虚拟仿真在轨道车辆强度课程实验教学中的应用研究

随着轨道车辆强度课程实验教学比重的逐年增大,将虚拟仿真软件引入轨道车辆强度课程的实验教学中,提出“基础-专业-创新-人文”4层次的虚拟仿真实验教学方法,即利用有限元软件实现轨道车辆结构认识和强度分析,结合相关科研项目和创新实践活动,提高学生的仿真应用能力与创新能力,引导学生深入理解轨道车辆强度安全的重要性,既达到知识传授和能力培养融入教学过程的目的,又实现课程思政与实验教学的巧妙融合。该实验教学方法借助虚拟仿真技术有效降低了实验成本,有助于提高学生的工程实践能力,激发其科学探索精神,培养其职业精神和职业素养。

超临界CO_2气爆致裂规律实验研究

针对我国低渗透性煤层增透困难的现状,研发了可控超临界二氧化碳气爆发生装置,对不同强度的模拟煤体进行了不同温压条件下的超临界CO_2气爆实验,结合孔内窥镜观测和外观测量手段,对爆后宏观裂隙数目和长度等爆破响应信息进行统计分析。结果表明:气爆裂纹起裂所需的最小爆破压力与介质的抗拉强度呈指数式增长的关系,主要是固体材料在动力载荷作用下强度增大引起的;超临界二氧化碳气爆后产生宏观裂隙的数目和累计长度与爆破压力满足Logistic函数关系,是裂隙面积超线性增加所消耗能量也超线性增加的结果;超临界CO_2对温压条件敏感,爆破有降温作用,是良好的物理爆破原料,使用超临界二氧化碳作为爆破原料的爆破效果优于空气爆破效果。

不同饱和度天然气水合物加热分解界面变化规律

针对热激法开采过程中水合物分解界面变化影响水合物安全高效开采的问题,运用实验分析、理论研究和数值模拟相结合的方法,自制水合物加热分解界面测量实验装置,进行不同初始饱和度水合物加热开采过程中分解界面变化的实验研究,并通过数值模拟进一步分析温度对水合物分解界面的影响。研究表明:水合物分解界面移动距离与初始饱和度之间近似呈线性负相关关系,与其作用时间的算术平方根近似呈线性正相关关系;水合物分解界面的移动速率先快后慢,速率下降幅度为80%;初始饱和度是影响水合物藏开采效率的重要参数之一;适当升高加热温度有利于加快开采过程中水合物分解界面移动速率。合理控制水合物开采过程中分解界面的移动距离和移动速率对水合物藏安全高效开采有实践性指导意义。

含CH_4煤岩注CO_2后力学性能及渗透性能试验研究

为观察含CH_4煤岩注入CO_2后力学和渗透性能的变化,用自制三轴吸附解吸渗流试验装置开展试验,研究型煤试件内气体种类和注气压力对注CO_2煤岩强度、渗透性和应变等参数变化的影响。试验结果表明:含CH_4煤岩注入CO_2后,单轴压缩应力-应变曲线与未注入CO_2的总体变化趋势相同,但煤岩强度等参数随注气压力的变化而变化。注入等孔隙压CO_2后,含CH_4煤岩的强度和弹性模量均明显上升,但煤岩中CH_4渗透率呈现下降趋势;随着CO_2注入压力的增加,煤样的强度和弹性模量逐渐下降,而CH_4渗透率逐渐增强,注气压力每增加1 MPa,煤岩强度平均下降0.095MPa,CH_4气体渗透率平均增加1 m D。

考虑三维形貌特征粗糙裂隙加卸载渗流规律研究

裂隙岩体在天然地质因素和人工扰动作用下处于加卸载环境是普遍存在的,裂隙面的几何特征和加卸载环境对裂隙渗流特性的影响在实际工程中不可忽视。采用试验和数值模拟相结合的方法,利用热-流-固三场耦合渗流试验系统,开展了应力加卸载作用下不同粗糙度裂隙岩芯试件的渗透试验,自主开发程序将激光扫描裂隙面的三维形貌信息导入到ABAQUS软件,模拟应力作用下的粗糙裂隙渗流。试验和数值模拟一致表明,粗糙裂隙的宽度和渗透率都随载荷的增加而减小,随着载荷的增加,裂隙接触刚度增大,裂隙的宽度和渗透率对载荷变化的敏感性降低;由于点接触产生的塑性变形不可恢复,卸载阶段的裂隙宽度和渗透率增加幅度减小,且小于加载阶段同载荷条件下的宽度和渗透率;裂隙渗透率、宽度与粗糙度呈正相关关系,且粗糙度越大,接触应力分布越不均匀;裂隙内流场符合群岛流,粗糙度越大群岛流现象越明显。

