单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

Artin环局部化结构与一类商环的等价刻画

设R是Artin交换环,m_(i)(1≤i≤k)是R的k个极大理想.通过Artin环的Jacobson根幂零和中国剩余定理得到R到⊕R/m_(i)^(l)的同态是一种同构关系.进一步把Artin环写成有限个局部环Re_(i)的直和,发现这些直和加项与商环R/m_(i)^(l)是同构关系,并且与局部环R_(m_(i))的也是同构关系.

基于离散元的颗粒材料中应变局部化形成与演化研究

岩土颗粒材料的应变局部化失效问题广泛存在于工程设计应用中,主要表现为介观尺度上的应变局部化现象和宏观尺度上的剪切带产生,目前在微观尺度上的形成机理尚不明确。为了系统研究颗粒集合体的应变局部化的形成与演化过程,通过使用离散单元法(Discrete Element Method,DEM)模拟了指定平面应变加载路径的真三轴试验,获取了宏观和微观尺度上的颗粒材料几何、运动以及力学信息。为了找出表征应变局部化特性的最佳特征量,比较了颗粒温度、波动位移和局部剪胀角等微观指标,发现波动位移在表征应变局部化方面与其他参数相比相关性更好,并选定其作为应变局部化表征变量。为了量化颗粒集合体从应变局部化开始产生到发育完成的具体应变区间,采用莫兰指数对波动位移的空间分布特征进行统计和分析,确定了颗粒集合体在弹塑性转换阶段的发育区间。进一步对颗粒集合体应变局部化发育区间内的波动位移空间分布进行探究,并统计不同空间区域内波动位移的概率密度函数,发现研究区域外部的局部塑性在过渡阶段停止演化,而内部塑性以逾渗模式发展。最终,通过波动位移的空间分布进行聚类分析,获得了描述介观尺度上应变局部化的团簇体模型。该模型可以将颗粒集合体宏观剪切带的形成与发育和单个颗粒的微观塑性发展相联系,刻画颗粒集合体从介观尺度上的应变局部化出现到宏观尺度上剪切带完全形成的演化过程。

液化诱发剪切应变局部化的近场动力学模拟

在含有低渗透性土层的可液化地基中,液化引起的超静孔压累积和重分布可能导致孔隙水集中至低渗透性土层底局部区域,从而引发剪切应变局部化和延迟破坏现象。引入一种正则化技术——非局部近场动力学(peridynamics,简称PD)理论来模拟此类现象,以克服采用经典有限元方法(finite element method,简称FEM)模拟应变局部化时通常具有的网格依赖性问题。计算模型采用PD和FEM分别模拟固相和流体相,并使用砂土液化大变形本构模型(CycLiq)模拟可液化砂土。在验证了所提出方法的有效性后,使用多种不同离散密度的计算模型,分析了具有低渗透性夹层的一维倾斜场地的地震响应。从理论和数值上,说明了所提出的方法在模拟液化引起的剪切应变局部化时,可以消除网格依赖性。同时参数分析表明,相同条件下,低渗透性夹层位置越高,夹层渗透系数相比砂层越小,则地基因剪切应变局部化产生的侧向位移量越大。

基于超局部化时间序列的永磁同步电机无模型预测电流滑模控制策略

在复杂环境、多变负载工况中,由于时变电感参数、磁场耦合、铁心饱和等影响,电机控制精度及可靠性下降。为解决以上问题,该文充分利用时间序列模型反映电机电压、电流等状态变量之间关系,消除传统参数化建模的影响,提出基于超局部化时间序列的无模型预测电流滑模控制(SMC)方法。该方法将时间序列数据驱动模型超局部化,提升传统超局部模型精度,并采用递归最小二乘法(RLS)在线估计和更新模型中全部待定系数,实时精准响应当前系统工作状态。在此基础上,结合超局部时间序列模型,生成滑模控制函数,并设计Lyapunov方法验证函数趋近条件。实验结果表明,与传统控制方法相比,提出方法具有更强的鲁棒性、更优的电流质量和较低的系统噪声。

岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN方法

岩石变形局部化的识别对于岩石破坏机理、岩土工程灾害预测预警有着重要的意义。本文将数字散斑相关方法(digital speckle correlation methods,DSCM)与卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)相结合,提出了一种用于岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型。通过DSCM获取岩石试件在单轴压缩实验过程中的最大剪应变场云图,根据变形局部化带位置进行标注,完成数据集的构建;利用训练数据集对DSCM-CNN智能识别模型进行训练。通过红砂岩单轴压缩实验对该方法进行验证,结果表明:DSCM-CNN模型可以实现岩石变形局部化带位置的自动识别,子集准确率、精确度、召回率等指标分别达到94.19%,97.21%和96.41%,证明了岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型的可行性,为岩石变形局部化智能监测提供了一种新的思路。

多孔灰岩局部化变形的精细化描述与数字表征

压实带是一种典型的应变局部化现象,影响储层流体的封存、输运以及地下岩体的稳定性。多孔灰岩局部化变形的相关研究一直是难点,不像砂岩样品可以通过明显的声发射信号特征来分析与表征压实带的形成与演化规律。本文利用动态CT技术,实时监测灰岩局部化变形到宏观失稳的演化过程,重点描述压实带形成初期的局部化变形特征,涵盖了应变量>5%的变形部分特征。在灰岩变形过程中可以识别两处明显非弹性变形阶段:即初始大孔隙坍塌阶段和后续压实带形成过程,利用图像体积互相关技术定量表征压实带的演化特征,精细化描述压实带形成过程的微观破裂特征,系统分析离散压实带内的连通孔隙分布规律,发现连通孔隙与局部化变形有紧密联系,并基于CT扫描的孔隙网络数据,利用纳维斯特斯方程计算绝对渗透率,以渗透率为参考指标,研究局部化变形引起的损伤程度。

n-倾斜余模的局部化

局部化理论和倾斜理论在余代数理论中都有非常重要的作用。Simson提出要发展余代数上的(余)倾斜理论的公开问题。为部分解决这个公开问题,本文利用局部化技术来给出n-倾斜余模的局部化。

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

冲击地压预测是冲击地压防治的前提和基础,是冲击地压研究中的一个重要内容,针对目前冲击地压前兆和冲击地压孕育过程之间内在的本质联系不清问题,从煤岩变形破坏的固有特征及冲击地压的失稳问题本质出发,借鉴经典力学中的能量原理,提出了以煤岩变形局部化为前兆的冲击地压预测方法。根据虚位移原理和稳定性理论,推导并得到了冲击地压发生临界条件和煤岩变形局部化发生条件,分析煤岩变形局部化与冲击地压内在联系。采用梯度塑性理论,通过引入内部长度参数,构建煤岩变形局部化模型,分析了变形局部化带宽带的影响因素。给出了测量内部长度参数的实验方法,对变形破坏向某一区域集中,且集中区具有一定尺度的现象进行理论解析。根据变形局部化的时空演化特点,引入描述变形局部化的空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标,从“时间演化”属性和“结构演化”属性对变形局部化状态进行识别。对变形局部化预测方法进行初步的应用研究,分别采用实验的声发射数据和现场的微震数据,预测煤岩试件破坏区域和煤矿冲击地压危险区域。研究表明:煤岩变形局部化开始条件和冲击地压发生的临界条件相同,即冲击地压孕育演化过程和煤岩变形局部化的过程具有一致性;煤岩变形局部化带宽度与材料内部长度参数和煤岩冲击能指数有关,随着材料内部长度增大,变形局部化带宽度线性增大,随着煤岩冲击能指数增大,变形局部化带宽度非线性减小;根据实验和现场初步应用结果,表明空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标能够描述和追踪变形局部化时空演化特征,变形局部化预测冲击地压危险区域方法具有可行性。

排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征,利用可视化三轴伺服控制试验系统,结合三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC),开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验,对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析,并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明:排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值,且随着渗透水压增大,砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大,出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前;当渗透水压相同时,不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽,即岩石的宏观裂纹更明显,排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走,形成孔洞,其破裂面的表面比不排水条件下更光滑,而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着;所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点,平均提高了1.23%,变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大,即启动的时间点更提前,排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水条件下的值,平均分别提高了1.85%和2.21%,渗透水压相同时,不排水条件下启动应力及应力水平受水压的影响比排水条件更明显。

