一种非定常参数的岩石蠕变本构模型

在前人的研究基础上提出了一种新的非定常参数的岩石蠕变模型,该模型由一个牛顿体和一个类似于开关的SO元件并联后与一个广义Kelvin体串联,通过SO元件的作用,新模型可以在Burgers模型与广义Kelvin模型之间切换,并将Burgers模型中牛顿体的粘滞系数η1看成与时间有关的非定常参数,使得模型不仅可以反映稳态蠕变过程也可以反映加速蠕变过程.     

基于非定常分数阶微积分的岩石蠕变模型研究

分数阶导数引入蠕变模型可较好地模拟蠕变特性,为了解决常规分数阶黏滞体的微分阶次多为定常数,不能用同一元件模拟岩石蠕变的衰减、稳定或加速阶段的问题,基于分数阶微积分理论,提出了一种非定常微分阶次的分数阶黏性元件,将此元件与引入分数阶的理想黏塑性体及理想弹簧串联,建立了新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型的蠕变方程,并分别利用岩石蠕变试验结果及西原体模型、河海模型对其合理性进行了验证、对比。结果表明:所建模型拟合曲线与试验数据吻合较好,误差较小,具有较高的准确性及合理性,能够较好地模拟岩石蠕变全过程。     

深部矸石充填体黏弹性效应及顶板时效变形特征

深部充填开采矸石充填体的黏弹性特征对顶板长时变形具有重要影响.采用矸石充填体侧限压缩试验系统测试了矸石充填体的黏弹性,建立了矸石充填体分数阶蠕变模型和分数阶蠕变地基梁模型,给出了分数阶黏弹性地基梁的挠度表达式,结合工程案例分析了顶板时效变形特征,认为深部环境下矸石充填体具有显著黏弹性效应,而顶板会随充填体的蠕变不断产生变形,且其时效变形可采用矸石充填体分数阶黏弹性地基梁模型预测.结果表明:矸石充填体在分级加载下,总蠕变应变随蠕变时间和最大应力的增加而不断增长,应力达到20 MPa时,应变增幅为2.86%;识别了矸石充填体分数阶蠕变模型参数,参数识别精度R²均大于0.99;根据分数阶黏弹性地基梁挠度表达式计算得出顶板10 a蠕变量较1 a蠕变量在采场充填区中心位置增加2.73%;分数阶黏弹性地基梁顶板变形理论值与新巨龙1302N工作面直接顶下沉实测值相对误差为4.29%.     

改进的广义Kelvin岩石蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型难以描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,提出一种新的时间触发非线性黏性元件,并将其与广义Kelvin模型串联,再将岩石蠕变过程中岩石弹性模量的衰减方程引入到广义Kelvin模型中,得到了一个可以模拟岩石蠕变全过程的非线性蠕变模型,推导了不同恒定荷载情况下的一维和三维蠕变方程。根据通用全局优化算法,利用前人所研究的岩石蠕变实验曲线对非线性蠕变模型进行参数确定和模型验证。模型理论计算值和岩石蠕变实验曲线的对比表明该蠕变模型具有较高的正确性和合理性,能较好地模拟岩石在不同应力水平下的蠕变变形,可为今后开展类似研究提供一定的参考价值。     

基于分数阶导数的岩石蠕变本构模型研究

针对组合元件模型无法描述岩石非线性蠕变加速阶段的劣势问题,将基于分数阶理论的软体元件和弹簧元件与一个由摩擦件及牛顿黏壶并联组成的非线性黏塑性组合体串联,组成一个能较好描述岩石蠕变全过程基于分数阶导数的四元件蠕变模型.分析岩石蠕变3个过程特点,推导出四元件模型的表达式.结合锦屏水电站绿片岩、万州红层砂岩和长山盐岩的蠕变试验数据,对该分数阶模型进行拟合,发现调整分数阶模型中的分数阶数可以更好模拟岩石等速蠕变阶段的非线性渐变过程,同时该分数阶模型也能体现加速蠕变阶段岩石应变随时间发展呈现指数函数增长的特点.通过对比,认为该分数阶模型能很好模拟岩石蠕变的全过程,且模型组合简单、参数少,具有良好的实际应用价值.     

