EDA介质中地震波速度,衰减与品质因子方位异位研究

通过考察ＥＤＡ介质中应力应变关系,建立了ＥＤＡ介质中考虑非弹性效应的地震波动方程组。其中,裂隙引起的非弹性效应体现在波动方程组中位移分量关于时间ｔ的三次导数项上。     

横观各向同性饱和弹性多孔介质三维非轴对称Lamb问题

基于孔隙介质的Biot理论, 首先引入位移函数, 将圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质的Biot波动方程转化为两个解耦的6阶和2阶控制方程.然后根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换, 求解了Biot波动方程, 得到了以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解, 并用一般解给出了饱和多孔介质总应力分量的表达式. 在此基础上研究了横观各向同性饱和半空间体的Lamb问题. 考虑表面排水和不排水两种情况, 得到了横观各向同性饱和弹性半空间体在表面竖向和水平谐振力作用下, 表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解, 给出了算例.     

一种确定双重孔隙介质黏聚力与内摩擦角的方法及其有限元分析

对于双重孔隙-裂隙介质岩体,考虑裂隙对孔隙基质强度的弱化作用,提出了一种确定此种岩体表征单元中任一平面上黏聚力N c及内摩擦角N?的方法,通过本方法得到计算结果与Attewell法所得岩体强度各向异性变化曲线基本一致,证明了所建立的N c,N?值计算式是合理的.将上述求N c,N?的方法引入所研制的二维弹塑性有限元程序中,针对岩体中不同裂隙状态的一个矩形地下洞室,对3种不同工况进行计算与分析,结果显示:随着裂隙组数的增加,岩体的黏聚力和内摩擦角减小,围岩中应力、位移的量值及分布发生明显变化,且塑性区的面积非线性急剧增长.     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

非匀速运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论

从实际工程应用角度出发,我们构建了非匀速运动介质(物体)系统中的动生麦克斯韦方程组(Maxwell’s equations for a mechano-driven media system),拟解决在非惯性系中低速变速运动介质以及介质形状和边界随时间/空间变化时电磁场的动力学演化规律.本文概括总结了动生麦克斯韦方程组理论的核心内容,包括方程组的构建背景、物理图像、基本特点、与经典方程组之间的区别和联系、求解方法、潜在应用范围等.深入探讨了动生麦克斯韦方程组和经典麦克斯韦方程组之间的四个主要区别,并提出近场电动力学与远场电动力学的基本概念.最后,对动生麦克斯韦方程组在科学和技术方面的潜在影响进行分析和展望.     

双重孔隙-裂隙岩体中地下洞室稳定性的瞬弹-粘弹-粘塑性二维有限元分析

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,但其中的瞬弹、粘弹及粘塑性元件由岩块和节理的成分构成,建立了该模型的平面有限元求解格式并引入已开发的计算程序中.针对一个矩形地下洞室围岩中无、有成组正交或斜交裂隙的四种计算方案,进行数值模拟,分析、对比了围岩中的位移、应力及塑性区.其结果显示:多组裂隙的作用一是降低了完整岩体的抗剪强度,二是改变了围岩中的应力分布及量值;与单一介质相比,双重介质围岩中位移的方向有所变化,其随时间发展的量值明显增大,并且应力场的分布也有相应的改观;随裂隙组倾角的改变,双重介质围岩中的塑性区范围可能比单一介质围岩中的大或小.     

