煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明:煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。

巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法

提出巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中便于测量的物理参数,基于微积分的原理,通过对试样中心垂直加载方向上每一点拉应变的积分,可以得到该方向上总的变形量,进而推导出岩石拉伸模量和总位移变形量之间的定量关系式。该关系式包含加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心垂直加载方向上总位移变形量5个物理量,其意义明确,运用简便,可为求解巴西劈裂试验拉伸模量提供一种新的方法。

平台巴西圆盘劈裂和岩石抗拉强度的试验研究

在巴西圆盘试样中引进平台作为加载面,可以改善加载处的应力状态。利用有限元计算平台巴西圆盘均匀位移压缩时,随着平台中心角的增大,圆盘中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,应用Griffith准则能否确定岩石的抗拉强度以及应该如何选择平台中心角需要研究。对花岗岩、砂岩、石灰岩和辉绿岩,以中心角20°～90°的平台巴西圆盘进行劈裂试验,圆盘不是沿中心线破坏,且抗拉强度随平台中心角增大而增大。原因有两个,一是Griffith准则过高地估计了抗拉强度,二是试验机压头与平台之间存在摩擦。垫入0.5mm厚聚四氟乙烯薄片可使平台圆盘沿中心线破裂,但垫片侧向变形大于岩石,平台受到指向外侧的摩擦力,使得圆盘强度随中心角的增大而降低。单轴压缩强度高达240MPa的花岗岩,其劈裂强度(13MPa)与平台圆盘的劈裂强度相当,其余3种岩石完整圆盘的劈裂强度明显偏低,说明集中载荷造成的影响不容忽视。综合考虑摩擦效应和平台加工质量的影响,圆盘中心角以20°～30°为宜。

高应变率下砂岩的动态力学性能研究

利用直径30 mm的分离式霍普金森压杆,对不同弹速下砂岩试样进行巴西圆盘劈裂实验,研究砂岩在高应变率下的动态抗拉强度及试样的破坏模式,得到了砂岩的动态抗拉强度随着应变率的提高而增加。其中,在应变率小于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而大幅增大,在应变率高于316/s时,动态抗拉强度随着应变率的增加而平缓的增加。考虑了压杆撞击速度及试样尺寸对试样的破坏时刻、应变率的影响,通过试样表面贴应变片观测发现试样是由中心向两端发展的起裂顺序。同时,利用ANSYS-LYDYNA有限元对巴西圆盘试样的动态应力分布进行数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。

基于不同岩石抗拉强度值确定最大水平主应力的对比分析

水压致裂原地应力测量系统的柔性对最大水平主应力的结果会产生很大的影响,提高最大水平主应力的测量精度对各种地下等工程设计都具有重要意义。通过进行直接拉伸试验、"垫条加载"和"角锥荷载"形式的圆盘劈裂实验、弯曲拉伸实验获得岩石抗拉强度,结合实测破坏压力、孔隙压力数据及相关理论计算出最大水平主应力,并与利用经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力进行数据对比分析。结果表明:通过"角锥荷载"圆盘劈裂实验、直接拉伸试验、"垫条加载"圆盘劈裂实验、三点弯曲实验所获得的最大水平主应力均大于经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力,且偏差依次增大,由此也说明测试系统的柔性会导致利用经典公式计算的最大水平主应力偏小。4种实验中,通过"角锥荷载"圆盘劈裂实验所获得的数据较其他3种方法更接近经典公式计算得到的最大水平主应力,且偏差较小,可以作为估算最大水平主应力的一种替代方法。在未来的工作研究中,可以为避开系统柔性对实测最大水平主应力的影响、提高测量精度提供方法参考。

应力脉冲对CCCD-SHPB试验系统测试结果影响的数值分析

3维动态有限元分析结果表明,脉冲上升沿时间、幅值及试件直径对CCCD-SHPB(central cracked circular disk-split Hopkinson pressure bar)动态断裂试验系统的试验结果有较大影响,改变脉冲上升沿时间或脉冲幅值可以得到不同加载速率下材料的动态断裂韧度。进一步计算结果表明,在动态加载的初期阶段,由于试件两边载荷不平衡,导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件尺寸相关的特征时间ΔT,且ΔT近似等于应力波在试件中来回往返两次的时间;动态断裂试验时,试件从加载至断裂的时间应大于特征时间ΔT,否则试验结果不可靠。

高密度硬磁盘用小型压电致动器

利用宽度弯曲振动模式，制成了平面分割电极型片状压电致动器．分析、测试了致动器的位移－驱动电压特性和谐振频率．典型结果是１２Ｖ驱动电压下可获得０．４６μｍ的位移量，谐振频率为１０．７ｋＨｚ．

劈裂法测地勘岩芯抗拉强度的形状效应研究

对现场所取岩芯进行力学分析是确定和评价其工程性质的重要途径和手段;但对于一些整体性和强度较差以及裂隙或层理发育的岩层,将现场钻取的岩芯加工成符合规范的标准岩芯。首先加工难度大,更主要的是二次加工对岩芯扰动大,导致力学实验结果偏差较大。为此,将现场地勘岩芯直接应用于力学实验岩芯,通过抗压强度测试中的尺寸效应、劈裂法抗拉强度测试中的形状效应研究,得出以下结论:不同高径比的巴西圆盘劈裂法间接测试抗拉强度的形状效应表明,劈裂法间接测得的抗拉强度和圆盘尺寸离散性较大;但也表现出一定的分布规律。总体上随高径比的增大而呈减小趋势;因此,由于抗拉强度形状效应的离散性,试验中尽可能采用规范规定的尺寸进行强度试验。若在标准岩芯获取受限制的情况下,也可以用非标试件进行试验,引起的误差必须修正。