三轴剪切条件下胶结型深海能源土应变局部化离散元模拟分析

天然气水合物(后简称为“水合物”)开采期间会导致其储层的变形和破坏,继而引发一系列的工程问题。为实现水合物安全有效的开采,需要对其赋存条件下的水合物沉积物(后称为“能源土”)的剪切变形特性进行相应研究。采用温-压-力-化胶结接触模型用以考虑水合物的胶结效应和对赋存环境温度压力的敏感性。此外,柔性边界被应用于离散元模拟的三轴剪切试验,用以保证剪切带的充分演化。通过考虑局部变形、孔隙率、平均纯转动率、胶结破坏及组构各项异性等变量研究了剪切带的形成规律及其宏微观机制。结果表明:(1)在三轴剪切试验中所采用的柔性边界在有效模拟深海能源土的应力-应变及体变响应的同时保证了试样的自由变形。(2)剪切带在剪切初期应变硬化阶段已经开始萌发,并在应变软化阶段愈发明显。(3)剪切带内外宏微观参量例如颗粒转动、局部孔隙率变化等均表现出明显差异。(4)水合物胶结的存在对于其宿主砂土具有双重作用,一方面增强了其强度特性,另一方面作为剪切过程中的薄弱环节率先发生破坏促使剪切带的萌发。研究结果对于理解深海能源土变形中的细观演化机制具有参考价值。

复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟

随极薄带厚度的进一步减薄,轧制极薄带变形由于轧件厚度/晶粒尺寸比值小的尺寸效应和变形程度导致各向异性与局部化已完全不同于轧制厚件时的变形特性。采用具有拉拔-压缩-剪切复合成形功能的微型异步轧机开展系列厚度铜极薄带的箔轧实验,结果表明复合成形轧制工艺和极薄带尺寸显著影响轧制力能参数与箔材质量。宏观有限元理论已不再适用出现这些新现象的极薄带轧制变形的建模。将嵌入初始晶粒形貌和取向等微观组织结构信息的介观晶体塑性有限元模型(CPFE)用于复合成形条件下铜极薄带轧制变形局部化的模拟与分析,指导箔轧工艺优化和提高箔材质量。晶粒层次的晶体塑性有限元模型,准确预测了单层晶铜极薄带轧制变形局部化的现象和趋势,模拟与实验的轧制力吻合较好,尤其是各向异性。随上下工作辊异速比的增大,箔材厚度方向剪切变形增强,变形带、滑移带形成且局部化趋势显著。晶粒变形局部化的差异,对轧制制备极薄带材的控形控性造成困难。

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。

基于微极理论的冻结砂土应变局部化数值模拟

应变局部化问题是冻土材料破坏的前兆,目前相关研究还较为薄弱。在微极连续体理论框架下,通过考虑温度对相关模型参数的影响,建立了可以模拟冻土应变局部化问题的微极弹塑性数值框架。通过对冻结砂土平面应变试验进行数值分析,发现所建立的数值框架可实现对冻土剪切带产生、发展和形成的全过程模拟,且模拟获得的应力-应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果吻合较好;进而探究了温度、端部约束及初始缺陷对剪切带发展规律的影响,发现温度对剪切带倾角和宽度影响较为显著,倾角随温度的降低而逐渐增大,宽度随温度的降低而逐渐加宽,具体剪切带的破坏形态和破坏位置需要综合考虑端部约束及初始缺陷的共同作用;通过对不同有限元网格条件下的冻土应变局部化进行分析,发现粗网格和细网格获得的模拟结果基本一致,说明所建立的数值框架可以基本克服网格依赖性问题。

带状组织对微合金钢应变局部化及应变强化行为的影响

目的研究不同加载方向下带状结构对微合金钢塑性变形及应变强化行为的影响。方法将X80管线钢加热到1200℃后分别进行炉冷和空冷热处理,得到多边形铁素体/退化珠光体和粗/细铁素体晶粒带状组织以用于实验研究。将单轴微拉伸实验和数字图像相关方法相结合,通过零变形实验分析系统精度,获取RD、45°和TD取向带状组织试样的拉伸变形规律。同时,在DIC全场变形测量结果与实验数据统计分析结果的基础上,提出了可描述应变强化程度的参量K_(f),用于对比和分析不同加载方向下带状结构对应变强化行为的影响。结果零变形实验中位移平均值和标准差的最大值分别为0.004 pixels和0.006 pixels,系统精度较高。加载方向会影响带状组织的塑性变形演化情况,45°试样中产生了明显与带状取向一致的应变分布特征。在相同应力下45°试样首先达到了较大的应变强化程度,其抗变形能力最低。结论不均匀带状组织对局部变形的影响程度与2个组成带的力学性能差异有直接联系,参量K_(f)可在一定程度上描述应变局部化引起的各向异性特征。