饱和土三维非轴对称Lamb问题

基于积分变换方法提出位移组合积分变换和应力组合积分变换式,成功地求解了Ｂｉｏｔ两相介质理论的饱和土三维非轴对称问题动力方程,得到了以土骨架位移和孔压为基本未知量的积分解。在此基础上系统地研究了饱和土的Ｌａｍｂ问题。考虑了表面排水和不排水两种条件,得到了三维非轴对称饱和弹性半空间在表面竖向和水平力作用下,表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解,并将解答准确地退化到弹性半空间经典Ｌａｍｂ问题解,     

考虑非线性多孔弹性介质热流固耦合动力响应模型

基于Biot波动方程及热弹性动力理论,Darcy定律及修正的Fourier热传导定律,考虑流固两相介质的压缩性,渗流速度对热扩散的影响及温度梯度对渗流速度的影响,建立了饱和多孔弹性介质热流固完全耦合的动力响应模型（THMD）及控制方程,该模型可退化为基于传统Fourier热传导定律的热弹性动力模型（TMD）.最后,利用Laplace变换分析了地表作用有随时间变化热/力源条件下的一维热动力响应问题,讨论了反映土体缩性的Biot模量、热水渗透系数对结果的影响,并与热弹性动力模型结果进行比较,验证了结果的正确性.     

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.     

弹性各向异性及位错组态对TiAl超位错分解宽度的影响

利用扩展位错间的弹性作用能与层错能之间的平衡关系,对TiAl中〈101 〉和1/2〈11 〉型超点阵位错在不同位向、不同分解组态下的分解宽度进行了理论计算.结果表明,超点阵位错的分解宽度除了受层错能和位错性质（刃或螺）的影响外,还受弹性各向异性、超点阵位错类型及分解方式的影响. 在弹性各向异性的条件下,螺型1/2〈11 〉超点阵位错的分解宽度比具有相同层错能的螺型〈10 ］超点阵位错的分解宽度大,而刃型1/2〈11 〉超点阵位错的分解宽度则比〈10 ］超点阵位错的分解宽度小.计算了弹性各向异性条件下超位错发生二分、三分、四分及发生共面和非共面分解时其分解宽度的变化情况.这些结果为准确测定TiAl中的层错能和评估〈10 〉和1/2〈11 ］型超点阵位错的可动性提供理论支持.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

爆轰波绕射问题的高精度数值模拟研究

高精度数值模拟方法在具有化学反应及强间断的炸药爆轰问题数值模拟中具有重要的应用价值.本文通过求解柱坐标系下二维轴对称反应流欧拉方程组,采用基于Level set界面捕捉方法的欧拉型高精度多介质数值方法,编写了凝聚相炸药非理想爆轰程序,并对TATB基炸药在拐角效应中的死区现象进行了数值模拟研究.通过对比基于压力的点火增长...     

极寒环境下铁路扣件新型网孔式弹性垫板动力性能及影响研究

为研究新型网孔式弹性垫板在极寒环境中的动力性能,建立网孔式弹性垫板三维有限元模型,选用MooneyRivlin本构模型和温度因子模拟不同温度下橡胶材料的力学性能,分析网孔式弹性垫板动刚度和阻尼系数的温变特性;并基于车辆-轨道耦合动力学理论,计算和分析网孔式弹性垫板在极寒条件下的行车安全性和平稳性,评价网孔式弹性垫板在极寒环境中的适用性.研究结果表明:网孔式弹性垫板具有明显的低温敏感性,当温度在-10℃之上时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数变化较为稳定,当温度低于-10℃时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数随温度降低而急剧增大.温变条件下网孔式弹性垫板对车辆-轨道系统动力学性能有明显的影响:轮轨力和轮重减载率随温度的降低而显著增大,钢轨的垂向动位移量随温度的降低而减小;在极寒的环境中,高速列车的轮重减载率急剧增大,应采用降低列车运行速度的方法确保列车运行安全.     

