热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法及工作特性研究

能量桩在正常服役过程受热-力耦合作用,其荷载传递特征将发生改变,但现有能量桩承载特性的理论方法尚不够完善.为研究热-力耦合作用下能量桩单桩承载特性,考虑温度对荷载传递函数的影响,提出基于荷载传递法和能量平衡原理的热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法,通过迭代求解得到任意荷载-温度组合作用下桩身内力和位移,将计算结果与试验结果进行对比,结果较吻合.研究结果表明：温度作用会影响桩身轴力和桩侧摩阻力变化规律.对不同桩顶荷载水平下的桩顶沉降值进行分析,在荷载-升温/降温工况下,当桩顶荷载水平较低时（≤25%Pu,Pu为极限荷载）,温度变化对桩顶沉降幅度影响显著,桩顶沉降幅度可达到55%（25%Pu）;尤其荷载-降温工况下,当桩顶荷载水平超过75%Pu时,桩顶沉降量临近极限值,此时需特别注意桩基承载性能.     

基于指数模型的能源桩热-力耦合荷载传递法

能源桩技术的推广应用促进了能源桩分析理论的发展,但现有能源桩热-力耦合荷载传递法的研究尚不够完善。基于桩侧-土荷载传递的指数模型,改进了温度效应下能源桩热效应中性面确定条件,在荷载传递分析中叠加温度效应引起的桩身位移,建立了基于指数函数模型的能源桩热-力耦合荷载传递分析方法。结合能源桩的现场测试案例,利用本文方法进行了模拟,验证了本文方法的可行性。计算结果表明:温度效应引起了能源桩的桩身轴力及侧阻力的重分布。     

渗流作用下能源桩的换热性能及热-力耦合特性

为了探寻实际工程中能源桩桩周土壤地下水渗流对能源桩传热性能和热-力耦合特性的影响,建立了考虑地下水渗流的能源桩热-力耦合数值模型,探讨了夏季工况下地下水渗流对能源桩热力学性质的影响。结果表明：夏季工况下能源桩在60 m/a水平渗流场作用下的换热量相对于无渗流情况可增加1.34倍,桩体温升可降低9.12%,地下水的流动降低了桩体位移、桩体轴力、侧摩阻力的变化幅度,还使得能源桩可以更快地达到稳定运行工况;在地下水渗流的影响下,渗流上游的土壤热影响范围明显缩小,但渗流下游的热影响范围显著扩大。     

弹性半空间的热弹耦合振动

根据热力学第一、第二定律推导出能量守恒方程,进一步推导出弹性半空间的热弹耦合振动有限元方程组,提出一种稳定隐式－显式积分方法求解耦合方程组的时间历程问题,研究了热弹耦合因素对弹性半空间振动的影响。     

热弹性非线性耦合理论及一个半空间问题的解

指出热弹性理论中温度与应变耦合项的非线性性质及其重要性,建议以非耦合理论或线性耦合理论的解为基础,选取适当广义坐标,用变分方法求解非线性耦合问题。对于边界受温度冲击作用的半空间问题,本文计算结果表明,在较高的温度冲击幅度下,非线性耦合理论与线性耦合理论和非耦合理论的差异是不容忽视的。     

热-力耦合作用下新型能量桩承载性能试验

能量桩在承担上部建筑荷载的同时兼起到地源热泵换热器的作用,热-力耦合作用下对其承载性能产生的影响与常规桩不同。基于室内模型试验方法,对热-力耦合作用下饱和砂土地基中新型能量桩(掺入0.6%的钢纤维和4%的石墨)桩周温度场分布、桩身热应力、桩端土压力、桩身侧摩阻力、桩顶以及桩周土体竖向位移的变化规律进行研究。试验结果表明：桩端土压力在升温时逐渐增大,降温时逐渐减小;桩身热应力随着深度的增加呈现先增加后减小的趋势,同一深度处温度越高桩体内产生的热应力越大;无论有无工作荷载,桩侧摩阻力均随温度的升高而增大;工作荷载作用时,随着循环次数的增加桩顶的沉降位移不断累积,对结构的安全性、耐久性及正常使用造成不利的影响。     

热—力耦合下能源桩沉降和荷载传递特性的数值分析

在热—力耦合下,能源桩荷载传递及其沉降规律是能源桩的研究热点。通过FLAC~(3D)有限差分软件研究能源桩在冬季运行工况下的沉降和荷载传递特性,并用London试验验证数值计算结果的合理性和正确性。通过研究温度对桩身轴力以及桩体和桩侧土体的沉降的影响,发现热—力耦合作用下桩体的轴力大于仅荷载作用时;桩体因自身温度升高而膨胀,桩体的上半部分相对于桩侧土体向上运动,桩体的下半部分相对于桩侧土体向下移动,使得桩体顶部的沉降量减小,热—力耦合作用下桩侧土体的沉降量小于仅荷载作用时。     

水-热-力耦合的单管冻结理论及其数值模拟

为研究考虑水-热-力耦合的人工冻结的环境效应,保证冻结施工安全,推导了水-热-力耦合的单管冻结理论公式,并将推导公式基于ANASYS软件进行了数值实现,对数值模拟成果进行了对比分析.结果表明:数值模拟冻结壁厚度达1.5 m,径向最大拉应力为0.39 MPa,最大压应力为0.2 MPa,与同条件下实际工程监测结果较为一致;冻结壁最大剪应力为0.36 MPa,最小剪应力为-0.27 MPa;冻胀最大位移达4.15 cm,比同条件下实际工程的监测结果大.数值模型验证了理论公式的有效性,相关结果可为类似工程参考.     

