地质力学模拟试验系统研究进展及关键技术

总结了几项地质力学模型试验技术的研究成果,分别从地质力学模型试验相似比尺的选择、相似材料的选择、模型的开挖与支护和数据的采集与分析4个部分阐述了试验过程中的关键技术问题,最后对地质力学模型试验系统的发展趋势进行了阐述。     

一种页岩相似材料的配制及其力学性能的研究

以地质力学模型试验的相似理论和相似材料的选择原则为基础,以砂子为骨料,石蜡为胶结剂,石膏为调节剂作为相似材料制成了一批可以模拟页岩的模型试件。该相似材料满足相似原理,且具有取材方便、经济成本低、制作工艺简单、成型时间短以及变形量大等优点。对5种不同配比下的软岩相似材料试件进行了大量的单轴、三轴试验,验证了该相似材料模拟页岩具有可行性。结果表明,该相似材料的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角随砂胶质量比的增大而减小,泊松比随砂胶质量比的增大而增大。该研究为进一步的模型试验提供了理论指导。     

基于地质力学模型试验的岩体相似材料配比研究

为了确定适用于模拟实际工程岩体的相似材料及其配比,以相似材料中重晶石粉、膨润土和胶水的质量占比为研究对象,根据地质力学模型试验的相似原理,设计了4种配比试验。通过单轴压缩试验获得了不同配比下相似材料的应力-应变曲线,采用最小二乘法进行曲线拟合得出其变形模量,并与实际工程岩体进行对比,然后对相似材料中的各组分进行敏感性分析,确定了该试验所采用的最终配比。结果表明:重晶石粉∶膨润土∶胶水=12∶0.3∶1.5(工业胶∶水=1∶2)时,重晶石粉、膨润土和工业胶的质量占比分别为89.96%、2.17%和3.63%,该配比下相似材料密度为2.0 g/cm~3时,相应的变形模量和抗压强度分别为87.45、0.686 MPa。因此,该配比下的相似材料能够模拟力学参数范围大的岩体,可以为地质力学模型试验提供依据。     

尺寸效应在岩体相似材料模型试验中的应用

定义了相似材料模型试验中原型和模型的概念,更合理的解释了模型试验中的相似关系,并在原型岩体和模型体中,分别引入了尺寸效应理论,提出一套修正的模型材料参数确定方法.运用准岩体强度和相似材料尺寸效应理论,对工程中相似材料模型试验中的力学参数进行了修正,结果说明了所提出修正方法的合理性.     

公路梁桥车桥耦合振动模型试验设计及校验

根据公路桥梁车桥耦合振动特性及结构动力模型试验的相似理论,基于π定理,采用量纲矩阵分析方法,推导了车桥耦合振动模型试验相似律.几何相似比尺取10,计算了车桥耦合振动缩尺模型试验系统的相似常数;以30 m简支梁桥和330 kN载重汽车为原型,设计制作了包含有机玻璃模型桥、试验小车及附属部分的车桥耦合振动模型试验系统.通过试验测试与理论分析对比,校验了模型桥、试验小车动力特性;以单车荷载按正常行车道位置行驶在光滑桥面为例,研究了模型桥的静态和动态响应,并将模型桥测试结果与Matlab数值模拟结果对比,校验了车桥耦合振动相似理论.研究结果表明:提出的车桥耦合振动缩尺模型试验相似律关系正确,设计制作的车桥耦合振动模型试验系统可行,模型桥基频误差为0.01%,模型试验车基频理论值与实测值相差3%,试验测试结果可靠.     

水工结构的抗震模型试验

在水工结构的抗震研究中,模型试验仍是一个常用的重要手段。但是,对于动态模型试验来说,在相似条件的确定;材料选择和模型制作;材料动力性能和模型动力反应的测定等方面,都是比较麻烦的,近几年来,我们在进行三三○工程二江泄水闸和刘家峡拦河坝等抗震模型试验中,对上述这些问题,作了一些初步的研究,本文将介绍我们工作中的一些经验。     

基于正交设计的土质相似材料配比试验研究

以黏土、重晶石粉、粉细砂和膨润土为原材料,配制振动台模型试验中的土质相似材料,并基于正交设计方法,通过直接剪切与压缩试验,对影响土质相似材料物理力学参数的各配比因素进行敏感性分析.结果表明,不同配比相似材料的参数取值范围较广,能够满足大部分模型试验对土质相似材料的要求.研究成果可为类似模型试验土质相似材料的配比选取提供参考.     