页岩气储层层理方向对水力压裂裂纹扩展的影响

页岩气储层具有不同于常规储层的层理结构,使得其水力压裂规律也与常规水力压裂有所不同。为研究天然层理方向对水力压裂过程中裂纹扩展的影响,利用三轴水力压裂实验系统进行了页岩水力压裂实验,并基于扩展有限元法开发了水力压裂起裂判据,建立了三维页岩气储层水力压裂计算模型,研究了层理方向对页岩储层水力压裂裂纹扩展的影响。结果表明:①页岩气储层水力压裂裂纹扩展规律由原地应力状态和层理面结构及强度共同决定,层理方向是水力压裂裂纹扩展方向的主控因素,若压裂后层理面法向拉应力先达到层理面抗拉强度,裂纹沿层理方向扩展,反之,裂纹则垂直于最小地应力方向扩展;②裂纹沿层理面扩展时,层理法向与最小地应力方向夹角增加,起裂和扩展压力增大,裂纹面积减小;③裂纹整体呈椭球非平面扩展,随着压裂液的注入,裂纹面积增加,地层总滤失率增加,裂纹扩展速度减小。压裂实验与模型计算所得的压裂裂纹扩展规律相吻合,从而验证了页岩气储层水力压裂模型的有效性。

不同饱和度水合物沉积物的三轴加载渗透率试验

水合物沉积层的渗透率是影响天然气水合物开采效率的重要物性参数之一,为了探讨在天然气水合物开发过程中有效体积应力和水合物饱和度变化对含水合物沉积层渗透率的影响规律,选取天然粉砂土作为沉积物骨架,进行了不同饱和度水合物沉积物的三轴加载渗透率试验。结果表明:(1)当水合物饱和度恒定时,水合物沉积物的渗透率与有效体积应力呈负指数曲线变化规律,且曲线的斜率随着有效体积应力的增加由大变小;(2)在一定的有效体积应力条件下,水合物沉积物的渗透率随水合物饱和度亦呈指数递减规律变化;(3)有效体积应力和水合物饱和度变化对水合物沉积物渗透率的影响表现为非独立性,即随着前者的增大,后者对水合物沉积物渗透率的影响减弱,而随着后者的增加,前者对水合物沉积物渗透率的影响也减小。由此提出了有效体积应力和水合物饱和度对水合物沉积物渗透率的影响机理,即前者对渗透率的影响在于其对渗流通道的压缩作用,而后者对渗透率的影响则在于水合物对渗流通道的堵塞作用。

初应力条件下超临界CO_2气爆致裂规律模拟研究

考虑到超临界CO_2气爆技术应用环境多受到初始地应力作用,利用自主研发的超临界CO_2气爆发生装置,在电液伺服三轴加载平台上进行了初应力条件下超临界CO_2气爆混凝土试件实验,得到了气爆冲击压力时程曲线和不同载荷工况下试件的破坏形貌。利用JWL状态方程拟合气爆冲击压力时程曲线确定的参数计算气爆过程中超临界CO_2的相变过程,通过开发程序将材料拉伸和压缩硬化引入Johnson-Cook模型,联合使用SPH和FEM对不同初应力条件下超临界CO_2气爆致裂过程进行了模拟计算,实验和数值模拟一致表明:超临界CO_2气爆后试件形成粉碎区和裂隙区,粉碎区是由气爆冲击波将气爆孔附近介质压碎形成的,初应力对粉碎区的形状和范围影响不大;裂隙区主要是由爆生气体的气楔作用形成的,且主裂隙方向与最大初始压应力方向一致,初应力对垂直于自身方向裂隙的扩展具有抑制作用;随着初始压应力的增大,相同爆破条件下裂隙生成条数和裂隙扩展的总长度都降低。计算结果与实验结果的一致性表明改进后的JC模型适用于超临界CO_2气爆的模拟。

超临界CO_2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO_2气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO_2气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1m×1m×0.5m)进行了超临界CO_2气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO_2冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO_2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合"S"形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。