岩石热-力作用过程的耦合

针对现有研究很少探讨加载和加温的历史对岩石热-力破坏的影响,利用带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳实验机系统,通过先井温后加载和先加载后井温两种不同加载加温顺序的细观实验,实现了岩石试样在温度和力作用下的热-力耦合破坏个过程的实时监测,结果表明：加温加载途径对材料的变形破坏是有影响的,它们是相互耦合的非线性作用过程。从能量的观点理论计算了两种不同加载途径的应变能。理论和实验证明,岩石在温度载荷作用过程中,应考虑其热-力耦合效应。     

高速电主轴力-热耦合特性建模

针对高速电主轴工作在力热耦合状态下,结合部刚度、阻尼、热阻等物理参数确定及结合部的精确计算困难等问题,采用分形接触理论和赫兹接触理论,研究了高速电主轴固定结合部和可动结合部的力-热耦合特性,建立了高速电主轴结构界面的物理表征方法.在此基础上,提出了一种考虑结合部特性的高速电主轴力-热耦合建模及其数值方法,并结合机床高速电主轴实验测试,验证了该方法的有效性.     

各向异性弹性孔隙介质中的热-流-变形耦合模型

研究微小孔隙介质中应变导致渗透率各向异性的问题.采用有限单元法综合分析处理储层变形-渗流-热传导耦合模型与应变导致渗透率变化模型,并用该方法分析弹性多孔介质的二维非等温变化单相渗流的耦合问题.对比结果表明,应变导致的渗透率变化模型能有效反映蒸汽注入引起的岩层各向膨胀,与热采过程中油藏的实际情况更吻合.     

能源桩热-力学特性模型试验与数值模拟

能源桩是集地源热泵与建筑桩基于一体的建筑节能技术,具有经济、环保和节省地下空间资源等优点,因热-力耦合作用导致其承载性状不同于普通工程桩。基于室内模型试验和数值模拟研究,针对多次温度循环下饱和黏土地基中能源桩热-力响应展开研究,分析了桩周温度场、桩土沉降、桩侧摩阻力的变化,结果表明：升温时桩身温度沿深度逐渐减小,土体温度沿径向逐渐降低;降温所引起的桩顶沉降量大于升温的膨胀量,多次温度循环导致桩顶产生不可逆的累积沉降,其累积变形可能会对上部结构的安全造成影响。桩周土由于土体的热固结也发生不同程度的沉降,距离桩身越近沉降越大,且土体沉降速率随循环次数的增加呈逐渐减小趋势,三次循环后B₄点沉降达到1.42%D(D为桩直径);温度荷载所引起的侧摩阻力随温度的升高和循环次数的增加而逐渐增大;升温时桩体上部产生负的侧摩阻力,下部产生正的侧摩阻力,降温时恰好相反,工作荷载的作用导致桩身产生负摩阻力的区域逐渐变小,位移零点也逐渐上移。运用COMSOL Multiphysics软件建立三维数值模型可较好地模拟热-力耦合作用下能源桩的承载力特性,数值模拟结果与模型试验结果吻合度较高,...     

盘式制动器热弹性耦合分析

探讨了汽车盘式制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性问题及其分析方法.利用有限元分析软件ANSYS 8.1建立盘式制动器热弹性耦合分析的三维有限元模型,确定对模型求解的边界条件、载荷步及模拟工况,研究进行制动器热弹性耦合分析的过程,通过仿真计算得到制动器工作过程中制动盘瞬态温度场、应力场等重要信息.     

岩石热损伤-力耦合能量破坏准则研究

通过先升温后加载、先加载后升温的实验研究,论证了加载和升温历史对材料损伤破坏的影响。采用连续损伤力学方法,研究了岩石材料在变温环境下的热损伤破坏问题,基于能量理论推导出材料在同时考虑温度、载荷和损伤耦合效应的计算材料损伤余能释放率的余能函数。根据损伤余能释放率,建立了岩石热损伤破坏准则。指出研究岩石在温度和机械载荷作用下的损伤破坏行为,应考虑热损伤-力耦合效应。     

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20～300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。     

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

核废料处置库近场的热-水-力耦合分析

为研究高放射性核废料地质处置的热-水-力耦合过程,以FEBEX原位试验为计算模型,利用有限元软件code-bright进行数值模拟分析,得到热-水-力耦合作用下处置库关闭后近场膨润土和岩石内温度、饱和度、吸力、应力及位移的变化规律,其结果可为核废料处置库的规划、设计以及缓冲／回填材料的选取提供参考．     

热-力耦合作用下钢柱的动力特性分析

根据结构稳定理论导出了钢柱在热-力耦合作用下的振幅计算式,探讨了温度、柱阻尼、柱的尺寸效应、激振频率及纵向惯性力对钢柱动力性能的影响,提出了避免或减小钢柱振动的一些措施,为钢柱的动力分析与抗火设计提供了参考依据.