不同温度场下断层黏滑失稳过程模拟

随着国家对深部工程开发的需求增大，深部高岩温条件下断层黏滑失稳过程的演化规律和形成机制亟待研究.为此，本文借助离散元数值模拟手段，构建热力耦合数值模型，对6种不同温度场条件下的断层黏滑力学行为进行了详细研究，探究了不同温度场对断层黏滑失稳过程的影响机制.结果表明:随着温度场的不断上升，断层黏滑的破坏形态以及破坏模式均发生改变；断层黏滑次数、启滑应力以及启滑应力降整体上随温度上升，呈现不断下降的变化趋势；断层黏滑能量耗散以摩擦滑动为主；断层启滑时，总应变能与温度呈正相关，耗散能与温度呈负相关.     

钻柱系统黏滑振动的自激振动特性研究

针对当前钻柱系统黏滑振动产生的影响不断增大的问题,研究黏滑振动的自激振动特性。通过建立钻柱系统的黏滑振动力学模型,推导了钻头于黏滞阶段与滑脱阶段的状态方程,并得到其滑脱阶段的振动响应。在得到系统黏滑振动特性的基础上,研究钻头在不同初始条件时相对转盘运动的相轨迹。结果表明,当钻头初相点存在扰动时,其运动均将趋向于稳定的黏滑振动,表现为钻头运动的相轨迹收敛于稳定的极限环。对黏滑振动产生的原因进行分析,结果表明,产生黏滑振动的钻柱系统在黏滞状态与滑脱状态转变时均存在摩擦扭矩的降落,相当于在钻头转动方向作用一个外载,即钻头临界状态转变时存在的负阻尼效应将钻柱的振动调节为自激振动。     

系统参数对自激振动系统动力学稳定性的影响

为了研究机床进给系统的黏滑运动特性,建立了基于Stribeck摩擦模型的具有代表性的质体-弹簧-传送带摩擦自激振动模型.利用李雅普诺夫稳定性判据对自激振动系统的平衡点进行了稳定性分析,获得了系统的临界失稳速度,又经过理论公式推导出了系统的临界黏滑速度.从数值仿真得到的相图和Poincare截面图可以看出,随着系统进给速度、阻尼和传动刚度的增大,动、静摩擦差值的减小,系统的黏滞运动持续时间变短,即系统的稳定性增强;低速状态下的自激振动分为黏滑和纯滑动两个阶段,且均为准周期运动;系统进给速度是影响系统稳定性的主要参数.     

本构参数对断层成核周期影响的模拟研究

基于描述断层摩擦滑动的速率-状态依赖性摩擦定律,采用数值模拟法检验了相关本构参数对断层成核失稳周期的影响.模拟结果表明,a-b的值对于断层成核失稳是一个比较敏感的参数,不仅决定了黏滑成核是否发生,还对滑移的量级产生一定的影响;临界滑移距离L值不仅决定断层是否会产生黏滑,还决定了断层成核是否有具有稳定的周期,也是一个临界滑移位移量,是断层的固有性质;成核尺度d主要影响断层的成核周期和滑移量的大小.     

二维耦合干摩擦振子黏滑运动分析

针对工程中广泛存在的二维干摩擦问题,通过引入斜弹簧建立一种可考虑x,y两个方向耦合的振子模型。定义摩擦力方位角来描述动、静摩擦力矢量分量,并考虑振子振动过程中可能出现黏滞,提出了一种分析二维耦合干摩擦振子黏滑运动的方法,给出了二维耦合干摩擦振子黏滑运动的复杂边界条件。基于指数型动态摩擦模型对二维耦合干摩擦振子的黏滑运动进行了数值仿真,给出了x方向和y方向相同激振频率相同相位角、相同激振频率不同相位角、不同激振频率不同相位角3种工况下的仿真结果及系统解随激振频率和相位角的变化规律。仿真结果表明,二维耦合摩擦振子运动中可能出现黏滑状态转换;当x方向和y方向的激励频率和相位角均不相等时,与前两种工况相比,质量块的运动轨迹、系统相图均为更加复杂的平面曲线,同时一个周期内系统可出现多次黏滑转换;两个方向激振频率相同时,改变激振频率和激励相位角,系统的解均没有出现次谐波,振子为周期运动。所提出的方法可为进一步研究二维耦合干摩擦振子的动力学特性及运动稳定性提供参考。     