在线焊接管道设计压力的影响因素

提出了预测在线焊接管道设计压力及烧穿的方法. 运用有限元法对不同参数下在线焊接时的温度场进行了数值模拟, 内部介质流动对焊接温度场的影响通过确定介质与管壁间的换热系数来考虑, 并根据温度计算结果, 获得了管道的剩余强度因子和设计压力, 进而判定管壁是否烧穿. 研究表明: 在线焊接管道的设计压力随着焊接热输入的增大而降低, 当热输入增大到一定程度时, 曲线趋于平缓; 随着流速的增大, 在线焊接管道的剩余强度因子及所能承受的设计压力呈上升趋势, 且在一定范围内增大明显, 故应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件; 剩余强度因子随着壁厚的增加而升高, 当壁厚增大到一定程度时, 在线焊接管道的剩余强度因子增大速度减缓, 此后继续增加壁厚, 则对材料的利用率有所下降. 根据设计压力与各参数的关系曲线可以获得安全操作条件.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

薄壳结构非线性动力学响应的共旋有限元能量守恒与衰减算法

在本文作者建立的薄壳结构大转动、小应变几何非线性静力学分析共旋有限元法的基础上,由Generalized-α时间积分算法出发,建立了用于薄壳结构共旋列式非线性动力学响应分析的能量守恒与衰减算法,响应求解基于一种预估-校正过程.在忽略结构阻尼的情况下,守恒或衰减结构总能量以及对高频响应具有可控的数值阻尼保证了本文算法的数值稳定性.惯性部分直接在固定的总体坐标系中采用单元结点在总体坐标系下的位移进行线性插值,得到常量质量矩阵,弹性部分采用共旋列式,因而本文得到的整个列式是"单元独立的".通过3个数值算例,比较了本文算法与经典的Newmark,HHT-α等算法的性能,结果表明本文算法能够准确地求解存在大平动及大转动运动的非线性结构动力学响应问题.     

基于零初值的测试加速度积分速度与位移的方法

在地震工程、结构振动控制和结构健康监测等研究领域,结构在振动过程中的位移和速度对科学研究和实际工程应用都具有重要意义.由于技术条件及环境因素限制,测试过程中获得的大多为加速度响应信号,需要通过积分获得速度及位移.但是由于初始条件的缺失,导致了测试加速度信号在积分速度和位移过程中产生明显的漂移现象.为解决此问题,本文利用结构的振动规律,在稳态振动阶段寻找速度和位移的零点,并以此作为初值进行积分,最后利用趋势项处理去除零点确定误差产生的漂移.本文数值模拟了单自由度体系和多自由度体系在简谐振动和地震动作用下的结构振动响应,并比较了计算值与准确值的最大相对误差;最后,将该方法应用于5条具有代表性的真实地震动记录,与给出的地面速度和位移进行比较,结果显示在极值处的最大相对误差均小于3%,表明该方法具有较高的计算精度和实际应用价值.     

边坡动力响应规律研究

通过大量动力数值分析对边坡动力响应规律进行研究, 发现了边坡动力响应的位移、速度、加速度三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的节律性特点. 对于一定的岩土体材料, 当边坡高度在一定范围内时, 边坡动力响应的位移、速度、加速度三量在鉛直方向会出现放大作用, 而当边坡高度超过这个范围时, 边坡动力响应的三量分布会出现鉛直方向的节律性特点. 边坡边缘部位对振动的反应幅值较之内部存在放大现象, 随着水平深度的进一步增加, 位移、速度、加速度三量在水平方向也出现节律性的变化. 边坡坡度的变化对位移、速度、加速度放大系数等值线图的分布形式有明显影响, 坡度决定了三量分布的等值线方向和极值区的走向. 边坡的动力响应图像可以用两个指标刻画, 一个是等值线的走向, 一个是平行坡面方向的极值个数.     

波浪作用下粉土特性分析*

利用弱非弹性介质模型,推导了波浪作用下有限深海床内部孔隙水压力、应力以及土骨架和孔隙水位移关系.针对3种海洋土,分析了土床内孔隙水压力、应力、应力角、位移的分布以及弹性波随加载波周期的变化.结合前人的实验结果,讨论了在粉土质海床中所呈现的共振现象.从理论上探讨了该现象发生的力学机制,提出了土床中硬土层的存在是决定土床中是否可能发生共振的必要条件,并且可以预测共振发生的可能区域.     

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.