钛合金绝热剪切带宽度的演变规律研究

根据梯度增强的Johnson-Cook模型,对Ti-6Al-4V绝热剪切带中心区域的宽度(绝热剪切带宽度w5%)随平均塑性剪切应变的演变规律进行了预测。结果表明,随着平均塑性剪切应变的增加,w5%先是快速减小,然后趋于稳定。当绝热剪切带总宽度为0.3235mm时,w5%的稳定值接近Ti-6Al-4V绝热剪切带宽度的上限(55μm);当绝热剪切带总宽度为0.0705mm时,w5%的稳定值接近Ti-6Al-4V绝热剪切带宽度的下限(12μm)。绝热剪切带宽度受多种因素影响,例如,材料特性、加载速度、环境温度、应力及应变状态。本文的分析是在绝热条件下进行的,不存在塑性功率与热传导达到平衡(稳态)的假定。     

正断层上盘开采断层附近应力时空分布数值模拟

采动引起的断层错动是诱发矿震和断层冲击矿压的主要原因之一。在现有的数值模拟研究中,断层上测点的数量较少,以致于对断层各处力学状态全貌的了解较为困难。而且,针对煤层应力分布的研究通常仅限于垂直应力（支承压力）,而对其它应力尚缺乏了解。为研究采动条件下断层附近应力时空分布,采用FLAC3D建立了正断层上盘开采的数值模型。模型中共包括13个岩层和1个45°倾角的正断层,通过计算获得了工作面从断层上盘推进过程中断层各处及附近煤层应力的时空分布规律。监测了断层上盘断层上的22个节点以获取断层各处力学状态全貌。研究发现,在工作面推进过程中,断层上存在1个压紧区及1个或多个松动区;断层上的压紧区较为安全,压紧区上、下方松动区的正应力越来越低,当工作面邻近断层时该区的断层区段多趋于危险,该区范围最大为78 m;断层上盘煤层紧邻工作面煤壁的垂直、水平和切应力峰值分别位于煤壁前方7.5～10.5、10.5～15.5和11.5～12.5 m;断层下盘煤层3种应力最大值均上升或有上升趋势。当工作面煤壁距断层的水平距离由40 m减小至20 m时,断层上盘煤层垂直、水平和切应力受断层影响较显著的区域通常分别在距断...     

岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型

利用剪切应变梯度塑性理论 ,假设剪切带内部的岩石为剪切破坏 ,建立了单轴受压岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型 ,并模拟了剪切带倾角、参数k1和k2 对单轴受压岩石试件软化段应力 -应变关系的影响规律。局部化是尺寸效应的原因。     

扩容角对圆形巷道岩爆过程的影响

利用FLAC模拟了不同扩容角时圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。文章的模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态。模拟结果表明,随着扩容角的增加,剪切带变宽,岩爆坑变深,破坏单元数目增多,破坏区变大。当扩容角较低时,高剪切应变集中于"狗耳"形岩爆坑位置,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较大;当扩容角较高时,高剪切应变集中于巷道周边的一些位置上,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较小。该研究结果与Roscoe,Arthur理论相符。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

基于一阶及二阶DIC方法的常应变剪切带的测量误差分析

制作了水平和倾斜的常应变剪切带,使用数字图像相关方法(DIC)对剪切带内、外的位移场和应变场进行了测量,分析了形函数、子区尺寸及测点间距对测量结果的影响。结果表明:在剪切带边界附近,一阶或二阶DIC方法的位移误差限均较大,这是因为这些区域的子区覆盖了一部分剪切带;子区尺寸越大,或测点距离剪切带边界越近,位移误差限越大;一般对于剪切带边界附近测点,二阶DIC方法比一阶DIC方法的位移误差限小;随着测点间距的增加,一阶或二阶DIC方法的剪切带的法向剪应变坐标曲线由陡峭变得平缓,剪切带宽度逐渐增加。     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

平面应变压缩岩样侧向变形特征数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法对岩样的应变局部化启动、传播、形成及侧向位移特征进行了数值模拟。在数值计算中,采用了莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。研究发现,试样的侧向位移具有非均匀性。由于端面约束的作用,接近试样上、下端面的节点的侧向位移远小于试样中部节点的侧向位移。在试样的上、下端面附近,由于弹性应变的恢复快于塑性应变的增加,因而,轴向压缩应力-侧向位移曲线出现了快速回跳现象。通常,可以通过检测岩样不同位置的侧向位移-时步曲线识别出变形局部化启动的时刻。相同高度的侧向位移-时步曲线最先发生分离的时刻,即为局部化启动的时刻。局部化启动之后,试样两侧的侧向位移具有非对称性,侧向位移变化具有非同步性。     

平面应变岩样局部化变形场数值模拟研究

在FLAC^3D的基础上开发了后处理程序，对应变软化岩样的剪切局部化变形场（包括：速度场、应变率场、体积应变率场及位移场）进行了数值模拟研究。考虑扩容效应后，剪切带的倾角和宽度均增加，剪应变率的局部化程度降低。剪切带倾角和宽度的增加对岩样的塑性性质影响正相反。两条共轭剪切带奖岩样分割成具有整体平移特性的4个小块体，每个小块体内部的位移场是比较均匀的，而剪切带附近的位移具有较大的位移梯度。剪切应变率（或应变）局部化区域与体积应变率（或应变）的位置重合，局部化区域就是岩样最终的破坏位置。     

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。