矿柱岩爆过程声发射的数值模拟

由损伤力学理论与微元强度统计理论，得到了岩石声发射参数与损伤参量的关系。应用自行开发的RFPA^2D程序对矿柱岩爆的物理过程进行了数值模拟，其结果再现了矿柱岩石微破裂诱致宏观破裂的演化过程以及和微破裂相关的声发射事件源的空间分布特征和事件序列特征。特别是考虑到材料非均匀性的影响，分析了不同粒度材料的模型产生不同岩爆模式的原因。同时研究了岩爆发生过程“平静期”和“损伤愈合”的特性以及在大的岩爆前有较小的声发射这种前兆出现的规律。     

单轴压缩作用下不同高宽比硬岩试样的破坏模式与板裂破坏机理（英文）

为了研究板裂破坏与试件高宽比(H/W)之间的关系以及板裂破坏的发生条件、破坏特征和力学机理,对6组花岗岩试样进行单轴压缩试验。利用应变监测仪和高速摄影仪记录试样的破坏全过程,通过分析应力、应变以及声发射的监测结果确定裂纹的发生和扩展路径。结果表明,H/W的变化可以改变试样的宏观破坏模式。当H/W降低至0.5时,试样破坏模式以板裂破坏为主;板裂破坏发生时试样承载力降低,裂纹拓展方向近似平行于加载方向。此外,发生板裂破坏的试样的裂纹扩展过程和声发射信号均呈典型拉伸破坏特征,表明板裂破坏本质上是一种特殊的拉伸破坏。     

基于地压诱导致裂的高应力硬岩矿床优化回采数值模拟(英文)

采用离散元数值模拟分析软件3Dec,依据贵阳开阳磷矿深部硬岩矿床的工程实际情况建立三维数值模拟模型,对开阳磷矿深部硬岩矿床的3种不同开挖工况进行模拟计算,包括在矿体中开挖地压诱导致裂巷道及不同方向(水平向和竖向)、不同顺序(先上后下/先下后上)开挖后的巷道围岩体的位移和塑性区分布情况。结果表明:在矿体中开挖诱导致裂巷道时,巷道周边岩体塑性区和位移场随着暴露时间的延长而不断增大,矿岩朝着有利于破碎的趋势发展,即为掘进机的高效切割回采提供了有利条件;不同开挖方向对充分利用深部地压效果不同,竖向开挖比水平横向开挖可形成更大的位移场和塑性破坏区,地压致裂的效果更明显;先下后上式开挖比先上后下式开挖产生的临空面附近矿岩产生更大的变形量和破坏区,更能有效地利用深部地应力破岩。该研究对开阳磷矿深部高应力硬岩矿体非爆掘进机连续开采的采矿方法设计、充分利用地压破岩和合理确定开挖方式具有重要的意义。     

不同三维应力条件下硬岩巷道围岩的破坏特征及能量分布（英文）

为了研究开挖巷道围岩在不同三维应力条件下的破坏特征,采用TRW3000岩石真三轴电液伺服试验系统对含圆孔花岗岩试件进行三轴加载试验,并利用微型高清摄像系统实时记录圆孔附近的失效过程。结果表明,低应力条件下,圆孔内壁主要发生层裂破坏;高应力条件下,圆孔周边主要发生岩爆破坏。增加水平方向的应力可以抑制围岩发生岩爆。进一步数值模拟不同应力条件下圆孔周边的应变能密度(SED)演化过程。模拟结果表明,随着水平应力的增加,圆孔周边的SED分布逐渐减小;圆孔周边SED分布与实验记录的损伤分布基本一致,主要表现为蝶形、耳形和环形分布。     

脆性材料的亚临界裂纹扩展和双向应力影响的数值模拟

脆性材料的破坏通常是瞬态快速断裂,亚临界慢裂纹扩展特别是宏观慢扩展,很难在实验中观察.它一定程度上制约了玻璃陶瓷等材料的失效过程分析和阻力特性研究.本研究利用MFPA2D(Material Failure Process Analysis)软件成功地模拟了玻璃类脆性材料在平面应力状态下承受单向、双向应力时的亚临界裂纹扩展全过程,着重研究了脆性材料的慢裂纹扩展和扩展速度所受双向应力的影响,并讨论这种影响的机理和作用.通过声发射特性的数值模拟得到脆性材料在单向及双向应力状态下的亚临界裂纹扩展长度-荷载步曲线.结果表明,平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有一定程度的阻碍作用,而平行于裂纹的压应力对裂纹有驱动效果.该数值实验结果与相关的实验结果取得了较好的一致,表明数值实验的可靠性,从而为脆性材料的可靠性和寿命评价提供理论基础和手段.     

