柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性研究

应用3DEC离散单元法模拟柱状节理岩体应力渗流耦合.分析柱状节理岩体模型耦合算法与非耦合算法计算结果的差异及耦合算法下柱状节理孔应力与流量的变化.采用耦合算法所得最大应力与位移均大于非耦合算法,在耦合算法下,裂隙渗流产生的渗流力改变了应力场的分布,而应力场的变化使得裂隙岩体的渗透系数发生变化,从而导致岩体渗流场的重新分布.计算结果表明孔应力以及流量的变化是一个相互影响的动态过程.研究成果证明了所用方法的合理性,对柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性做出了初步的研究与分析.     

考虑界面应力时含椭圆孔正交异性材料的反平面问题研究

研究了远场作用反平面剪切载荷时含纳米椭圆孔正交异性材料问题。基于Gurtin-Murdoch表面/界面理论模型引入界面应力,利用复变弹性理论和保角映射方法,给出了考虑界面应力时含椭圆孔正交异性材料反平面问题的解析解答,获得了应力场的闭合解。研究表明:当椭圆孔在纳米量级时,正交异性材料内应力场受孔隙尺寸影响显著。随着椭圆孔尺寸的增大,界面效应对应力场的影响逐渐减弱,趋近于经典弹性理论的解答。界面效应对正交异性材料内应力场的影响随着材料弹性主方向比55/44的增大逐渐减弱。     

多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合分析

具有良好化学稳定性及较高存储容量的多孔材料在锂离子电池及超级电容器中有广泛的应用,但已有的扩散-应力耦合模型大多忽略多孔材料的微观结构.基于此,建立考虑孔隙率和迂曲度的多孔球形电极颗粒中的扩散-应力耦合模型.针对Mn_2O_4电极进行恒压充电下的数值计算,探讨孔隙率和迂曲度系数对锂离子浓度、径向应力、环向应力及体积应变的影响,并将模型结果与他人结果进行对比.数值结果表明:迂曲度系数越大,电极中锂离子的扩散越差、体积应变越小且径向应力和环向应力越大;孔隙率越大,电极中的锂离子浓度和体积应变越大但径向应力和环向应力越小;多孔电极结构更有利于提高嵌锂能力.因此,应选择孔隙率大且迂曲度系数小的材料作为高存储容量的电极材料.     

页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究

页岩气在纳米孔隙的传输过程中受多种因素影响,包括孔隙尺寸和压力、孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应以及权重因子等。因此需要综合考虑以上因素以及吸附气分子在孔隙中所占空间对气体流动影响的条件下,厘清页岩气的不同运移机制（表面扩散、滑脱流、Knudsen扩散和黏性流动）在不同孔隙尺寸和压力下对纳米孔中总气体流量的贡献率。首先,对页岩气的不同运移方式进行了物理描述及数学表征,然后,在考虑孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应和权重因子等因素的条件下,建立页岩气在储层纳米孔中的气体传输耦合数学模型,模型可靠性通过格子Boltzmann方法计算结果验证。研究结果表明,当孔径小于10 nm时,纳米孔的总流量主要由表面扩散流量组成,孔径越小,表面扩散流量越大;当孔径为40~250 nm和低压条件下,滑脱流和Knudsen扩散对气体传输影响较大;当孔径大于10 μm时,纳米孔的总流量主要为黏性流量。     

多次紧急制动工况下的鼓式制动器热-结构耦合分析

针对汽车鼓式制动器在制动过程中的开裂失效问题,基于运动学、动力学、摩擦学与热-结构耦合的综合分析技术及实验技术,建立了三维瞬态热-结构耦合理论模型及有限元模型;分析多次紧急制动工况下制动鼓温度场和应力场在径向、周向、轴向的分布特征,得到了结构场与温度场的耦合作用结果 ;分析了温度、应力应变、压力三者间的相互耦合作用规律.结果表明:制动鼓的开裂失效主要处于温升大的区域,是由热应力引起的热疲劳失效,且由于周向压应力比径向和轴向压应力大,从而导致制动鼓的裂纹方向均为沿轴向伸展.     