天然气水合物注热开采近井储层变形破坏的数值模拟研究

为了研究海洋地层中天然气水合物注热开采条件下,水合物沉积层近井储层的力学性质变化规律和变形破坏规律,基于多场耦合理论,考虑水合物分解产生的水、气形成的超静孔隙压力对地层有效应力的影响,建立了能够反映水合物注热分解条件下水合物沉积层温度场、渗流场和变形场耦合作用关系的热流固耦合弹塑性模型,并以ABAQUS软件为开发平台,在Fortran语言环境下编制子程序进行数值模拟。结果表明:注热温度越高,近井储层力学性质劣化的区域与有效应力减小的幅度越大,发生塑性变形破坏的范围和产生的等效塑性应变值也越大;井口最小水平地应力方向的有效应力值最小,等效塑性应变值和体积应变值最大,是首先发生变形破坏的关键位置;井口同一位置的有效应力随注热温度的升高而减小,而体积应变则随注热温度的升高而增大。

加卸载作用下裂隙岩芯渗透性变化规律研究

针对光滑平行板裂隙加载渗流规律难以准确反映实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性的问题,利用水力压裂方法制作了天然岩芯裂隙,开展了裂隙试件受轴压、围压加载和卸载作用的渗流试验,并将裂隙试件的CT扫描图像导入ABAQUS软件,对粗糙裂隙受载时的应力和变形规律进行了数值模拟。结果表明:裂隙面的法向应力是影响裂隙渗流的主要因素;在加载阶段,粗糙裂隙面受载产生接触应力致使接触部分产生变形和破坏,裂隙接触刚度增大,裂隙宽度非线性减小,渗透率降低速率越来越小;在卸载阶段,弹性变形逐步恢复,裂隙宽度缓慢增加,渗透率先缓慢增大,当载荷卸到一定值后,在孔隙压力作用下裂隙张开、渗透率突然增大。研究结果表明了粗糙裂隙与光滑平行板裂隙对载荷敏感性不同的机理,反映了实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性。

残留煤层封存CO_2试验研究

为了研究气体压力和温度变化对残留煤层封存CO_2的影响规律,利用自制的吸附试验装置,开展气体压力和温度影响的CO_2吸附试验。试验结果表明:在相同温度条件下,随着气体压力升高,CO_2吸附量增大,而增长梯度逐渐减小,其变化规律符合Langmuir方程;在相同压力条件下,CO_2的吸附量随着试验温度升高而减少,变化梯度逐渐减小;利用Langmuir方程对试验数据进行拟合,拟合结果与实际结果之间误差不超过5%。试验所得结论为残留煤层永久封存CO_2提供理论依据。

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。

热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

为提高煤层CH4抽采效率,利用自主研发的实验系统,模拟超临界CO2在深部煤层中驱替CH4的过程,开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO2渗流、吸附及驱替CH4实验。结果表明:在恒定温度条件下,随着超临界CO2注入压力逐渐增大,煤体渗透率提高,CO2吸附量增加。超临界CO2注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下,当超临界CO2注入压力从8 MPa增至12 MPa,CH4驱替量平均增长了0.076 cm^3/g,CH4驱替效率增加了17%~23%,超临界CO2置换体积比呈线性递减趋势;相同注入压力条件下,温度每升高10℃,驱替效率平均增加8%,置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH4和实现CO2封存提供理论依据。

膨润土干湿循环变形实验研究

膨润土作为防渗材料填充在煤炭开采产生的采动裂隙区保护地下水资源的过程中,地下水位的变化使膨润土受干湿循环作用。为获得膨润土干湿循环条件下脱湿与吸湿变形规律,对不同初始含水率膨润土试样进行脱湿与吸湿变形实验。结果表明,膨润土脱湿变形呈现明显的非均匀性且出现龟裂现象。利用Matlab编程识别图像方法,得到了不同初始含水率下膨润土脱湿收缩与吸湿膨胀变形随含水率变化规律曲线,从中可以看出,膨润土脱湿收缩过程曲线斜率变大,吸湿膨胀过程曲线斜率变小;初始含水率越高,缩胀变形越明显。通过实验数据拟合出了与变形过程和初始含水率相关的双参数递增指数函数关系。膨润土脱湿后重新吸湿,干缩与湿胀曲线不重合,且初始含水率越低,干缩与湿胀曲线越接近。

