基于图像数字化技术的裂隙岩石多场耦合分析

引入图像数字化技术来客观地反映裂隙化岩石的非均质性结构分布,并将其转化成物理参数(渗透系数、弹性模量等)的分布图,然后将它和数值方法相结合,应用于裂隙化岩石流固热多场耦合分析中。首先需要获得高清晰度的裂隙岩石数字图像,岩石中不同的结构对应不同的归一化特征值I值(图像像素颜色的特征值),通过I值与材料参数之间的一一对应关系就可以得到岩石中不同结构材料物理参数的真实分布。将物理参数分布输入到我们开发的基于MATLAB和FEMLAB的岩石多场耦合分析程序中,就可以得到真实地反映裂隙岩石的多场耦合作用过程。数值分析结果表明:图像数字化技术与数值方法相结合是可行且有效的,其结果更能反映真实的物理现象。     

精密离心机热变形多物理场耦合数值计算

离心机是惯性导航系统加速度计的标定设备,转盘变形将严重影响标定精度.综合考虑离心机机室内空气流动、流动传热以及机箱和转盘的导热,结合CFD和FEM方法,对精密离心机的热变形进行流-热-固多场耦合计算.分析了多物理场耦合计算原理,采用流固耦合换热整场求解法计算离心机温度场,采用顺序耦合法计算转盘热变形.计算结果表明:在300r/min转速下,转盘最大温升为1.23℃;越远离转盘中心,温升越大;加速度计安装位置的温度计算值与实测值一致,验证了本方法的正确性;转盘安装加速度计位置的径向热变形为7.89μm,热变形是变形累积的结果且随着转盘转速增加而增大.     

基于徐变损伤理论的早龄期大体积混凝土化学-热-力多场耦合模型研究

受水化放热的影响,大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用,极易发生损伤、开裂等不利行为,会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题,该文基于经典损伤理论框架,发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型,综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而,基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系,引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变,根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形,并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。结合相应的显式求解算法,将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析,并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明：该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟,对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。     

求解载流薄壳二维磁弹性的差分法

本文针对在电磁场和机械场耦合作用下的载流薄壳的非线性变形问题进行了研究。给出了载流薄壳在耦合场作用下的二维电动力学方程、磁弹性非线性运动方程和Lorentz力表达式,通过变量代换将描述载流薄壳的磁弹性状态方程整理成含有10个基本未知函数的标准Cauchy型。并通过差分法及准线性化方法,将标准Cauchy型非线性偏微分方程组,变换成为能够用正交离散法编程求解的准线性微分方程组,实现了载流薄壳的磁弹性应力与变形的数值解。     

油垫可倾式静动压混合支承摩擦副变形

液体静压支承在高速重载工况下运行时,由于强挤压和高速剪切联合作用,微间隙油膜温度和油腔压力分布不均匀,导致静压支承摩擦副发生热固耦合变形,影响液体静压支承的承载能力和高精度稳定运行。为了解决该难题,提出一种新型油垫可倾式静压支承结构,其运行过程中可实现任意方向微摆,产生附加动压,形成静动压混合支承,达到高速重载工况条件下静压支承高精度稳定运行的目的。依据流热固耦合理论,采用ANSYS Workbench对支承摩擦副变形进行流热固耦合分析,探讨承载0 t~32 t极端工况条件下旋转工作台、可倾油垫和底座的流热固耦合变形规律。提取变形数据,并经MATLAB编程处理后得到摩擦副变形关系,发现油腔外侧封油边边角处变形最大,此处间隙油膜最薄,最易发生摩擦学失效,成果为进一步控制摩擦副变形和摩擦学失效机理研究提供新方法。     

横观各向同性岩石力学-化学-损伤耦合有限元分析

该文基于层理性岩石的水化作用和连续损伤特性,建立力学-化学-损伤耦合的有限元（FEM）求解方法,开展含钻井孔岩石的井壁应力和围岩损伤演化分析。该文发展横观各向同性Biot本构关系,采用Weibull分布函数表征岩石的非均质性;考虑水化作用引起的损伤,结合当前应力状态的应力损伤得到损伤张量,对弹性模量和渗透率进行损伤分析,实现层理性岩石在水化和荷载作用下的连续损伤演化,形成一套渗流-应力-化学-损伤（HMCD）耦合分析方法。该文给出数值算例,将含损伤横观各向同性模型用于研究层理性岩石的水化特性,表明岩石的非均匀性和水化作用对井壁应力解答具有重要影响,该有限元求解方法可对岩石水化、损伤进行可靠、有效的数值分析。     

