合金凝固过程的微分型本构方程及其蠕变与松弛特性

指出加强合金凝固温区力学特性研究的工程意义，基于作者近来的实验研究及所提出的流变模型，进一步揭示了合金凝固过程相应的微分型本构方程及其蠕变与松驰特性。     

预蠕变—塑性的本构描述及其实验验证

基于热力学相容的本构模型并合理地定义广义时间标度，得到了描述蠕变，塑性及其交互作用的统一型本构方程。进而通过对蠕变、塑性及其交互作用过程中材料内部子结构及其变化的分析，将材料的强化分解为对应于累积非弹性变形的强化和由蠕变变形导致的附加强化。对对高温环境二维应力路径下３１６不锈钢的预蠕变－塑性变形过程进行了分析，取得了与Ｏｈａｓｈｉ等的实验数据相吻合的结果。     

2124铝合金蠕变时效本构方程

在185℃下,对2124铝合金试样进行了200、225和250MPa 3种应力水平下的多组单轴拉伸蠕变时效实验,发现在恒定温度下,实验应力越大,时效时间越长,蠕变行为就越明显;根据蠕变理论和实验曲线,建立了2124铝合金在185℃及不同应力水平下的本构方程;利用SPSS和Origin软件,得到了蠕变本构方程中的常数。蠕变实验数据点和拟合曲线的比较说明,所得的本构方程能较好地描述2124铝合金在185℃及不同应力条件下的蠕变行为.     

岩盐椭球储气库应力解析及其稳定性分析

岩盐地下储气库根据成腔方式不同,储气库形状也有较大变化,但简化为细长旋转椭球体(短长轴比s)是合理的.假定岩盐体为无限大各向同性线弹性体,将旋转椭球岩盐储气库受力分解为两种受力状态:有内压的静水压力状态和无内压的非静水压力状态.利用弹性理论应力叠加原理,求得了在地应力场(垂直p,水平p0)和内压(pi)作用下储气库腔壁上关键点(顶点和赤道线上任意点)的应力精确解析解.对某岩盐储气库进行了数值模拟计算,数值计算结果与解析解较接近.分析了关键点应力随椭球腔形状、地应力和内压的变化规律,认为径向应力随内压比(pi/p)的增加而增加,几乎与轴比(s)无关;水平环向应力随内压比和轴比的增加而减小.结合已有试验资料,确定了盐岩广义Hoek-Brown破坏模型参数,并据此计算得到了储气库不出现破坏时的极限内压值范围,当s=0.9时极限内压较小.     

岩盐储气库水溶建腔岩盐溶蚀模型研究

为了深入研究岩盐水溶机理及溶腔形状变化规律,在岩盐水溶物理机理研究的基础上,根据物质平衡原理和Fick第一扩散定律,导出了水溶造腔腔体边界变化的动边界方程,建立了完整的岩盐溶蚀数学模型.通过计算机数值求解方法,对岩盐溶腔过程进行了动态模拟研究.结果表明,该岩盐溶蚀数学模型能够有效的反映腔体形状的变化规律,指导储气库水溶建腔.     

镁合金塑性-蠕变交互作用的损伤本构模型

基于简单机械模型并合理地定义广义时间标度,得到了描述塑性-蠕变交互作用的统一型本构方程．在此基础上,采用Gurson模型考虑了镁合金在铸造过程中及由二相粒子脱落等所造成的孔洞型损伤,建立了基于含球形孔洞的有限体积球体的损伤模型,由此建立了混合强化材料的损伤演化．利用所建立的描述损伤本构模型和损伤演化,分析了镁合金在循环栽荷作用下的响应特性,取得了与实验相吻合的结果．     

岩石的卸荷劣化及其本构模型研究

卸荷条件下,岩石的变形参数产生劣化效应,弹性模量E在卸荷较小时变化较小,随着卸荷量的增加其快速减小;而泊松比μ则随着卸荷量的增加而变大.岩石的破坏阶段,变形参数与其应力跌落量有关:E随着应力跌落量的增加而减小;并呈线性关系.根据岩石变形参数的变化规律,将卸荷条件下岩石的损伤本构模型分为三段:一般加载段、卸荷段、应力跌落段.结合试验证明修正的统计损伤本构模型较为符合实际.     

镁合金循环蠕变的损伤本构关系

利用MTS809高级材料试验机对镁合金AM50进行了系列蠕变试验,基于微结构和缺陷的分析提出各向同性标量损伤变量,在能量释放率概念的基础上导出损伤变量的演化方程.针对镁合金的循环蠕变强化和回复软化的特点建立内应力演化方程,在不可逆热力学和内应力理论基础上发展了考虑损伤的循环蠕变本构关系.理论分析与试验结果吻合较好,表明所建立的计及损伤的循环蠕变本构模型能够描述镁合金的循环蠕变现象.     

矿柱宽度对储气库运行稳定性的影响研究

基于我国某盐矿的地质条件,运用FLAC3D对在给定运行压力等条件下,矿柱宽度对储气库运行稳定性的影响进行了数值模拟分析.结果表明:矿柱宽度对储气库运行稳定性存在直接影响;储气库在一年的运行周期内,体积收敛率约为1%;在合理的储气库结构和运行压力下,矿柱宽度可以小于单个储气库的直径.     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。     

基于分数阶导数的盐岩流变本构模型

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2封存、高放废物处置等具有十分重要的意义.本文从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上,提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件.通过将分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,构建了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了流变本构模型的解析解.论文进一步应用程控流变仪进行了湖北江汉油田王储1井盐岩试件的单轴流变实验,基于盐岩流变实验数据,对分阶导数流变本构模型的参数进行了拟合分析,确定了模型中的参数.论文还进行了分数阶流变模型中的参数敏感性分析,揭示了应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对流变应变的影响规律,并验证了分数阶流变本构模型在特殊条件下可退化为经典西原模型.研究发现,本文提出的分数阶流变本构模型可以更好反映盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段.     