适用于电极材料的电化学扩散诱发应力松弛机制研究

在近年建立的描述电极材料力-电-扩散耦合问题的连续介质理论框架下,提出一个简捷的有限变形本构理论,可直接描述发生在电极材料上的质量传输、变形和应力演化的强耦合过程,忽略了相变及塑性变形的影响;采用Bulter-Volmer动力学模型描述电解质/电极界面处电化学反应,可研究力、扩散对电化学性能的影响规律;同时构造了收敛、有效的有限元数值积分方案,并将其补充到商用有限元软件ABAQUS中,搭建了相应的计算模块.以具有橄榄石结构的LiFePO4电极材料为例,利用提出的理论和计算工具重点研究了锂离子在嵌入和脱嵌循环锂化过程中应力松弛机制、锂离子浓度的演化规律,以及力-电-扩散耦合机制对表征电池性能的充电状态变量SOC值的影响规律,并通过对平板和圆柱形两类常用电极的对比研究,揭示电极形状对电池性能的影响.此外,对于恒电流的情况,预测了电极界面处电化学量如交换电流密度、过电势及外电路电压随时间的变化规律,为进一步开展结合电化学实验来研究该类问题做铺垫.     

7050铝合金激光冲击强化的试验和数值模拟

依据激光冲击强化7050铝合金的试验,建立激光冲击强化的有限元模型,实现激光冲击强化的数值模拟,残余应力场的数值模拟结果与试验结果取得较好的一致.在不考虑各冲击参数之间交互作用的前提下,模拟研究冲击参数对残余应力场的影响.模拟结果表明:在激光功率密度小于一定阀值条件下,表面残余压应力最大值随激光功率密度增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力最大值减小;表面残余应力最大值和残余压应力层深度随着脉宽的增加而增加;通过增加光斑半径对残余压应力场的改善主要体现在对深度方向残余应力场的改善;多次连续冲击强化对残余应力场的改善效果比较明显.     

位错与纳米裂纹干涉的反平面问题

针对位错与纳米裂纹干涉的反平面问题,提出了一种新方法,得出了精确解.首先利用复变函数中的保角变换方法,将直线裂纹问题化为孔板问题,再借助于柯西积分,获得了该问题的精确解答,然后分别推导出有、无表面效应作用时的应力场和位错力的解析表达式.数值结果表明:当裂纹尺寸缩减到纳米量级时,表面效应的影响使裂纹尖端附近的应力场和位错力减小,但随着裂纹长度的增大,表面效应的影响能力逐渐减弱,含表面效应的解答逐渐趋近于无表面效应的经典弹性理论解答.     

考虑渗流-应力耦合作用的基坑边坡稳定性分析

介绍了岩土体中渗流场与应力场的耦合作用机理,选取某基坑边坡工程中的一个典型剖面,采用FLAC3D软件建立计算模型,对比分析渗流-应力耦合与不耦合两种工况下的边坡稳定性。结果表明,在渗流场与应力场不耦合或耦合作用下,边坡的位移最大值分别为10.67cm和9.85cm,水平应力最大值分别为0.099 MPa和0.276 MPa,安全系数分别为1.5和1.1。渗流场与应力场的耦合对边坡稳定性的影响效果明显,使边坡安全系数降低了约26.7%,因此地下水对边坡的作用不能简单以孔隙水压力代替,考虑渗流场与应力场的耦合效应更符合实际。     