初应力作用下孔隙介质升温时渗透率变化规律

为研究不同地应力作用下的油气储层热采过程中渗透率的变化规律,利用自主研制的热流固三场耦合渗流试验系统,选用难被孔隙介质吸附的氦气作为渗流气体,并考虑氦气黏度随温度和压强的变化,消除孔隙介质对渗流气体的吸附和气体黏度变化对渗透试验的影响,开展不同初始应力条件下煤岩试件升温渗透试验。结果表明:孔隙介质渗透率随温度升高先增大后减小,呈非单调非线性变化规律,并存在与初始有效应力有关的拐点温度,这是由于在拐点温度之前,温度应力小于初始有效应力,固体骨架向外膨胀,孔隙空间增大,渗透率增大,超过拐点温度后,温度应力大于初始有效应力,固体骨架向孔隙内膨胀挤占孔隙空间,渗透率降低;渗透率变化拐点温度随初始体积应力的增大而减小,温度应力升高速率随初始体积应力增加而增大。

裂隙充填膨润土湿胀变形防渗规律实验研究

为解决裂隙岩体防渗问题,联合采用高压固结仪和三轴渗透仪,进行不同含水率等条件下膨润土的膨胀和渗透实验,对膨润土的有荷膨胀特性和渗透特性进行分析研究,结果表明:膨润土的膨胀率随含水率变化符合逻辑斯蒂曲线关系,膨润土的吸湿膨胀表现为短程膨胀和长程膨胀两个阶段,短程阶段的膨胀变形幅度比长程阶段明显;当含水率相同时,初始干密度越大,膨胀变形量越大,膨胀力与干密度呈正指数关系;当初始干密度相同时,膨胀率随荷载增大而降低,且含水率越高降低幅度越大;膨润土的渗透率与含水率成负指数关系,且在较低含水率情况下渗透率随含水率的增大急剧下降至零,膨润土是裂隙岩体防渗的理想材料。

单泡体让位吸能锚杆支护性能研究

为改善高应力大变形围岩的锚杆支护水平,分析大变形围岩锚杆支护失效原因,得出让位吸能支护锚杆可以与大变形围岩形成耦合支护来改善锚杆支护能力。通过单泡体钢管让位吸能构件压缩试验和让位吸能构件对锚杆承载和变形能力影响的对比实验可知,普通锚杆在尾部加装结构简单的单泡体让位吸能构件可以大幅度增加锚杆支护体的允许变形量,应用于大变形围岩控制可以有效降低锚杆因大变形发生破坏而失效。单泡体让位吸能构件串联方便,让位吸能的同时承载力稳定,有助于提高高应力大变形巷道的锚杆支护水平。

超临界CO_2气爆煤体致裂规律模拟研究

为研究超临界二氧化碳气爆应力波和爆生气体致裂煤体的规律,通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴压力时程曲线,反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数,建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型,应用光滑粒子流体动力学方法对不同压力的超临界二氧化碳气爆煤体过程进行了模拟计算,揭示了粉碎区和裂隙区的破坏规律和形成机理,得到了气爆过程中爆破压力的分布.结果表明:煤体破坏形貌与实验结果一致;超临界二氧化碳气爆产生的冲击载荷超过爆孔周围煤体的动态抗压强度形成粉碎区,粉碎区外的介质在应力波作用下产生径向位移,形成环向拉应力,连同爆生气体的气楔作用使得环向拉应力超过煤体动态抗拉强度发生开裂形成裂隙区;裂隙扩展范围和密集程度与超临界二氧化碳气爆压力正相关.

页岩渗透特性受热力条件影响的实验研究

利用自行研制的三轴渗流实验装置,开展了考虑孔隙压力、体积应力和温度影响的页岩中CH4气体渗流规律研究。研究表明:(1)孔隙压力施加路径是影响CH4渗透率的主要因素,孔隙压力由2MPa升高到8MPa,页岩渗透率随孔隙压力的升高而降低,降低幅度达到63.5%,后期降低速度逐渐变慢;孔隙压力由8MPa降低到2MPa,页岩渗透率随孔隙压力的升高而升高,升高速度逐渐加快。(2)渗透率随体积应力的升高逐渐降低,体积应力由9MPa增加到27MPa,页岩渗透率降低了58.5%,降低速度逐渐变慢。(3)相同孔隙压力和体积应力下,渗透率随温度的升高而逐渐降低,温度由20℃增加到50℃,页岩渗透率降低幅度达到62.1%,降低速度逐渐变慢,最后达到临界值。