含水炭质板岩非线性蠕变损伤模型及应用

对深埋隧道炭质板岩进行高围压不同含水状态三轴蠕变试验.蠕变过程中,随着加载应力水平提高及含水量的增加,炭质板岩产生衰减、稳态及加速蠕变3阶段.将Burgers模型串联一个由非线性黏壶η(n,t)与塑性体并联而成的非线性粘塑性元件,改进后的模型可描述加速蠕变曲线.由该模型建立本构方程,拟合分析不同含水状态炭质板岩的蠕变参数,结果显示粘滞系数ηM、瞬时变形模量EM、粘弹性变形模量EK、粘弹性粘滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减,但递减规律并不相同.引入含水损伤变量D(w),计算得到各蠕变参数指数型含水损伤演化方程,进而建立了考虑含水损伤的非线性蠕变模型,可充分反映不同含水状态对炭质板岩的蠕变损伤特性.建立数值模型,计算不同含水状态隧道围岩时效变形规律,结果显示初期支护体系于168 h左右闭合能有效限制围岩蠕变变形发展,二衬宜于初期支护闭合后360 h左右施作.     

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明：试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。     

单向压缩对小麦堆蠕变特性及品质影响的研究

明确仓储小麦粮堆长期荷载作用下的压缩变形规律及对小麦品质的影响对于储粮安全管理至关重要,通过单向压缩试验研究了小麦堆在竖向压力为100～500 kPa条件下的压缩变形特性,以发芽率为评价指标探究压缩变形对小麦品质的影响。结果表明：小麦堆的压缩变形主要经历瞬时变形、快速变形和稳态蠕变3个阶段,荷载增加阶段的粮堆瞬时变形是产生较大压缩变形的主要因素;小麦堆变形及粮堆密度随竖向压力的增加呈上升趋势;Hooke弹簧与Kelvin模型串联组成的蠕变模型能较好地描述小麦堆的压缩变形,且不同竖向压力下稳态蠕变阶段的变形曲线相互平行;竖向压力影响小麦籽粒活力,随着竖向压力的增加,小麦籽粒发芽率降低。研究结果可为仓储结构的设计及粮食安全储藏提供理论支持。     

岩石三维非线性黏弹塑性损伤蠕变模型研究

为了准确描述岩石蠕变曲线的各阶段特征,将Kelvin模型中黏壶元件的黏滞系数定义为与时间相关的函数,并根据蠕变损伤理论构建了一个考虑蠕变参数随时间劣化的损伤黏弹塑性体,进而将弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏弹塑性体进行串联,提出了可以描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性损伤蠕变模型,并合理推导了该模型在恒应力情况下的一维和三维蠕变方程。最后,根据相关蠕变试验数据进行参数识别来验证损伤蠕变模型的有效性,对比分析理论模型和试验数据的相关性,结果表明该模型能很好地描述岩石蠕变全过程,且相关系数均在0.92以上。     

高低应力水平下胶结充填体蠕变特征及分数阶本构模型

胶结充填体在采场中会经历不同应力水平的长期荷载作用,其不同应力水平下的蠕变特征直接影响矿山的安全生产.基于此,本研究制备了不同灰砂质量比的胶结充填体试样,进行了单轴压缩与分级蠕变试验,获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律,探讨了胶结充填体在低应力水平与高应力水平下的蠕变特征,构建了胶结充填体分数阶蠕变本构模型,并进行了验证.研究结果表明：胶结充填体的蠕变特征是其在蠕变过程中内部应力的不断调整、硬化与损伤共同作用所产生的结果;低应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中硬化作用占据主导,其中减速蠕变阶段硬化特征最为显著;高应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中损伤作用占据主导,其中加速蠕变阶段损伤特征最为显著;同一应力水平下,灰砂质量比越低的胶结充填体蠕变全过程中硬化-损伤作用越明显,即抵抗变形能力的提升与损伤累积的速度越明显;构建的胶结充填体分数阶蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度,且较好地表征了胶结充填体在不同应力水平下的蠕变特征.研究成果可为提高胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据.     

