基于光学原位观测柔软摩擦副的接触率研究

＂柔软接触＂在自然界和工业应用的摩擦副中具有重要学术和应用价值,但线接触副中接触率的原位测量目前尚无系统方法.本文建立了含光学显微、数字图像采集的软摩擦试验台.通过对接触率不同影响因素的深入分析,对比讨论了试验结果和理论模型.法向载荷对接触率影响规律可表述为幂函数,且受到弹性模量的影响.本文结合Ghatak的柔软橡胶薄层力学模型,分析了柔软材料的弹性模量对接触率的具体影响规律.本文以上述分析为基础,针对实际应用中柔软材料几何尺寸差异的问题,制备了9种不同厚度的圆柱形弹性样品,试验和理论分析都发现临界厚度值将影响接触率,并对结果进行了讨论.最后对全文进行了总结和展望.     

单轴压缩下Ti-6Al-4V空心点阵结构的力学行为

本文设计和制备了三组不同内部加强结构分布的Ti-6Al-4V空心点阵试样,开展了单轴压缩加载下空心点阵结构变形和破坏的实验和数值模拟研究,分析了加强结构分布及形状参数对空心点阵结构力学行为的影响规律.结果表明:相比于基本空心点阵结构(试样BS),当加强结构分布在试样节点(试样SN)时,其比弹性模量和比极限强度分别降低了...     

大理岩单轴受压全过程细观损伤量化研究

设计基于SEM的大理岩细观损伤全程数字化跟踪试验方案,对四川锦屏大理岩试样进行了单轴压缩细观损伤的全程试验。基于数字图像处理技术,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行定量分析,提取试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。然后利用统计学理论对获取到的32组试样微裂纹的损伤全过程的细现信息进行了统计分析,得到在单轴压缩过程中微裂纹的方位角、长度和间距服从变参数的广义极限分布这一结论,最后引入G Swoboda损伤理论,模拟得到单轴压缩试验的应力一应变关系,并与实际试验的结果进行了比较。结果显示可以较准确模拟单轴压缩力学状态下的应力一应变关系。     

用颗粒流方法研究裂隙对岩石力学性质的影响

岩石力学参数受其组成材料的细观力学性质和含有的裂隙控制。本文采用颗粒流方法,以校核试验参数的方法确定模型细观参数,进而建立不同高度和半径的圆柱模型,然后根据试样体积,在模型中添加不同数量的随机分布裂隙,研究裂隙对宏观力学性质的控制作用,发现:1)对于不含有裂隙的试样,圆柱试样的高度和半径对单轴抗压强度和弹性模量的影响较小,但试样半径对宏观力学性质的影响比高度明显;2)对于含有裂隙的试样,试样单轴抗压强度和弹性模量受试样半径和高度影响明显,表现为单轴抗压强度和弹性模量随高度或半径增加而呈现指数形式衰减;3)不同尺寸的裂隙试样应力-应变曲线在峰值轴向应力之前,曲线斜率与试样尺寸有较为明显的相关性。     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

基于核磁共振技术的石膏粉末型3D打印试样水理特性及裂隙渗流特性初探

基于石膏粉末的3D打印技术目前在岩石力学领域及石油领域应用广泛.为使该技术更广泛应用于有水条件下的岩石和油气工程,对真空渗透固化改进的石膏粉末型3D打印试样进行了水理特性和裂隙渗流特性研究.首先,借助SEM和低场核磁共振技术(NMR)研究了该3D打印试样的微观结构特征和孔隙分布特征.其次,分别对试样在自然吸水和有压饱和条件下开展了吸水→饱和→干燥的干湿过程试验,并借助NMR技术研究了试样干湿过程中的水分迁移特征.在此基础上,分别对干燥和饱和试样开展了单轴压缩试验,研究试样遇水软化特征.最后,基于NMR岩石驱替渗流分析成像系统,对4种含不同粗糙度(JRC)的裂隙打印试样开展了恒围压、渗透压的渗流试验,借助实时核磁T₂谱和成像研究了试样的裂隙渗流规律.结果表明,渗透固化的石膏粉末型3D打印试样内部大小孔隙分布均匀且连通性好,总孔隙度为18.4%;试样自然吸水时以中、大孔隙充水为主,有压饱和时其大、中和小三种孔隙均充水饱和;试样的自然吸水率、饱和吸水率以及饱水系数分别为6.01%, 8.8%和0.68,与一般砂岩很接近;相比干燥时,饱和试样的变形大、峰值强度降低明显,其...     

