岩石的弹性模量,进而得到岩石纵波速度。提出一种反向自洽模型(RSCM),利用该模型可通过岩样孔隙度和纵波速度预测岩样的等效孔隙结构及其含量。为验证其正确性,实验室测量了9块干燥砂岩样品的孔隙度和速度,并利用该方法估计了该组样品的孔隙形状参数(α)及其含量,而且利用X-CT对该组样品进行扫描成像分析其内部孔隙结构,并与预测结果进行对比分析。结果显示,预测结果和观测结果比较一致,从而证明RSCM方法的可行性。     

孔径及孔隙率对火山岩强度特性影响的模拟

在对火山岩圆球形孔隙结构研究的基础上,运用岩石破裂过程分析系统模拟了火山岩单轴压缩过程,研究了孔径及孔隙率对火山岩岩石变形强度特性的影响.研究结果表明:孔径从0.1 mm增加到0.3 mm,极限应变的降低百分率随着孔隙率的增加保持在一定范围内波动;弹性模量的降低百分率随着孔隙率的增加逐渐增加,并且呈现明显的线性增加趋势.在恒定孔隙率下,孔径对其影响主要表现在随孔径的增大,破坏模式由剪切破坏逐渐向劈裂破坏过渡.     

高温后花岗岩密度及波动特性的试验研究

测试了25块花岗岩试件在经历不同高温前后的密度、纵波波速等物理特性常数，并由测得的纵波波速间接计算出花岗岩的弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩密度、纵波波速和弹性模量的变化情况．测试结果表明，经历高温后花岗岩的密度和纵波波速等物理特性常数与常温相比均有不同程度的减小，而且随加热温度的升高，减小的幅度增大，但是纵波波速的变化幅度要比密度的变化幅度大得多；根据物理特性常数计算的弹性模量的变化幅度要远大于根据力学常规压缩方法测试计算的弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石物理性质(纵波波速等)的变化比力学性质的变化更剧烈．     

形状记忆合金短纤维增强复合材料的热相变行为

基于Eshelby等效夹杂模型和Mori—Tanaka的场平均法，考虑到形状记忆合金材料的强物理非线性和基体材料的弹塑性，发展了增量型的等效夹杂模型．基于该模型，探讨了形状记忆合金短纤维增强弹塑性基复合材料在应力自由状态下的热相变特性，特别研究了基体材料的塑性对复合材料热相变特性的影响．计算结果表明：当基体进入屈服阶段后，在复合材料卸载过程中出现残余应力；弹塑性基体复合材料的特征相变温度偏移随纤维体积分数的变化规律与弹性基体复合材料的变化规律不同，其热相变特性有显著的区别．     

混凝土等效弹性模量细观影响因素

目的研究混凝土等效弹性模量细观影响因素及细观损伤特性.方法将混凝土简化为两级二相复合材料的叠加,基于Eshelby和Mori-Tanaka方法,在砂浆和界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)引入微孔洞,建立混凝土等效弹性模量和三组相体积分数、弹性模量之间的关系,用混凝土等效弹性模量的退化来表征混凝土的损伤,推导混凝土初始损伤与孔隙率之间的关系.结果混凝土等效弹性模量随着界面过渡区厚度的增加而降低,随着孔隙率特别是界面过渡区孔隙率的增加而降低,针片状粗骨料颗粒使得混凝土等效弹性模量分布不均匀;混凝土损伤变量与砂浆内孔隙率呈线性关系,与界面过渡区内孔隙率呈指数关系.结论界面过渡区厚度、粗骨料形状和孔隙率对混凝土等效弹性模量有明显影响,微缺陷会降低混凝土弹性模量,尤其是界面过渡区上的微孔洞对混凝土损伤的影响较为显著.     

含流体相应力杂交单元等效弹性模量的分析

在页岩气开采的过程中,对含有大量微孔洞的页岩的真实模拟存在困难,因为往往涉及到带有流体孔洞问题,其中最主要的是拉格朗日网格与欧拉网格的过渡问题。针对这一问题,建立了一种带有流体的固体单元模型。在流固交界面引入面力平衡条件后,得到了它的修正余能泛函,并推导出一种新的带流体的应力杂交元。在与普通商业有限元软件MARC对比验证其有效性后,分别研究了在形状、体分比、空间分布位置、半径改变时模型等效弹性模量的变化。结果表明,不同形状对等效弹性模量影响不大;同体分比时,含流体孔半径增大,等效弹性模量也随之增大;体分比增大时,模型等效弹性模量逐渐下降;角度逐渐增大时,等效弹性模量逐渐减小,并且下降幅度逐渐减小。模型在流固交界面发生应力集中,且集中方向为孔的上下两侧。     

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系，开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线，计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度，分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明：轴向弹性模量随围压的增大而增大，随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大，能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大，岩石储能能力提高；随着轴向应力增大，弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段，围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.     

构造煤微观结构对其吸附特性的影响实验

为研究构造煤孔隙微观结构及其对瓦斯吸附的影响,采用压汞实验及PCT高压吸附实验,针对澄合矿区典型构造煤煤样进行孔隙结构分析及吸附特性测定,通过实验数据计算煤样孔隙体积及表面分形维数,分析构造煤微观孔隙结构对瓦斯吸附特性及吸附常数a、b值的影响。研究结果表明:煤样总孔容以大孔贡献为主,总比表面积微孔占比最高,各煤样间大、中、小及微孔占比基本相近,煤样坚固性系数与其总孔容成反比;吸附常数a与煤样微孔孔容、比表面积呈正相关关系,吸附常数b随着煤样大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;随着总比表面积增加,单位质量煤瓦斯吸附量逐渐增加,即微孔比表面积越大,瓦斯吸附能力越强;煤样孔隙体积及表面分形维数均可分为两部分,大、中孔隙分形维数在2～3之间,该段分形特征较为明显且孔隙结构复杂,孔隙体积分形维数与吸附常数a呈正相关关系。