载流悬臂柱壳的非线性数值分析

针对在电磁场和机械场耦合作用下的载流柱壳的非线性变形问题的数值解法进行了研究。给出了载流柱壳在耦合场作用下的几何方程、物理方程、二维电动力学方程、磁弹性非线性运动方程和洛仑兹力表达式,建立了差分格式和线性化迭代方程,给出了这些方程的数值解系统,并以悬臂柱壳为例,计算了该壳在电磁场和机械载荷耦合作用下的应力及变形;讨论了其应力及变形与外加电磁参量之间的关系;证明了变化电磁参量可以对壳的工作状态实施控制。     

复合材料层合板的固化残余应力和变形分析

本文采用非线性有限元方法研究了复合材料层合板在固化后期降温过程的残余应力和变形问题。考虑了材料的热物理与力学性质随温度的变化以及变化率和应力间耦合的影响。给出了一些有意义的结果。     

核废料地质处置概念库HM耦合和THM耦合过程的二维离散元分析与比较

描述了二维离散元程序UDEC4.0中求解热-水-应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理,并假定一座核废料处置概念库位于具有二组节理且赋存地下水的岩体中,使用UDEC程序对处置库近场分别为水-应力耦合及热-水-应力耦合的过程进行了数值模拟,考察和对比了两种工况下坑道围岩中的位移、主应力、塑性区、温度、节理开度、水压力和流速的分布及温度随时间的变化。结果表明,热-水-应力耦合与水-应力耦合相比,核废料放热使得处置库有水围岩中应力、位移的大小和方向发生明显的变化,并且围岩中节理开度、水压力和水流速度均有所减小,特别是在坑道边墙附近相当显著。若要在裂隙岩体中安全、可靠地设计、建造和运行核废料处置库,进行相关的热-水-应力耦合过程的分析是很重要的。     

流-固耦合作用下斜坡式防波堤地震动力响应分析

针对地震过程中海水-防波堤-地基的耦合效应,结合某沿海斜坡式防波堤,建立了海水-防波堤-地基系统有限元模型,应用任意拉格朗日欧拉方法以及显式动态有限元方法,对真实地震过程中的防波堤系统动力响应进行了仿真,给出了流-固耦合作用下,不同地震激励的防波堤残余变形以及地震过程中的动水压力时程。研究结果表明：考虑流-固耦合作用对防波堤残余变形响应有较显著影响,且水平向残余变形受影响程度大于竖直向残余变形;地震过程中的动水压力主要受海水主频以及地震激励卓越频率的影响。研究结果可为防波堤设计、安全评价和抗震措施研究提供了理论基础。     

粘弹性土体中深埋圆形隧道的应力和位移分析

基于Biot固结理论,采用渗流-力学耦合模型,研究分析了粘弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。假设衬砌和土体均为多孔介质,隧道处于半封闭状态,边界半透水。在拉普拉斯变换域中得到的应力、位移场和孔隙水压力解答,运用拉普拉斯数值逆变换得到数值计算结果,分析了隧道周围土体中应力、位移场及孔隙水压力的消散规律,讨论了隧道边界的渗透特性和土体的流变性质对应力、位移场以及孔隙水压力消散的影响。     

Continuum effective-stress approach for high-rate plastic deformation of fluid-saturated geomaterials with application to shaped-charge jet penetration

A practical engineering approach for modeling the constitutive response of fluid-saturated porous geomaterials is developed and applied to shaped-charge jet penetration in wellbore completion. An analytical model of a saturated thick spherical shell provides valuable insight into the qualitative character of the elastic–plastic response with an evolving pore fluid pressure. However, intrinsic limitations of such a simplistic theory are discussed to motivate the more realistic semi-empirical model used in this work. The constitutive model is implemented into a material point method code that can accommodate extremely large deformations. Consistent with experimental observations, the simulations of wellbore perforation exhibit appropriate dependencies of depth of penetration on pore pressure and confining stress.     

不同粘弹减摆器连接的直升机地面共振分析

建立了粘弹减摆器不同连接形式时的旋翼／机体耦合动稳定性分析模型。旋翼／机体耦合动力学模型考虑了非定常空气动力和桨叶挥舞／摆振运动耦合。通过机体当量模型向机体瞬时转心的转换来计入地面运转时机体的滚转和俯仰运动。采用基于复模量的非线性VKS改进模型，建立叶间粘弹减摆器和普通连接粘弹减摆器的小扰动力矩方程。采用特征分析法计算了两种减摆器连接形式的直升机地面共振稳定性。工程实例分析结果表明，本文方法具有物理概念清晰、运用方便的特点。     