气体吸附对页岩裂缝表观渗透率和页岩气采收率的影响

页岩气以及无水压裂技术采用的二氧化碳都可使页岩发生吸附变形,影响其裂缝表观渗透率,同时表观渗透率还受到有效应力和流体流态的影响.页岩气渗流过程中多种物理场相互耦合使得吸附应变对表观渗透率的影响不易被分析,常被忽略.本文基于多孔弹性理论和页岩吸附变形的特点,建立了适用于多种边界条件的页岩裂缝表观渗透率模型,提出了分析吸附变形对表观渗透率影响的方案,并分析了一组富有机质页岩样品中吸附应变对其表观渗透率的影响,最终结合页岩气多尺度渗流模型分析了吸附变形对页岩气采收率的影响.研究结果表明:采用不同边界条件和气体测量页岩表观渗透率时,其主控机理并不相同;基于此特点,结合"固定围压"和"固定孔隙压力"条件下的非吸附性气体和吸附性气体测量所得的页岩表观渗透率数据,可以确定内部吸附变形对表观渗透率有较大影响,不可忽略;此外,相较于内部吸附变形,气体吸附引起的页岩整体变形对表观渗透率和页岩气采收率有更大影响.     

铜单晶试样在滑移变形机制下的拉伸颈缩

对FCC铜单晶的方形截面试样在滑移变形机制下的拉伸颈缩过程进行了分析。文中考虑真实的夹持条件和试验中拉伸轴与晶体 [001] 轴方向难以预知的微小偏轴，采用晶体塑性理论及本文第一作者建议的晶体塑性有限变形计算方法对方形截面试样的三维颈缩进行大变形分析。通过与试验比较，证实本文结果合理地描述了铜单晶试样在拉伸作用下的载荷位移关系，并合理地反映了铜单晶试样的颈缩变形形状特点和微小偏轴可能产生的影响。 为了讨论试样截面形状的影响，文中还将单晶铜方形截面试样和圆柱试样的拉伸颈缩作了比较。     

基于修正最大切向应力准则的含中心直裂纹混凝土圆盘断裂行为研究

采用一种含中心直裂纹的混凝土圆盘试件,对其进行准静态径向压缩测试,通过改变中心裂纹倾角和混凝土的配比,得到了不同情况下混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力.基于Ayatollahi等人修正的最大切向应力准则(MMTS),通过联立理论公式求解得到不同配比、不同裂纹形式(II型和I-II混合型)混凝土试件的裂纹初始扩展角和断裂阻力的预测值,并将其与实验值进行了比较分析.其中MMTS准则是同时考虑了裂纹尖端应力场中奇异项和非奇异项(即Williams级数展开项中的T应力、A3和B3阶项,并忽略了更高阶项)的最大切向应力准则,使用超确定有限元法(FEOD)对Williams级数展开项的无量纲参数进行计算,并采用考虑了A3阶项的Schmidt模型计算断裂过程区的大小.研究结果表明,与传统MTS准则、GMTS准则相比,MMTS准则能够更好地预测混凝土试件裂纹初始扩展角和断裂阻力,特别是针对II型载荷占主导地位时的情况.     

节理形貌对应力波传播影响的试验研究

为了研究不同节理形貌对应力波传播的影响规律,依据巴顿标准剖面线,制作3组共30个含不同节理粗糙度系数(JRC)的人工节理试样,然后基于SHPB动载试验系统对其进行不同冲击载荷的试验,比较分析不同冲击载荷下的波形图以及应力波在不同节理形貌作用下的透射率,找出JRC值和应力波透射率之间的规律。结果表明:在同一冲击气压下,随着JRC值的增加,透射应力波的波形峰值呈现逐渐下降的趋势,即试样节理面越粗糙,入射应力波穿过节理面进入输出杆的透射波信号越弱,透射能量越小;同一组具有相同JRC值的试样在不同冲击气压作用下,透射率的变化趋势大致相同,即同一组JRC值下,随着入射应力波能量的增加,节理透射率也随之增加,并呈现出很强的规律性。     

大载流高速滑动电接触表面瞬态温度分析

高速滑动过程中接触表面瞬态高温会改变接触表面环境,烧蚀接触表面,加重摩擦磨损.本文针对大载流下高速滑动电接触表面瞬态温度场进行测量与分析研究,结合传热学和有限元基本理论,对接触表面瞬态温度场进行热分析,建立温度场计算模型,研究了不同热源对接触表面温度场的影响.利用高速滑动电接触试验机,采用非接触式辐射测温方法,对大载流高速滑动电接触瞬态温度进行测量,并将实际测量数据与有限元模拟结果相结合,验证了仿真模型的正确性,进一步分析了滑动速度及电流载荷的变化对接触表面温度场的影响.本文对大载流高速滑动电接触表面温度场的研究结果,为如何降低接触表面温度、选择合适接触材料以及减小损耗等提供了技术依据.     

