不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程数值模拟

利用自主开发的拉格朗日元与变形体离散元耦合的连续-非连续方法,开展了不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程的数值模拟研究。当岩石单元的应力满足剪切开裂判据时,考虑了应力脆性跌落效应,在此过程中,围压保持不变。为了检验该方法的正确性,开展了单轴压缩条件下岩样变形-开裂过程的数值模拟研究。针对矩形巷道围岩的计算表明:①冲击速度低时载荷-位移曲线呈单峰特点;冲击速度高时载荷-位移曲线呈多峰特点;②冲击速度低时围岩的开裂呈渐进性特点;冲击速度高时围岩的开裂呈间歇性特点,这与在冲击过程中围岩中过去形成的一种较为稳定的结构(拱)被打破,并在其外围形成了新的稳定结构(拱)有关;③在模型相同垂直方向位移时,冲击速度低时围岩两帮的开裂深度较大,这说明冲击速度低时应力的传递较为均匀,冲击速度低时的结果(例如,V形坑内岩石碎块涌入巷道)与围岩的片帮类似;冲击速度高时的结果(例如,岩石碎块的弹射现象)与岩爆类似。     

采用非连续变形分析对空气冲击湿砂造型过程的数值模拟

空气冲击湿砂造型过程有着本身的特点:快速冲击,离散的材料体系,材料非线性和几何大变形并存,是一个非常复杂的力学过程。本文首次使用非连续变形分析(DDA)的方法建立了粘弹性本构非连续块体模型模拟松散型砂体系,对松散型砂在空气冲击作用下的密实过程进行了数值模拟。通过与相应的实验数据以及有限元方法的计算结果进行比较,本文得出以下结论:非连续变形分析方法可以较好地解决湿砂造型空气冲击紧实过程的数值模拟问题,其应力时间曲线与实测曲线趋势基本相同,相对于有限元方法的计算结果来说,DDA的计算应力值与实测应力值的偏差比较小;使用非连续变形分析进行松散型砂应力场的数值模拟比有限元方法更接近真实情况。     

基于三维离散-连续耦合方法的NPR锚索-围岩相互作用机理研究

恒阻大变形(NPR)锚索作为一种高效的吸能锚索已广泛应用于边坡和采矿工程的加固和监测预警中。NPR锚索工作时的径向膨胀特性将影响整个锚固系统的性能。因此,基于离散元法(DEM)-有限差分法(FDM)耦合方法对静力拉伸作用下NPR锚索-围岩的相互作用机理进行分析。NPR锚索考虑为连续单元体,围岩和锚固材料由离散球体单元表征,将整个NPR锚固系统实现了离散元法与有限元法耦合模拟。围岩的离散元细观参数得到校准,NPR锚索的有限差分宏观参数由相应的静力拉伸室内试验进行验证。通过分析数值结果,对NPR锚索与NPR锚固系统的恒阻力进行了比较;描述了锚索-围岩界面的正应力与切应力的分布特征;此外,对锚固剂与围岩的破坏模式进行了细观研究。研究结果描述了NPR锚索与围岩的相互作用并揭示了NPR锚索的特殊锚固机理,可用于预测和提高NPR锚索锚固系统的性能。     

隧道围岩爆破冲击损伤防护的轻气炮试验及数值模拟

为减小爆破对隧道围岩的损伤破坏,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该装药结构爆破过程中对隧道围岩损伤防护的机理。为进一步验证PVC-U管的防护效果,利用57mm口径的一级轻气炮装置和LS-DYNA软件进行了岩石冲击损伤破坏分析。结果表明：保护层能够降低岩石试件冲击面上的应力波峰值和减小试件的损伤程度;在相同冲击速度下,岩石试件冲击面上的应力波峰值随保护层厚度的增加而不断下降。加有4mm保护层材料的岩石试件的损伤度较无保护层时降低了21.1%。对岩石试件的冲击过程进行的数值模拟验证了理论分析和试验结果的正确性。说明放置在炮孔内的PVC-U管能够对岩石的爆破损伤破坏起到一定的防护作用。     

Research on the stability analysis and design of soil tunnel surrounding rock

The paper first analyzes the failure mechanism and mode of tunnel according to model experiments and mechanical calculation, then discusses the deficiency of taking the limit value of displacement around the tunnel and the size of the plastic zone of surrounding rock as the criterion of stability. So the writers put forward to regard the safety factor of surrounding rock calculated through strength reduction FEM as the criterion of stability, which has strict mechanical basis and unified standard and would not be influenced by other factors. The paper also studies the safety factors of tunnel surrounding rock (safety factors of shear and tension failure) and lining and some methods of designing and calculating tunnels. At last, the writers take the loess tunnel for instance and show the design and calculation results of two-lane railway tunnel.     

基于物元分析与云模型的地下工程围岩稳定性评价

针对以往地下工程岩体质量评判过程中存在的模糊性与随机性问题,根据岩石质量指标、岩石单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数、结构面强度系数和地下渗水量这5项指标建立地下工程围岩稳定性评价指标体系.基于物元分析法,通过计算专家评判矩阵的效度物元及合成权重物元来确定评价指标的重要性.根据确定的评价标准,得到各评价因子隶属于各级别的综合云模型,并针对广州抽水蓄能电站二期地下工程岩体实测数据,先通过正向云发生器计算各评价因子所对应的各个评价级别的隶属度,再与其权重结合得到合成隶属度,然后以最大隶属度为依据判别出岩体稳定性所属级别.将该方法所得评价结果与约简概念格-模糊优选评判法、粗糙集-逼近理想解的排序法(RS-TOPSIS)进行对比,三者判别等级一致,表明该方法准确可靠,且免除了对大量样本的学习过程,能够克服评价指标定性语言和定量数值相互转换所产生的模糊随机性,可以用于地下工程岩体稳定性的评判.     