淡水冰三轴压缩力学特性试验研究

为了能够充分认识三向受力状态下冰体的力学特性,采用TDW-200低温三轴试验机,并在4组温度、7组围压和5组应变速率条件下,对3种不同尺寸淡水柱状冰样进行单轴和常规三轴压缩强度试验,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明,在恒定应变速率和较低温度下,当围压在6MPa以内时,柱状冰试样以劈裂破坏为主,当围压大于6MPa时,试样由劈裂破坏向剪切破坏过渡;在试验温度范围内,围压对柱状冰试样强度的影响远高于温度的影响;柱状冰强度、弹模和泊松比均与应变速率呈良好的正线性相关,且应变速率增大使柱状冰由流塑破坏向脆性破坏迁移;柱状冰强度、变形和破坏模式受试样尺寸影响明显,当试样截面尺寸相同时,高径比越大残余强度和偏应力-应变曲线的曲率越小,对应强度、弹模却越大,当高径比相同时,残余强度、偏应力-应变曲线曲率、强度和弹模均随截面尺寸的减小而增大;提出一种新的改进Duncan-Chang模型,并利用实测柱状冰应力-应变曲线对新模型进行验证,取得良好效果.     

应力高阶项对相贯内腔裂尖应力场的影响*

压裂泵头体作为压裂技术的硬件支撑,相贯线处的开裂失效严重制约了其工作寿命。采用理论分析和数值分析的方法,对泵头体相贯线的裂尖应力场进行了研究。结果表明,裂尖应力分量σ11和σ33的高阶t11、t33项对相贯线处裂尖应力场的影响显著;张开应力σ22的高阶项对裂尖应力场影响不显著,相比于单参数模型,K-t11-t33模型可以更好描述相贯线处的裂尖应力场。离面应力σ33的高阶项t33与t11和离面应变ε33有关,但主要由ε33决定。通过研究裂纹前缘不同位置的应变ε33,结果表明,越靠近两个内腔表面,其应变量越大;越远离两个内腔表面,应变量ε33越小,裂尖应力状越接近平面应变状态。通过研究相贯内腔的裂尖应力场,建立其裂尖应力场的理论模型,可以为相贯内腔结构的临界断裂条件和寿命预估奠定基础。     

受内压和激光辐照联合作用下圆柱壳动态断裂力学分析

针对激光辐照充压圆柱壳的应力分析和结构失效问题,研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在激光辐射及不同内压和不同裂纹尺寸的情况下,考虑了内压为静态和动态两种情形以及热-力耦合情形的应力分析,材料为30CrMnSiA钢。根据它的静态断裂韧性KIC以及根据估算的冲击动态断裂韧性KId,应用有限元方法研究了动态载荷下其断裂问题。分别使用断裂判据KI=KIC和动态断裂判据KI(t)=KId,对裂纹的静态起始扩展和动态起始扩展作了相应的分析,这些分析在一定程度上对此种结构在热-力耦合下失效机理提供了有益的研究。     

潮汐循环作用下海水入侵模型的现状及展望

针对潮汐循环作用下海水入侵模型的问题,综述了目前国内外海水入侵模型的研究现状,探讨了流固耦合效应和潮汐时域运动效应对海水入侵的影响,指出了建立潮汐循环作用下海水入侵的渗流-应力-损伤-对流扩散多场耦合模型,并考虑潮汐循环加载、岩土非均匀性和岩土损伤与对海水入侵之间的关系,是今后海水入侵模型的主要研究方向。     

混凝土桥梁氯离子侵蚀过程仿真的细胞自动机模型

为准确高效地模拟钢筋混凝土桥梁在运营期间氯离子的侵蚀过程,并获得梁截面内任意时刻任意位置的氯离子浓度,提出基于细胞自动机理论的混凝土桥梁氯离子侵蚀过程模拟方法.首先,根据细胞自动机原理对氯离子侵蚀过程进行分析,利用简单的局部进化行为模拟复杂的扩散过程.然后,综合考虑时空变异性、水灰比、应力状态等因素对氯离子侵蚀过程的影响,建立多因素耦合作用下的混凝土桥梁的氯离子侵蚀模型.最后,以某T梁为例,分析桥梁服役期间氯离子扩散规律及混凝土水灰比和应力状态对氯离子扩散过程的影响.结果表明,钢筋表面的氯离子浓度值在侵蚀20年时开始趋于稳定,角部区域钢筋更易锈蚀;混凝土水灰比越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快;梁截面拉应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快,而压应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越缓慢.     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