高地应力深埋隧道开挖扰动规律

以颗粒离散元理论为基础,建立不同应力场作用下的大尺度深埋隧道模型,从开挖过程中的能量转换规律、应力波传播衰减规律及应力重分布规律等角度研究构造应力场对双线硬岩隧道的影响。结果表明:隧道瞬时开挖后,围岩系统的应变能、动能及耗散能均存在三阶段演化规律。侧压力系数越大,围岩受到的扰动越剧烈;侧压力系数小于1时,拱顶、拱底由于处于应力松弛区,无扰动波产生;拱腰处于应力加载区,卸荷后期会产生同向的第二峰值扰动波;侧压力系数为1时,无明显扰动波产生;侧压力系数大于1时,扰动波产生位置为拱顶、拱底处,且扰动波的方向与卸载波相反;应力卸荷过程可以分为剧烈扰动、卸荷调整以及卸荷完成3个阶段。     

煤矿区域构造应力场的实测与模拟

以某煤矿为工程背景 ,在分析原位多点实测应力分布特征的基础上 ,通过建立适合工程特点的数值分析模型 ,采用 DDM( Displacement Discontinuity Method)模拟了该工程区域的复杂断裂构造应力场 .分析探讨了复杂断层构造对煤矿区域应力状态的影响 .研究结果表明 ,煤矿区域原岩应力分布状态主要受断层构造的支配 ,断层的叠加扰动使原岩应力场重新分布 ,造成煤矿区域原岩应力状态的极端各向异性特征     

多片式离合器局部高温区成因与系统稳定性研究

离合器在接合过程中常发生热弹性不稳定性,这是导致摩擦副表面出现局部高温区的重要原因. 针对车辆换挡机构用多片式离合器,采用伽辽金法建立了离合器摩滑过程三维有限元分析模型,将温度场扰动变化问题转化为矩阵特征值问题,求解并通过试验验证了系统发生TEI时的临界速度、摩擦界面温度扰动增长率和温度场分布的相互关系. 研究表明,当离合器转速超过临界速度时,1 s内温度波动由3%上升到35%,对偶钢片表面沿圆周方向出现局部高温区,符合离合器实际使用过程中出现的表面热斑和烧损痕迹. 离合器对偶片及摩擦衬片厚度、半径、内外径比、摩擦材料的导热系数及弹性模量均对离合器热弹性不稳定性均有重要影响,摩擦材料热膨胀系数影响较小.      

高邮凹陷南断阶东部阜宁期构造应力场及其对断层的控制作用

在断层级别划分的基础上分析断层的走向变化、组合规律及活动特征,建立地质模型,并确定SE152°~NW 332°为区域应力的加载方向,结合岩石力学试验确定岩石力学参数及加载应力值,采用有限单元法对工区阜宁沉积期构造应力场进行数值模拟,详细分析构造应力对断层的控制作用。结果表明:南断阶东部阜宁沉积期最小主应力均表现为张应力,沿真①断层在许庄地区和竹墩地区的向北凸出位置出现两个最小主应力高值区,断层发育密集;剪应力呈条带状右旋、左旋区域相间展布,右旋最大剪应力和最小主应力控制产生北北东向正断层,左旋最大剪应力和最小主应力控制产生近东西向正断层。     

载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性

通过在不同应力水平下对岩石试样的加载-卸荷实验,对岩石试件在不同应力状态下受到"加载-卸荷"扰动时的声发射特征进行了试验研究.结果表明:在较低的应力水平下,岩体在受到加载作用时,会产生少量离散的声发射,而在卸载过程中几乎不产生声发射;而在较高的应力水平下,在受到加载扰动作用时,声发射活动相对活跃,而且在卸载时也有明显声发射信号出现.因此,在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征,在进行地下工程原位岩体的稳定性检测与评价时,必须考虑这种特性.     