复杂曲面硬脆材料零件磨削加工数值模拟

建立了大型复杂形面薄壁石英纤维复合材料的树脂金刚石磨削过程传热学模型,并基于有限元方法,利用工程数值模拟软件ANSYS对石英纤维材料磨削时的热传递过程进行了数值计算,得出工件的温度场分布规律及温度变化历程。研究表明：以现行磨削用量干磨削后,磨削最高温度达到316℃,热量主要分布在表层2 mm深范围内,对工件表面材料性能影响不大;同时得到了温度场分布随热源的移动而变化的规律及工件表面某位置下不同深度的温度变化历程。借助有限元方法对工件表层的温度场进行仿真,可以预测整个磨削过程,优化磨削参数,减少试验次数与成本,为解决磨削表面热损伤和热变形等问题提供了依据。     

基于声发射定位技术的矿柱破坏规律实验研究(英文)

声发射技术是研究岩石损伤破坏的良好工具。通过与矿柱相似的材料试验研究,对微裂纹的时空演化规律进行研究。断铅试验结果表明:所提出的基于最小二乘法和Geiger算法的声发射组合定位算法的定位精度良好,能满足岩石破坏过程声发射监测的需要。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,对于研究岩石破坏机理具有重要意义。在受载条件下,矿柱与顶板相接位置最容易产生应力集中,出现声发射群集现象,其最终破坏结果与声发射定位时间群集区域吻合良好,说明矿柱与顶板相接位置属于宏观破坏发生的危险区;当岩石进入塑性变形阶段后,声发射率明显下降,出现"平静期",可以作为岩石失稳破坏的前兆特征。     

40Cr双程磨削淬硬的数值模拟

基于40Cr的双程往复磨削淬硬试验,利用有限元软件Deform-2D对双程往复磨削淬硬进行数值模拟,并且对组织转变进行了二次开发.把工件看成多相组织,建立了往复磨削热流模型,利用组织转变动力学,模拟得到了工件的温度场,组织场,硬度场等变化关系仿真结果,仿真结果与实验数据较吻合.本研究为揭示磨削淬硬层的形成机理、优化磨削淬硬工艺和控制磨削淬硬层的质量提供了基础.     

显微偏析数值模拟的微观模型和数值方法

研究显微偏析数值模拟中的微观模型和数值方法,在微观模型中考虑了树枝晶粗化、固相溶质逆扩散、枝晶尖端过冷、随温度变化的溶质扩散系数等影响显微偏析形成的动力学因素.数值方法中采用变网格技术跟踪移动界面,通过迭代求解溶质扩散方程和溶质守恒方程计算显微偏析参数.并给出了微观计算流程图,这种数值方法可以方便地与宏观计算、相图计算相耦合.模拟算例表明模拟结果与实验结果吻合较好.     

煤系地层覆盖下铝土矿开采覆岩移动规律数值模拟研究

以山西某煤下铝土矿为研究对象,采用数值模拟方法研究煤下铝土矿开采覆岩移动变形规律。主要研究内容和成果如下：提取了影响煤下铝土矿开采覆岩沉降的主要控制因素,利用FLAC^3D数值模拟软件,分析煤下铝矿块式采场分区放顶开采条件下,不同主控因素的影响及控制作用。揭示了不同采场宽度、采场高度、放顶范围崩落体性质、上覆岩层性质条件下的覆岩移动规律。数值模拟的计算结果以及覆岩移动规律,为构建煤下铝协调开采覆岩裂隙带均匀沉陷控制技术体系提供了依据。     

脆性岩石热-水-力耦合应力强度因子计算(英文)

采用边界配置法并引入附加的常应力函数,成功地推导出岩石热-水-力(THM)耦合条件下含裂纹试件(裂纹面有水压作用)的裂尖应力强度因子计算公式。利用自行设计的THM耦合断裂试验,测定脆性岩石THM耦合断裂的最大轴压,并依据新推导的公式和新型应力强度因子比断裂准则预测脆性岩石THM耦合断裂模式。岩石THM耦合断口的形貌特征分析结果表明:温度、水压越高,围压越低,沿晶(拉伸)断裂越容易发生;反之,则穿晶(剪切)断裂更容易发生;而介于两者中间时,则复合型断裂更容易发生。测得的THM耦合断裂机理与预测的THM耦合断裂模式结论一致,从而验证了推导出的THM耦合应力强度因子计算公式的正确性。     