混凝土侵彻试验相似准则验证分析

提出了用混凝土侵彻模型试验代替原型试验的方法,建立并验证了混凝土侵彻试验的相似准则.基于相似理论,推导了包括材料、弹速、着角、几何关系等因素的混凝土侵彻试验相似准则.为了验证相似准则,进行了1发原型试验和7发模型试验.由于模型试验的弹速不够接近原型试验的弹速,在模型试验数据处理中引入了灰色系统理论,建立了最大侵彻深度灰色预估模型.通过模型试验相应弹速的灰色预估值与原型试验结果的相似对比及误差分析,说明模型试验能够满足要求.     

多跨斜拉-自锚式悬索组合体系桥全桥静力模型试验

为了验证多跨斜拉自锚式悬索协作体系桥梁结构的力学特性,以汉中西二环龙岗大桥为原型,依据静力相似理论,设计制作了1/20的全桥缩尺模型,重点研究了桥塔、主梁、拉索、吊杆的材料及截面设计原则,分析了它们在制造过程中的工艺难点及解决方法,制定了该类桥梁静力试验工况。结果表明：对弯压性质的模型试验,应采用截面的抗弯刚度和抗压刚度相似作为设计原则,受缩尺效应的影响,在试验前应全面考虑各材料选取、传感器的尺寸及位置等;成果可供以后类似工程模型试验提供借鉴;试验实测值与实桥换算的理论值吻合较好,模型桥反映的实桥受力特性良好。     

拱坝地质力学模型试验技术探讨

本文对拱坝地质力学模型试验研究的几个重要技术问题作了初步探讨.文中论述了模型类型及模型比、模型制作、模型坝及坝基模拟技术、加荷方法、量测系统及试验程序等内容方面的一些新见解和提供的新试验技术.并针对这类试验目前存在的关键问题,提出了改革的途径.     

重力坝深层抗滑稳定试验中结构面变位测试技术

软弱结构面内部相对变位的测试一直是重力坝深层抗滑稳定试验中的一个重点和难点。以电阻应变技术为基础,成功研制了适用于地质力学模型中软弱结构面相对变位量测的位移传感器。该传感器体积小,精度高,同时设置有隔热装置,不受升温降强的影响,稳定性好。介绍了该位移传感器的设计思路、工作原理,并将该传感器应用于某重力坝三维地质力学模型综合法试验中,获得了主要结构面的内部相对变位,为大坝稳定性分析提供了科学依据。     

考虑应变率效应的钢制车轮冲击仿真与试验

针对应变率效应对钢制车轮冲击性能的影响,通过对钢制轮毂进行不同应变率下的材料实验,拟合出综合考虑多种应变率的轮毂材料本构模型.基于该本构模型,根据GB/T 15704 1995建立13°冲击工况下钢制车轮冲击有限元模型,结合冲击物理试验对比分析冲击仿真结果,验证本构模型和冲击模型的正确性.提出一套基于冲击性能的高精度钢制车轮仿真分析方法,为我国汽车钢制车轮的设计与开发提供借鉴.     

无粘结预应力混凝土梁非线性有限元分析

针对无粘结预应力混凝土梁中的预应力钢筋与混凝土之间没有粘结,二者应变不协调,采用传统的平均应变平截面假定理论无法正确分析梁的工作性能,给相关研究带来了一定困难的情况,采用非线性有限元分析的方法,从材料本构关系、单元选、模型建立等方面介绍了无粘结预应力混凝土梁的模拟分析过程,并将模拟分析结果与模型试验结果进行了对比分析,以供相关研究参考．     

基于实测的车轮虚拟试验台搭建及参数修正

为了提高某A级车平台轮毂的性能,车轮的设计过程中要通过台架试验来确保产品符合结构耐久性的要求.尝试通过搭建虚拟试验台来快速预测台架上车轮应力状态,以台架试验贴片应变仿真为研究内容,将实际台架试验与数值实验分析相结合,考虑多种因素对仿真结果的影响,如螺栓紧固力大小、球面螺栓和轮辐接触面的相互作用、焊缝的模拟、轮辋和轮辐之间的装配过盈量、加载轴刚度、冲压工艺等参数,进行不同方案的对比分析.扫描轮辋和轮辐的三维尺寸,测量冲压工艺使轮辐产生的厚度变化,修正有限元模型的参数使仿真应变输出与实测应变输出更相近,从而更准确地模拟台架试验,初步搭建了车轮的虚拟试验台.     