盐岩时效特性实验研究与理论分析

通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;盐岩稳态蠕变率是应力状态的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。     

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

平顶山盐穴储气库建库地质条件评价

 在平顶山盐岩矿区三维地震解释、资料井及老井钻探成果基础上,对研究区断裂发育、构造形态及盐岩地层横纵向展布特征进行精细研究,并对盖层和夹层分别取心开展室内实验以评价盖层及夹层密封性。通过对平顶山地区盐岩建库地质条件的综合评价,认为该地区适合建设盐穴地下储气库。结果表明:平顶山盐矿总体构造形态简单,盐岩沉积中心断裂不发育且盐层厚度较大;盐岩地层厚度大,横向分布稳定,其中14~20 盐群厚度平均200 m 以上,含矿率高,夹层数量少,可以作为建库的目的层位;盖层及夹层以泥岩为主,微观孔喉结构小,连通性差,渗透性能差,不利于气体的运移,具备一定的封闭能力,满足储气库地质评价要求。     

盐岩夹层蠕变特性实验研究与理论分析

通过对湖北应城盐岩夹层160 d的单轴压缩蠕变试验研究,可知湖北应城盐岩夹层具有良好的蠕变特性,盐岩夹层蠕变来自两部分,一部分为盐岩蠕变,另一部分来自夹层蠕变,且纯盐岩蠕变率高于夹层,横向应变率大于夹层。根据试验结果,拟合试验曲线得出了盐岩夹层蠕变经验公式,由最小二乘法得到盐岩夹层蠕变经验公式拟合参数;并分析了曲线特征,建立了盐岩夹层蠕变理论模型,得出了盐岩夹层的粘弹塑性本构方程,为盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据。     

金坛盐穴储气库畸形对盐腔体积影响

金坛盐穴储气库属于层状盐岩型储气库,建设过程中经常出现腔体畸形、偏溶现象,严重降低盐腔有效体积。研究腔体畸形对盐腔体积的影响规律,并在造腔过程中加以控制,将有助于加快库容工作气形成。结合金坛盐穴储气库实际盐腔情况,分析了腔体畸形、偏溶和底坑形状对盐腔有效体积的影响,并根据其形成原因给出了相应解决措施。结果表明,金坛盐穴储气库畸形、偏溶腔体约占总数的30%,畸形系数(11.8～90.1)×10^-3,畸形系数越大盐层利用率越低;畸形导致横截面为椭圆形,且不同深度的腔体直径差别较大,使腔体周围盐层利用率降低;偏溶使井间矿柱宽度过低,矿柱比减小,腔体直径受限,腔体积严重降低;底坑形状可分为“V”形、“一”形、“”形、“A”形4种,其注气排卤效率依次降低,其中,“”形、“A”形最不利盐腔空间利用,严重降低储气体积。对于腔体畸形可采用的控制手段有降低排量、采用正循环、天然气阻溶回溶等技术。对于偏溶可采用预测偏溶方向合理设计井位、降低矿柱比增加腔体直径等措施。底坑畸形尚无有效控制手段和提高注气排卤措施。该研究为后期腔体形状控制和提高盐腔体积奠定了理论基础,将有助于加快金坛盐穴储...     

平顶山盐岩力学特性及废弃盐腔稳定性分析

为了分析废弃盐腔的稳定性,对平顶山盐矿、盐岩、泥质硬石膏岩样进行单轴和三轴压缩试验以及蠕变试验,获得相应的力学特征。对平顶山盐矿某区压裂井、连通井和单井等建库完成后的腔体稳定性进行了数值模拟。结果表明,盐岩层呈现良好的延性变形特征,含泥质硬石膏岩夹层呈现脆性变形的特征。溶腔形状对腔体位移、应力分析以及稳定性等影响较大,从溶腔废弃开始到运行10a,道1井溶腔的最大位移出现在溶腔顶部靠右侧的位置,D1-2单井溶腔的最大位移出现在溶腔围岩边缘腰部位置,而L3-3压裂井溶腔顶部的位移值过大,溶腔顶部和底部已经坍塌,在泥岩夹层处应力集中现象比较明显。道1井溶腔左上角和右上角位置出现塑性区,D1-2单井溶腔顶部位置出现塑性区,在D1-1和D1-2溶腔群的矿柱之间出现了比较大的应力集中。在储气库运行期间,应该提高储气库的最低运行压力并缩短其在低压下的运行时间。     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

夹层对岩盐储气库水溶建腔的影响分析

为了研究夹层对岩盐储气库水溶建腔的影响,根据小挠度的薄板弯曲模型,建立岩盐地层中夹层的数学模型,通过对岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算,分析夹层对岩盐储气库水溶建腔形态和建腔周期的影响规律,同时给出了夹层的强度较核和断裂极限长度的求解方法。研究结果表明,岩盐储气库应选择在夹层数量尽量少而薄的地层条件下建设,有利于腔体形态的控制,同时能够有效降低溶腔周期。