基于H-J-C本构模型的掘进机截齿破岩过程的数值模拟

针对掘进机实际外负载难以获取及其载荷特性难以正确把握的现状,提出了利用接触动力学、岩石力学和有限元法等理论和方法构建在显示动力学分析程序LS-DYNA环境下基于H-J-C本构模型的截齿与岩石的接触动力学模型数值模拟平台;利用该平台对掘进机镐形截齿的横摆破岩过程进行了数值模拟,得到了截齿受到的三向阻力曲线;通过载荷特性分析,验证了所得载荷曲线的准确性,并获得了某工况下截齿载荷的主要频率结构;分析了截齿的碎岩机理,发现岩石的破碎是与截齿直接接触的岩石的拉压应力和其周边的剪切应力集中综合作用的结果.     

T700／QY8911复合材料圆管轴压下能量吸收研究

采用T700／QY8911预浸料热压成型制作了复合材料圆柱管,对其进行了轴向压缩下能量吸收性能的试验。通过试验得到了峰值载荷、平均压溃载荷和比吸能率等主要能量吸收性能参数。试验结果表明,能量吸收性能及压溃破坏模式不仅与碳纤维材料性能有关,还与成型工艺及端部减薄这一薄弱环节设置密切相关;端部减薄薄弱环节的设置能有效地降低圆柱管在压溃过程中的峰值载荷,渐进地引发圆柱管压溃失效。建立了复合材料圆管轴向渐进损伤压缩有限元模型,通过计算得到了能量吸收性能的重要参数,计算结果与试验结果比较吻合说明了所采用的模拟方法是可行的。     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析

以大型水平轴式风电机组电动变桨距系统为研究对象,对其因离心力引起的变桨距载荷、气动力引起的变桨距载荷、重力引起的变桨距载荷等进行深入研究,建立了变桨距载荷计算数学模型.以某1.2MW风电机组为典型算例,对前述变桨距载荷进行了独立和综合的计算与特性分析.结果表明,在叶轮转速、来流风速和节距角一定时,叶轮旋转一周过程中变桨距载荷波动呈相似余弦曲线变化,在不同节距角时波动幅值差异较大.文中提出的风电机组变桨距载荷计算思路与方法具有一定普适性,可为独立变桨距系统深入分析和研究提供理论基础.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

页岩及黏土纳米孔隙中液态水分布量化研究

页岩储层富含纳米级孔隙,因此在纳米尺度上研究孔隙内流体分布特征具有重要意义.本研究基于室内实验,量化评价了页岩及黏土孔隙含水饱和度分布特征,实验发现:在水吸附过程中,黏土孔隙内"毛细凝聚"现象显著,当环境相对湿度较高时,部分小孔隙将被毛管水完全阻塞;而对于页岩样品,无机质孔隙表现出亲水作用,但是有机质表现出憎水作用,页岩整体吸水能力相对较弱.同时,考虑页岩有机质与无机质孔隙形貌特征差异性,建立数学模型研究孔隙形状对吸水特征的影响.结果表明:利用狭缝孔模型计算的吸水曲线与实测结果更接近,因此在研究页岩吸水特征时,应将孔隙形状假设为狭缝孔,而并非通常假设的圆管孔.本研究将对深入认识及评价页岩储层不同类型孔隙内流体的赋存方式及产出机理奠定理论基础.     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

纳米尺度下页岩基质中的页岩气渗流及渗吸特征

基于页岩基质的纳米尺度孔隙特征,分析了页岩气在纳米孔隙中渗流的扩散、滑脱和达西渗流等对页岩气流动流量的影响.压差作用下页岩气流量的特征研究表明:达西流动产生的流量与地层压力、压力梯度和渗透率成正比;扩散引发的流量与压力梯度成正比,与平均压力成反比,与渗透率无关;滑脱引发的流量与压力梯度、渗透率成正比,压力梯度和渗透率一定时,滑脱流量为定值,与地层平均压力无关.低压下,气体的扩散效应和滑脱效应明显,扩散产生的流量所占比例较大,高压下渗流以达西流为主;在整个从低压到高压的地层压力区间,在低压下由于扩散作用,总的页岩气有一定的流量,随着地层压力的增大扩散产生的流量减小,到一定值后随着达西流量的进一步增大,总流量随地层压力的增加而增大,说明页岩气生产中存在一个最低效生产的压力区域.水在页岩薄片上吸水过程近似分为三个阶段:(1)水在页岩薄片表面的快速吸附;(2)水在裂缝中较快速度的渗吸;(3)水沿着微裂缝的缓慢渗吸.为页岩气开发中的压裂水的反排特征研究提供了理论基础.