小型等离子体多相流模拟烧蚀系统的构建与运用

在高超声速飞行器的研制过程中,热防护技术是急需攻克的关键问题之一。在热防护材料研发的初期和中期,通过模拟烧蚀试验可大大加快材料配方筛选与工艺优化进度、降低成本。针对高超声速飞行器热防护材料的使用要求,提出了基于小型等离子体多相流的模拟烧蚀试验方法;基于自动化技术开发了参数精确控制的模拟烧蚀试验系统;该系统可产生高焓、高温和高热流密度的等离子射流,射流中可注入固相粒子,模拟高超声速飞行器飞行过程中的热力环境。在此基础上,运用测量表征与数值计算相结合的手段研究了系统流场特性,为试验参数的选取与优化提供了理论依据。最后,运用系统对某型三维四向C/C复合材料进行了耐烧蚀性能测试和分析。结果表明,该试验系统可为热防护材料的配方筛选、热结构部件的优化设计和性能评价提供实用可靠的途径。     

铁精砂相似材料力学性质试验研究

依托于某工程项目,以隐晶质玄武岩为模拟原型,选择相似材料最优配比,以便后续物理模拟等研究工作。相似材料由石英砂,重晶石粉、铁精粉和松香酒精溶液混合后击实而成,该材料具有高重度、低强度的特征。从材料选择、模具设计、试样制备、室内力学试验等方面开展了综合性模型相似材料的试验研究,最终获得满足试验要求的材料组成及配比。经试验研究发现,通过改变配比,可以调整相似材料的抗压强度及抗剪强度参数,从而为以后的相似材料研究提供可以参考和借鉴的依据。     

碳纳米管柔性应变传感器在智能纺织品中的应用

智能纺织品不仅拥有日常穿着的所需功能,而且兼具智能性,柔性纺织材料的选择是当前纺织材料研究的重点。在柔性材料中,碳材料是制备柔性应变传感器的理想材料之一。以碳纳米管为柔性材料制备的柔性应变传感器在智能纺织品中的应用为研究内容,从碳纳米管的结构组成、性质及其应用等方面,介绍碳纳米管柔性应变传感器的研究现状;从材料选择、制备方法、性能测试及应用等方面,阐述以碳纳米管纤维和碳纳米管薄膜为柔性材料制备的柔性应变传感器的特性和功能;从制备难点、生产成本、实际应用效果等方面,对碳纳米管柔性应变传感器的优缺点进行评述。研究认为,在大应变下具有高灵敏度将是今后碳纳米管柔性应变传感器研究的方向。     

河口海岸模型验证方法及其性能比较研究

模型验证是河口海岸模型建立和应用的关键步骤,传统的方法包括主观评价、可视化技术、误差估计及统计检验等量化方法,但各种验证方法的性能优劣尚无明确的结论。为探讨各种方法的性能,本文对常用的几种量化方法的性能进行比较,并提出了一种基于统计检验的定量的模型验证方法。研究表明:即使在模型数据的误差明显时,Skill、相关系数和决定系数也可能保持较大的值,因此使用这些量化指标进行模型验证需谨慎。相对于绝对误差、均方根误差、Skill等常用量化指标,统计检验法既能有效地量化模型模拟的误差,亦能有效减小模拟结果中的异常值对整体模拟效果的影响。由于误差分布的原因,统计检验方法不适用于往复流的流向验证。     

35CrMo曲轴热成形材料模型的研究

本文通过对大型曲轴用钢３５ＣｒＭｏ 的热力模拟试验和数据处理,探讨了曲轴弯曲镦锻的热成形机制,研究了变形温度、应变速率等参量对３５ＣｒＭｏ 钢应力应变关系和再结晶特征的影响。建立了该类钢热成形的材料模型、给有限元数值模拟曲轴弯曲镦锻热成形过程提供了基本数据,也为大型曲轴热成形力能参数和温度制度的合理确定提供了科学依据。材料模型的确定,对于研究热成形实质,预报与控制工艺质量和产品质量乃至新工艺开发都有重要意义。     

材料拉伸实验操作计算机仿真

针对Reger电子式拉伸试验机,以Flash mx2004为主要工具,开发出材料拉伸实验操作仿真系统。该系统由试验机构造与工作原理、开机与关机、夹具与试样安装、操作过程演示与练习、模拟实验五大模块构成。各模块的运行既可自动演示,也可以根据操作者的要求逐步进行。文中还对系统中主要模块的运行过程作了一定的介绍,通过该系统,学生可学习并掌握拉伸试验机的操作过程及实验结果的输出。同时,数据库中的力学性能曲线对材料研究也有一定的参考价值。