Crack initiation rate of brittle rock under thermal-hydro-mechanical coupling condition

A calculation formula of thermal-hydro-mechanical (THM) coupling crack initiation rate for brittle rock was derived based on the energy conservation law. The self-designed THM coupling fracture test with conductive adhesive electrical measurement method was applied to measuring the THM coupling crack propagation rate of brittle rock continuously. Research results show that both calculation and test results of crack initiation rate increased with increase of the temperature and the hydraulic pressure. They are almost in good agreement, which can prove validity of the calculation formula of THM coupling crack initiation rate.     

硬脆金属的超声电解复合加工研究

硬脆金属材料采用普通切削加工相当困难。本文对硬脆金属材料进行了超声电解复合加工工艺试验与研究，该复合加工方法使加工速度、精度有表面质量较单一工艺有显著改善。     

硬脆材料的电镀金刚石线锯超声切割锯切力研究

基于冲量理论和振动加工理论,采用叠加原理建立了电镀金刚石线锯超声切割锯切力数学模型.从理论上分析了电镀金刚石线锯施加超声振动后锯切力与普通锯切力的区别,并进行了超声振动与普通锯切力对比试验研究.结果表明:锯切力的大小随线锯往复频率的提高而降低,随侧向压力的增加而增大.通过比较发现,超声振动锯切力比普通锯切力减小20%～30%.同时,对超声振动锯切过程中单颗金刚石磨粒切削运动轨迹进行了仿真分析,进一步解释了施加超声振动后锯切力减小的原因.     

硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望

硬脆材料具有高强度、高硬度、低密度等特点,用传统方式加工时损伤大、效率低,而超声辅助磨削具有磨削力小、加工质量优等优点,在硬脆材料加工领域具有独特优势。从不同振动维数及振动方向与磨削表面位置关系的角度出发,总结了不同类型超声辅助磨削加工的机理及特性,在此基础上探讨了硬脆材料超声辅助磨削的延性域加工机理、超声振动参数与磨削用量匹配性的研究现状,并对今后超声辅助磨削领域应重点关注的研究方向进行了展望。      

硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题

从深部开采环境阐述了金属矿硬岩在高地应力作用下的储能特征,并从深部开采工艺方面分析了随着金属矿山开采深度的不断增加,连续采矿方法已经成为未来深部开采的必然趋势。通过分析,认为处于高应力下的硬岩矿体在承受连续采矿法带来的动力扰动时,可以认为是岩石动静组合的受力问题。在此基础上,利用岩石动静组合加载理论分析了硬岩矿山在深部开采中的几个关键动力学问题,主要包括:硬岩矿山深部开采中的系统扰动和岩爆、深部开采中爆破引发的矿震及巷道失稳现象、深部硬岩开采中的能量释放与有序调控。理论分析和工程实践证明,硬岩金属矿山深部开采中存在的很多动力学问题可以利用岩石动静组合加载理论进行科学论证和分析,这对深部采矿的工程实践有较好的指导意义。     

难成形材料复杂型面零件充液成形失稳控制研究

探讨了充液成形过程中,关键工艺参数之一的液室压力大小对起皱和破裂两种失稳现象的作用和影响规律.从应力、应变、减薄率和FLD曲线等方面研究了液室压力对起皱和失稳现象的影响.首先模拟液室压力为12 MPa时的成形过程,分析了起皱的原因,再通过加大压力对起皱进行控制;而后模拟液室压力为35 MPa时的成形过程,分析了破裂的原因,再通过减小压力对破裂进行控制;最后利用难成形航空材料2B06-M进行实验验证,得到了成形此零件的合理压力范围18～25 MPa.     

提高金刚石钻头在深孔硬岩钻进中寿命的途径

本文着重从应用新型超硬材料和改进钻头结构二个方面论述了提高深孔硬岩钻进金刚石钻头寿命的技术途径。实验研究和生产试验的结果表明:在孕镶钻头上镶嵌金刚石聚晶材料АКТМ,能有效地破碎坚硬岩石,在可钻性Ⅹ～Ⅺ级的岩石中平均寿命比传统钻头增长58%,机械钻速增长32%。在金矿深孔钻探生产中,双层水口超高胎体金刚石钻头的使用寿命可比常规钻头提高1倍。把上述两种方法结合起来,可大幅度节约起下钻具的辅助作业时间,提高深孔硬岩钻探的生产效率。