基于分形损失理论的粗糙节理岩体中应力波波速研究

从损伤力学的基本理论出发,推导了应力波在节理岩石中传播波速的解析解,建立了节理面图像分形维数与波速间的关系。为了从数值角度探讨节理面图像维数对波速的影响规律,基于图像每一像素颜色可表示为一个三维空间矢量的基本假定,构建了节理面图像的粗糙“颜色表面”模型,计算了该“颜色表面”的分形维数,此维数即为节理面图像维数,并通过实例验证了该法的可行性。在此基础上,通过数值方法探讨了波速随图像维数的变化规律,研究显示：随着节理面图像维数增大,节理面粗糙程度的增加,应力波波速相应减小,且在不同的图像维数区间里,波速减小的速率也有所不同     

典型工况下冲击破岩掘进机工作机构力学特性研究

为探究冲击破岩掘进机典型工况下工作机构的力学特征,发现其薄弱环节并提供改进依据,利用Pro/E软件建立其工作机构三维实体模型,根据冲击锤破岩的力学模型,采用应力波合成理论,并利用M atlab汇编语言求得冲击破岩的凿入力,使用ANSYS软件对工作机构冲击巷道顶部右肩角时两钎杆由不同步到同步破岩的过程进行有限元分析。研究表明：由不同步向同步工况转换过程中,两钎杆应力差、扭矩、扭转变形逐渐减小直至相等;摆动支座与动臂及举升油缸、摆动油缸铰接处,摇臂与动臂、动臂油缸铰点处有应力集中;摆动支座是工作机构薄弱环节,最大变形发生在锤头部;偏载作用导致钎头有明显变形,动臂应力危险区位于受偏载侧,对工作机构力学性能影响较大。     

Second-order adjoint equation method for parameter identification of rock based on blast waves in tunnel excavation

The objective of this study is to present a method for identifying the elastic moduli of ground rock via the first- and second-order adjoint methods using blast vibration measurements during tunnel excavation. For identifying these parameters, the magnitudes of the blast force should be identified beforehand. Parameter identification is a minimization problem of the square sum of the discrepancy between the computed and observed velocities. The magnitudes of the three components of borehole pressure are assumed to be independent in each direction. The propagation of an elastic wave is assumed because the amplitude of such a wave is infinitesimal. The three-dimensional finite element method and the linear acceleration method are used effectively. The extended performance function can be expanded into a series of small constants to derive the necessary condition of minimization. The adjoint equation and the dynamic equation of motion can be used to obtain the gradient and the Hessian product of the extended performance function with respect to the parameters. The weighted gradient method and Broyden–Flecher–Goldfarb–Shanno method are successfully employed for the minimization. By applying the present identification technique at the Ohyorogi tunnel site, the fact that the computed and observed velocities are well in agreement is verified. The present method can be shown to be useful for tunnel excavation.     

基于能量法研究刚性质量块轴向撞击圆柱壳的屈曲

基于能量法,考虑应力波效应,研究了刚性质量块撞击圆柱壳的屈曲问题.建立拉格朗日函数,将其和计算获得的符合边界条件的准试函数代入第二类拉格朗日方程,得到二阶线性偏微分方程,分析方程解的特性,得到刚性质量块撞击圆柱壳屈曲临界速度的解析表达式.算例分析讨论了临界长度、冲击质量、轴向模态数、环向模态数、径厚比对屈曲的影响.结果...     

基于荷载时程分析法的商用飞机撞击钢板混凝土结构安全壳的有限元分析

由于钢板混凝土墙背部钢板能够有效地约束混凝土在撞击方向上的运动以及限制混凝土碎片的飞溅,为了抵御商用飞机撞击,新型核电机组的核岛厂房外墙通常设计为钢板混凝土结构(SC)。本文基于荷载时程分析法,运用经典的显式非线性动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,进行了波音707-320型号商用飞机撞击某钢板混凝土结构安全壳的响应分析。计算结果表明,即使在安全壳筒身最不利撞击部位冲击作用下,像波音707-320型号的商用飞机对该安全壳的影响是较小的,且增大钢板的厚度能够有效的减小冲击作用下结构的响应。     

Analysis of damaged material containing periodically distributed elliptical microcracks by using the homogenization method based on the superposition method

The presence of multiple microcracks in a structural component causes material degradation such as reduction in the stiffness or reduction in the fracture toughness of the component. In this paper, the homogenization method is used to evaluate mechanical properties of the damaged material. The adaptation of the superposition method to the homogenization method is also presented. The proposed method makes use of the finite element solution of uncracked solid and the analytical solution. The effective elastic moduli of damaged materials containing lattice-distribution microcracks are estimated by the proposed method. Furthermore, the stress fields and the stress intensity factors of the elliptical microcracks in the damaged material at a micro-mechanics scale are evaluated to illustrate microscopic behavior such as crack interaction.     

肘形挠性接管冲击特性试验研究

针对肘形挠性接管特殊结构形式,提出了两根相同挠性接管对称或反对称安装测量方案,用于测量其不同坐标方向上的冲击特性。采用阶跃松弛释放法,测量了不同工况下肘形挠性接管冲击振荡的固有频率与阻尼比,从被测试件对应工况时机械阻抗测试曲线中获取了肘形挠性接管的端部等效质量,用于冲击刚度的计算,进而计算出阻尼系数。通过分析不同工况下冲击特性的变化规律,得到了一些初步结论,为抗冲击设计和计算提供了参考依据。