非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型

基于非线性流变力学理论,建立了非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型。模型中不仅考虑滑带土非饱和特性-基质吸力对土蠕变特性的影响,同时考虑了与时间、应力状态有关的非线性黏滞体的流变特性,由非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体。对非饱和滑带土开展三轴蠕变试验,并对试验结果采用最小二乘法曲线拟合,获得了不同基质吸力下的蠕变参数,并将试验结果与Burgers模型拟合曲线以及提出的非线性Burgers模型拟合曲线进行对比。结果表明,采用非线性Burgers模型能很好地拟合试验结果,且与试验曲线的吻合程度、相关系数明显高于线性Burgers模型。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

提出一种新的非定常粘滞系数的流变元件,然后将提出的非线性流变元件引进到PoytingThomson模型中,从而建立了新的非线性黏弹塑性流变模型,该模型不但可以较好地模拟岩石蠕变三个阶段,而且模型参数较少。推导出模型的本构方程及蠕变方程,并探讨了模型参数的辨识方法,最后利用本文建立的非线性流变模型所得到的理论曲线与砂岩蠕变试验曲线进行对比分析。结果表明:本文建立的非线性流变模型具有较高的准确性及合理性。     

岩石分数阶蠕变损伤本构模型研究

红层边坡蠕滑现象显著,岩石具有较强的蠕变特性。为了反映岩石蠕变全过程,基于岩石蠕变的阶段特征,通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体来分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。将损伤变量加入弹性体,引入SN元件改进分数阶软体元件,综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和黏塑性体,构建新的三元件蠕变损伤本构模型。采用RLW-2000三轴流变试验系统开展红层泥岩三轴压缩蠕变试验,再引用相关文献中盐岩和红砂岩典型蠕变数据,通过三种岩石蠕变曲线对该模型进行验证,证明所建模型的合理性和适用性。     

聚氨酯泡沫材料的高温蠕变特性

在不同温度、应力条件下对聚氨酯泡沫进行蠕变实验研究,用Modified Time Harding模型对获得的蠕变 时间关系曲线拟合,得到高温条件下聚氨酯泡沫的蠕变本构方程。将拟合的模型及实验测得的稳态阶段的蠕变速率进行比较,发现聚氨酯高分子材料的蠕变特性与温度、应力水平有着重要的联系。随着温度的升高,应力水平的提高,材料的蠕变行为更加显著。高温蠕变曲线分为两个阶段：第一阶段,蠕变速率较大,且随着时间的增长,蠕变速率逐渐下降;第二个阶段,蠕变速率较小,且基本保持恒定。Modified Time Harding模型能够较好地预测聚氨酯材料在高温条件下的蠕变速率。     

Creep properties and a creep equation of delay outburst coal and its adjacent mudstone

The study of the creep properties of coal and its adjacent mudstone is very important for understanding the mechanism of delay outburst coal. The samples of delay outburst coal and its adjacent mudstone collected from Yongshanqiao mine were used to carry out triaxial creep tests. The influence of confining pressure and axial compression on the creep test was analyzed. An accelerated creep model was constructed in parallel with a nonlinear viscous component and plastic component. It is connected with the traditional Burges creep model in series. A creep model which can describe the nonlinear viscoelastic-plastic creep model of rock was established and the corresponding creep equation was derived.According to the results of the creep test, the related parameters of the equation were fitted. The results show that, under the same confining pressure, instantaneous creep strain, creep strain of deceleration phase and constant rate creep of the coal and its adjacent mudstone are increased with an increase in the deviatoric stress. But at the same axial pressure, all of the above decrease with an increase of confining pressure. The duration time of the deceleration creep phase increases with the increase in the deviatoric stress. The theoretical values of the creep equation are in good agreement with the experimental results. It indicates that the creep properties of the delayed outburst coal and its adjacent mudstone can be well described by the creep model established in this paper.     

水下机器人运动控制和仿真的数学模型

水下机器人是一个复杂的非线性对象，建立水下机器人普遍、规范、实用数学模型的问题备受关注，本文给出了这样一种模型，其特点是：（１）取类似线性系统状态方程的形式；（２）只涉及矩阵乘积运算；（３）为表达粘性水动力提出一合理简化方案；（４）把所有可能用于操作控制的量，便于进行多种操作控制；（５）考虑了海浪影响，所给出模型可直接用于控制和仿真。     

人工冻土蠕变非定常开尔文模型

为了更好地描述人工冻土的蠕变特性,将广义开尔文模型中的经典Newton黏壶中的黏滞系数定义为与时间有关的非定常参数,通过推算得到非定常开尔文模型,用粒子群优化算法识别模型中的参数。非定常开尔文模型能模拟不同应力下的蠕变试验数据,效果都很好,充分说明了该模型的合理性。目前采用非定常开尔文模型来研究人工冻土的蠕变规律的很少,此方法的提出为人工冻土领域的计算开辟了新思路。