The Mechanism of Eliminating Drafting Waves in Spinning

The mechanism of the staple yarn's drafting waves during roller drafting is analyzed in this paper.It's concluded that the dynamic friction coefficient is greater than the static friction coefficient on the friction behavior of fibers, and the difference is largely responsible for the " stick-slip" motion of fibers which causes the drafting waves during drafting. In this paper,it's expected that when a high frequency undulating wave is imposed on the fiber strand in the drafting zone of roller system, the friction among fibers is dominated by the dynamic friction rather than the static friction, and thus the " stick-slip" motion will be eliminated. As a result, the fiber binding effect causing drafting waves can be significantly reduced. This hypothesis is verified by an experiment, and it can be applied in developing new spinning drafting device.     

Effects of acoustic waves on stick-slip in granular media and implications for earthquakes

It remains unknown how the small strains induced by seismic waves can trigger earthquakes at large distances, in some cases thousands of kilometres from the triggering earthquake, with failure often occurring long after the waves have passed. Earthquake nucleation is usually observed to take place at depths of 10-20 km, and so static overburden should be large enough to inhibit triggering by seismic-wave stress perturbations. To understand the physics of dynamic triggering better, as well as the influence of dynamic stressing on earthquake recurrence, we have conducted laboratory studies of stick-slip in granular media with and without applied acoustic vibration. Glass beads were used to simulate granular fault zone material, sheared under constant normal stress, and subject to transient or continuous perturbation by acoustic waves. Here we show that small-magnitude failure events, corresponding to triggered aftershocks, occur when applied sound-wave amplitudes exceed several microstrain. These events are frequently delayed or occur as part of a cascade of small events. Vibrations also cause large slip events to be disrupted in time relative to those without wave perturbation. The effects are observed for many large-event cycles after vibrations cease, indicating a strain memory in the granular material. Dynamic stressing of tectonic faults may play a similar role in determining the complexity of earthquake recurrence.     

汽缸摩擦力特性实验研究

研究汽缸的摩擦力特性.采用出口节流调速的方法建立汽缸摩擦力测试实验台,该实验台可进行汽缸的静动摩擦力测试.测试了汽缸在不同供气压力、不同速度和两腔压差下的动摩擦力特性,建立了汽缸的摩擦力模型,此模型将为研究汽缸的爬行现象和汽缸的伺服控制提供有意义的参考.实验结果表明:空载下汽缸的动摩擦力和速度的拟合关系为二次曲线;汽缸的动摩擦力与两腔压差及压差的方向都有关系.     

振动引起的界面切向相对运动对摩擦的影响

为了研究接触界面振动对摩擦的影响, 自主设计实验装置, 以在振动台上匀速滑动的滑块为对象, 采用理论与实验相结合的方法, 分析法向振动和切向振动引起界面切向运动减摩的机理。实验结果表明, 振动台的法向振动和切向振动经常同时存在。当界面振动, 且滑块与振动台之间的切向相对速度方向不变时, 滑块受到的平均滑动摩擦力与无振动时相同, 没有减摩作用; 当滑块与振动台之间切向相对速度的方向发生周期性变化或存在stick-slip (黏滑)时, 与无振动时相比, 滑块的平均滑动摩擦力有明显的减摩作用。根据Coulomb摩擦定律建立动力学模型进行仿真, 仿真结果与实验结果非常吻合, 说明在界面运动为已知的条件下, Coulomb摩擦模型能够反映界面间的摩擦作用。实验和仿真结果表明, 当法向振动和切向振动同时存在时, 振动引起的界面切向相对运动造成摩擦力方向的周期性变化或stick-slip是减摩的主要原因。     

Frictional ageing from interfacial bonding and the origins of rate and state friction