轴对称胀形双曲金属薄壳非线性静力分析

对承受内压、非等厚轴对称双曲薄壳,基于大塑性变形几何关系,通过严格的数学推导,建立了用微分代数方程组描述的数学模型。避免了Gleyzal等建立的变形几何关系采用Taylor展开,导致求解大应变问题精度较低的不足。采用可变步长和变阶的Klopfenstein-Shampine数值微分方法进行计算,可方便地获得该类结构应力、应变和位移等参量的变化规律。通过对比该数学模型和基于Gleyzal几何关系数学模型的数值计算结果与试验结果,验证了模型能较好地描述胀形双曲金属薄壳的大应变特性。     

地震液化的突变模型研究

能量和标准贯入击数是用于液化评价的两个综合性指标。以经过持时修正的能量函数和经过粘粒及上覆压力修正的标贯击数为控制变量,以振动孔隙水压力增长为状态变量, 根据液化的物理意义、室内试验所得到的孔压发展曲线的特点和国内外实测液化资料,建立了基于修正Zeeman 突变方程的孔压发展模型。与目前广泛使用的传统尖点突变模型相比,修正模型增加了一项和三个系数,这样做既保留了原方程中状态变量与其中一个控制变量成线性关系这一优良性质,又能够适应于准确模拟孔压与液化发展。在此基础上,利用液化资料,基于统计学中控制“弃真”概率的方法,运用Matlab 逐步逼近确定了所有的六个待定未知量, 确定了分叉曲线和新旧坐标之间的转换关系。检验结果表明了所建议模型的合理性。     

A local thermal non-equilibrium model for transversely isotropic porothermoelastic materials

This work presents a local thermal non-equilibrium (LTNE) poroelasticity model for transversely isotropic porous media and applies the model to the problem of a cylindrical hole in an infinite porous medium subjected to convective cooling on the boundary of the cavity. The LTNE thermo-poroelasticity equations are solved using Laplace transform, and numerical examples are presented to examine the effects of LTNE and material anisotropy on the pore pressure and thermal stresses around the cavity. The results show that the thermal pore pressure and the magnitudes of thermal stresses increase significantly with an increase in the thermal expansion coefficient in the transverse direction. However, the elastic modulus anisotropy alone has only a marginal effect on the thermal pore pressure and stresses. The results also confirm that the LTNE effects become more pronounced when the convective heat transfer boundary conditions with moderate Biot numbers are considered.     

考虑材料剪胀及软化的有压隧洞弹塑性分析的解析解

基于俞茂宏统一强度理论,考虑岩土类材料的软化和剪胀特性,采用三线性材料软化模型,分析了有压隧洞围岩内的应力状态、围岩位移、洞壁位移及洞周所能承受的最大内压等。并且根据位移或内压力的大小给出围岩所处状态的判别式,已有的一些采用Mohr-Coulomb强度理论的解均为本文的特例。通过实例分析了剪胀、软化及不同强度模型对围岩状态、围岩内应力及位移和最大内压力的影响。     

Coupled CFD–DEM method for undrained biaxial shear test of methane hydrate bearing sediments

Methane hydrate (MH), a potential source of future energy, is extensively deposited in marine sediments. It is essential to understand the mechanical properties of methane hydrate bearing sediments (MHBS) for applications relevant to mining and geotechnical engineering. This study aims to investigate the undrained shear strength of MHBS through coupled computational fluid dynamics and discrete element method (CFD–DEM) numerical approach. The Tait’s fluid state equation is implemented into the Navier–Stokes equation-based CFD, while the DEM is used to model granular particle system of MHBS. The CFD–DEM tool is first verified by two typical geomechanics problems where analytical solutions are available. The simulations show that the stress–strain behavior of MHBS depends on temperature, back pressure and MH saturation, as observed in reported experimental results. The presence of MH alters the hardening response of clean sand into softening response due to the bonding effects of MH. The friction angles and cohesions described by total stress and effective stress both increase as the back pressure and MH saturation increase or the temperature drops. There is significant localization in MH bond breakage events but no localization effect is observed in fluid flow and excess pore pressure distribution. This is because fluid is mostly controlled by the boundary conditions instead of specific fluid–particle interactions locally in the simulated quasi-static loading.     

渗流作用下井筒周围岩石内弹塑性应力分布规律及井壁稳定条件

将地层岩石视为多孔介质,考虑了孔隙压力和渗流作用的影响,根据弹性理论和摩尔一库仑屈服条件以及岩石损伤后的软化特性,对井筒周围岩石进行了弹塑性力学分析,给出了井壁稳定条件。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞饱和土-衬砌系统的动力响应

考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明：爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。