空心电极对容性耦合等离子体放电特性影响

为了提高容性耦合等离子体源的等离子体密度,采用空心电极来代替传统平板电极进行放电。本文采用流体力学模型对容性耦合空心电极放电进行建模仿真,研究不同空心电极的孔隙结构、放电电压及极板间距下,空心电极对容性耦合等离子体放电特性,特别是对等离子体密度的影响。结果表明,采用传统平板电极放电得到的等离子体密度仅为1.86×1015m^-3;当采用倒梯形孔隙结构空心电极进行放电时,空心阴极效应被抑制,等离子体密度仅有少量增长;采用矩形或梯形孔隙结构的空心电极进行放电时,孔隙下方的等离子体密度显著提高,达到2.37×1015m^-3以上。研究还发现,随着放电电压从50 V增至125 V,空心阴极效应和静电边缘效应都显著增强,放电中心处的电子密度从4.76×10¹⁴m^-3迅速增加到3.98×1015m^-3,但等离子体密度在径向分布上出现两个明显的峰值,导致均匀性变差。随着极板间距的增加,等离子体密度显著提高,等离子体均匀性受扩散效应的影响得到明显改善。     

一维六方准晶中纳米尺度正三角形孔边裂纹的反平面问题

基于Gurtin–Murdoch界面/表面理论和复变函数方法,结合保角映射技术研究了一维六方准晶含纳米尺度的正三角形孔边三裂纹反平面剪切问题,分别得到了声子场和相位子场的应力、应力强度因子封闭表达式,同时还获得了能量释放率的解析解。数值算例分析了无量纲化应力强度因子、无量纲化能量释放率在无穷远处声子场和相位子场应力作用下的变换规律。数值结果表明：无量纲化声子场应力强度因子随着无穷远处声子场应力的增大而逐渐增大并缓慢趋于稳定值,随无穷远处相位子场应力的增大而减小;无量纲化相位子场应力强度因子随着无穷远处声子场应力的增大而缓慢增加,随无穷远处相位子场应力值的增大而缓慢减小且最终趋于稳定;当裂纹长度和三角形孔边长之比给定时,随着无穷远处应力的增大,无量纲化能量释放率也随之增大;表面效应作用下,声子场和相位子场之间存在耦合效应;无量纲化的应力强度因子和能量释放率均存在着显著的尺寸依赖性;缺陷尺寸的不断增大会减小表面效应对周围应力场的影响。     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

压电螺型位错与含界面效应纳米夹杂干涉研究

研究在无穷远纵向剪切和平面内电场作用下压电智能材料中螺型位错与考虑界面应力纳米尺度夹杂(纤维)间的力电耦合交互作用.运用复势方法,求解了夹杂和基体中复势函数的解析解以及应力场和电位移场分量.利用广义Peach-Koehler公式,给出了作用在压电螺型位错上位错像力的解析解答.研究结果表明:当夹杂的半径缩减到纳米尺度时,界面效应对夹杂(纤维)附近位错运动和平衡位置的影响将变得非常显著.正界面效应将排斥基体中的位错;当存在正的界面效应时,软夹杂能排斥界面附近的压电螺型位错.     

残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为影响的数值分析

通过纳米压痕和电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术获得金属铍在晶粒尺度上的表面微力学行为(性能)信息,基于ABAQUS对纳米压入过程进行有限元模拟.因数值模拟结果与实测信息相符合,故可获得仿真过程的基本力学性能参数.基于得出的参数,针对残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为的影响进行数值分析,结果表明,残余应力、晶体尺寸与纳米压入塑性功、最大深度及残余深度之间存在明显的线性关系;以塑性功为对比依据,残余应力与晶粒尺寸的影响系数分别为0.852 5×10^-12 J/MPa,95.373×10^-12 J/μm.该研究对纳米压痕力学性能、估计晶粒内残余应力等研究有一定的参考价值.