基于局部化带全局追踪的露天煤矿边坡临界滑面确定方法研究

在局部化带理论框架下,提出了一种基于全局追踪算法的露天煤矿边坡临界滑面确定方法。该方法将追踪局部化带路径的问题转化为求解无内部热源和零热通量输入的稳态热传导问题,通过追踪经过局部化单元中心的等温线来辨识局部化带路径的扩展及贯通状况。算例结果表明,该方法具有较好的鲁棒性,能够以无厚度光滑曲线的方式呈现局部化带路径,克服了传统方法的局限性,同时避免了滑面互相交叉和滑面条带化的情况。因此,该方法更适合用于辨识露天煤矿边坡多局部化滑带条件下的临界滑面。

失谐叶盘振动模态局部化定量描述方法

基于实际叶盘结构失谐振动模态局部化的基本特性和物理含义,提出了三种模态振型局部化程度三定量描述方法,并利用这三种模态局部化因子进行了典型叶盘结构失谐振动模态局部化程度的定量确定。讨论了典型叶盘结构失谐振动模态特性。分析说明和实例计算表明,相应的局部化因子计算过程简单、物理意义明确,可以有效定量确定实际叶盘结构的叶片失谐导致振动模态产生局部化的程度。

裂隙岩体损伤局部化破坏分岔模型及其应用

采用概率统计方法分析节理裂隙岩体的几何特征,定义了反映裂隙岩体几何特征的组构张量。基于不可逆热力学理论,通过裂纹扩展的细观分析,得出了损伤的发展机理和演化方程,把损伤演化和裂隙的几何特征的变化联系起来,建立了弹塑性损伤本构关系。为分析含有节理裂隙岩体在发生局部化破坏时的特征,通过对发生局部化时的裂隙岩体的分析,构造了适用于节理裂隙岩体局部化分析的不连续分岔模型。利用非线性规划数值解法,可以得出局部化破坏的方向特征。在有限元方法中,根据该模型给出了节理裂隙岩体相关的算例,分析表明该模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的。

失谐叶盘结构振动响应局部化实验研究

基于作者提出的预测失谐叶盘结构最大失谐幅值放大系数及最坏失谐模式的方法,利用搭建的行波激励实验系统,针对典型的整体叶盘结构模型试件进行了失谐振动响应局部化实验。首先通过有限元仿真确定失谐叶盘振动响应局部化实验所需的最坏失谐模式,然后经过数据采集与后处理得到行波激励下失谐叶盘结构的强迫响应,通过实验验证了失谐跳变-强迫响应局部化现象,实验结果与理论分析取得较好一致性。

失谐周期盾构隧道结构的弯曲波动局部化

针对随机失谐周期接头盾构隧道结构的波动局部化特性进行了研究。将盾构隧道模拟为弹性地基上通过环间接头连接的周期管梁模型,基于弹性地基上均匀管梁的横向波动微分方程及接头的平衡方程,推导了结构中各胞元的动态刚度矩阵,进而利用传递矩阵法建立了相邻胞元间的传递矩阵。将随机失谐参数引入到周期结构中,根据Wolf算法,采用局部化因子计算了不同控制参数对弯曲波动局部化特性的影响。通过对失谐周期隧道的一系列算例分析表明,弹性地基上的均匀隧道存在一个临界频率,当波动频率小于该临界频率时,弯曲波的传播始终是衰减的。同时,弹性地基作用使得周期隧道弯曲振动波的禁带频率有所提高。失谐周期隧道将出现波动局部化现象。随着失谐程度的增加,结构的波动局部化程度增强。对于同一失谐程度,波动局部化现象在高频段更为显著。进一步,采用有限元方法验证了所提出周期盾构隧道模型的正确性。