Earthquakes have long been recognized as being the result of stick-slip frictional instabilities. Over the past few decades, laboratory studies of rock friction have elucidated many aspects of tectonic fault zone processes and earthquake phenomena. Typically, the static friction of rocks grows logarithmically with time when they are held in stationary contact, but the mechanism responsible for this strengthening is not understood. This time-dependent increase of frictional strength, or frictional ageing, is one manifestation of the 'evolution effect' in rate and state friction theory. A prevailing view is that the time dependence of rock friction results from increases in contact area caused by creep of contacting asperities. Here we present the results of atomic force microscopy experiments that instead show that frictional ageing arises from the formation of interfacial chemical bonds, and the large magnitude of ageing at the nanometre scale is quantitatively consistent with what is required to explain observations in macroscopic rock friction experiments. The relative magnitude of the evolution effect compared with that of the 'direct effect'--the dependence of friction on instantaneous changes in slip velocity--determine whether unstable slip, leading to earthquakes, is possible. Understanding the mechanism underlying the evolution effect would enable us to formulate physically based frictional constitutive laws, rather than the current empirically based 'laws', allowing more confident extrapolation to natural faults.     

两自由度随机干摩擦系统的Stick-Slip运动

研究具有两个摩擦面的两自由度系统,引入随机摩擦模型,考虑摩擦力的随机特性,建立了系统的随机动力学模型。通过解耦,将系统分为确定性运动和随机运动的叠加。采用事件驱动法确定系统的运动状态,是全局stick状态,还是全局slip状态,或者是一个slip状态而另一个stick状态。在确定的Stick-slip运动状态下,分别求解确定性方程的解和随机方程的均值。实例分析发现,阻尼可以改变摩擦系统的运动模式跃迁的周期特性。噪声摄动改变了Stick-slip运动的运动模式,可以通过噪声摄动控制Stick-slip运动。     

板式橡胶支座的水平位移特性

为研究曲线梁桥板式橡胶支座在实际运营过程中的受力特性和水平位移发展规律。通过Abaqus建立矩形板式橡胶支座GJZ 500×600×130的有限元模型,对比模型与理论计算的剪切刚度说明了模型的正确性,基于此模型进一步对支座在单次和多次循环位移加载作用下来研究支座水平位移变化规律,然后考虑曲线梁桥板式橡胶支座实际受力情况进行加载,研究支座在变化的竖向压力荷载作用和考虑静动摩擦转变等情况下的位移变化特性,并分析了支座在长期重复荷载作用下的残余变形的发展规律。结果表明：通过此方法建立的支座有限元模型能够较好地模拟支座与上部结构之间的摩擦行为,精确的计算支座的剪切变形和滑动位移;动态的竖向压力作用对支座剪切变形阶段基本不受影响,但对滑动变形阶段有较大大的影响;支座由静摩擦转变为动摩擦时,其水平力和剪切变形会突然减小;支座的残余变形会随着加载次数的增加而累积增大,但增长幅度随着加载次数增长而减小。     

轮式桥面结构疲劳试验机加载系统

设计了基于电液比例控制的轮式桥面结构疲劳试验机(以下简称试验机)液压加载系统。为了确保试验机液压加载系统可以线性控制试验桥面的加载力,设计了加载机构,使得加载机构在最大轮胎变形时对加载力造成的影响小于0.2%。同时,建立了试验机加载系统的仿真模型,对系统的动静态加载进行仿真分析,并通过试验验证。结果表明,设计的试验机加载系统满足控制电压与加载力之间的线性关系,并实现最大15 000 kg的恒压加载工况和2.0 Hz以内振幅1 500 kg的正弦加载工况,能够较好满足当前桥梁疲劳试验的加载要求。     

Atomic stick-slip friction between commensurate self-assembled monolayers

The classical molecular dynamics simulations have been used to examine the compression and friction between commensurate self-assembled monolayers (SAMs) on Au (111). The friction force changes in a period corresponding to the geometric structure of sliding surfaces. The simulations reveal an ordered atomic stick-slip motion and discontinuous movements of diverse monomers, mainly head and tail groups. All of the head groups of the static film have 2～3 metastable positions (MPs). They oscillate around one of the MPs in stick phases and jump simultaneously to a new MP in slip phases. The tail groups of the sliding film are pulled forward together with opposite ones while sticking and jump forward half of the lattice constant relative to opposite ones while slipping. A complete vision of the motion of SAM chains is thereby built up and compared with the molecule behavior predicted by the Tomlinson model.