高密度硬磁盘用压电复合磁头悬浮臂

针对硬磁盘驱动器中磁头定位两级伺服控制系统 ,利用宽度弯曲振动模式 ,设计并制备了分割电极型压电复合磁头悬浮臂。研究了复合磁头悬浮臂的动态位移特性、动态频响特性 ,以及它对读出信号脉冲幅值的影响。结果表明 :2 0 V正弦电压激励下可获得的动态位移幅值约为 1μm ;其固有谐振频率达 6 .3 k Hz,满足高密度硬磁盘对两级伺服控制系统的基本要求。

试件几何尺寸和杆材对CCCD-SHPB试验系统测试结果影响的数值分析

为了分析CCCD-SHPB动态断裂试验系统试验结果的有效性,采用3维动态有限元方法分析了试件几何尺寸和入射杆、透射杆材料对实验结果的影响。分析结果表明,试件直径对CCCD-SHPB动态断裂试验系统的试验结果有较大影响,而入射杆和透射杆的波阻抗与试件的波阻抗是否匹配会影响试验结果的精度,但在一定尺寸范围内,试件厚度对试验结果影响较小。进一步计算结果表明,在动态加载的初期阶段,由于试件两边载荷不平衡,导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件尺寸相关的特征时间ΔT,且ΔT近似等于应力波在试件中来回往返两次的时间;动态断裂试验时,试件从加载至断裂的时间应大于特征时间ΔT,否则试验结果不可靠。

玻璃陶瓷(MACOR)拉伸强度率相关性的研究

掌握玻璃陶瓷MACOR的拉伸性能,对于其在航空航天、国防和其它工程中的应用,以及材料科学本身而言具有重要价值。巴西圆盘实验方法被用于研究加载速率对MACOR拉伸强度的影响。静态实验是在MTS试验机上完成的,动态实验是在6.35 mm SHPB实验装置中完成的。脉冲整形技术被用于实现试件两端力的动态平衡,以消除惯性效应的影响,从而实现准静态应力分析。实验结果表明,MACOR的拉伸强度与加载率相关,拉伸强度作为加载率的函数,当加载速率从0增加到5 780 GPa/s时,MACOR的拉伸强度从26 MPa增大到50 MPa。

海量数据跨盘存储机制的设计与实现

针对石油勘探行业海量数据过大而单存储设备无法有效存储的问题,提出了海量数据跨盘存储机制.该机制充分利用面向对象的重载和多态技术,通过定义专门的文件类,封装标准函数库中的文件操作接口,提供对单数据体的各种文件操作,使文件跨盘存储通过软件方案得以实现.该机制有效地提高了单一存储设备存储空间的利用率.

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。

煤矿区现场地勘岩芯直接用作抗压强度实验岩芯的几何效应研究

对现场所取岩芯进行力学分析是确定和评价其工程性质的重要途径和手段;但对于一些整体性和强度较差以及裂隙或层理发育的岩层,将现场钻取的岩芯加工成符合规范的标准岩芯,首先加工难度大;更主要的是二次加工对岩芯扰动大,导致力学实验结果偏差较大。为此,将现场地勘岩芯直接应用于力学实验岩芯,通过抗压强度测试中的尺寸效应和形状效应研究,得出以下结论:1高径比为二比一的非标岩芯测试抗压强度的尺寸效应表明,强度与岩芯直径或体积之间的相关性明显。随几何尺寸的增大近似呈线性递减规律,且强度与直径之间的关系以及强度与体积之间的关系相似度高,这表明用非标岩芯做抗压强度试验是可行的,只需对非标试件所得结果进行修正,即可得到标准试件下的当量强度。2抗压强度的形状效应表明,不同高径比时岩石抗压强度的离散性较大,但也表现出一定的分布规律,总体上随高径比的增大而呈减小趋势,与体积的增大也呈减小趋势。因此,鉴于抗压强度形状效应的离散性,试验中尽可能采用高径比为二的岩芯进行试验,这样所得的结果线性换算后可比性高一些。

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

采用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷■随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50～350GPa·m^(1/2)/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD—SHPB（CentralCrackedCircularDisk—SplitHopkinsonPressureBar）试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验，进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲，使得测试试件的加载速率基本一致，测得不同温度下试件两端平均栽荷P随时间的变化关系，将最大P-max心裂纹圆盘应力强度因子墨公式，获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度蜀。。测试结果表明，温度处于10—100℃时，花岗岩动态断裂韧度K-Id温度的升高逐步下降，近似呈线性关系。

巴西圆盘劈裂破坏的近场动力学建模与分析

基于非局部近场动力学(Peridynamics,PD)理论,对含预置裂纹的混凝土巴西圆盘劈裂破坏问题进行建模分析.将结构离散为包含混凝土材料信息的粒子,引入动态松弛、分级加载和失衡力守恒等粒子系统数值算法,构建可以自然模拟脆性裂纹扩展的PD算法体系.对含不同角度单预置中心裂纹巴西圆盘的裂纹扩展过程进行数值模拟,所得结果与试验结果吻合较好,验证所提出的模型和算法正确.进一步采用该方法模拟双预置裂纹巴西圆盘劈裂破坏过程中的裂纹扩展、交汇、贯通过程,通过将所得模拟结果与试验结果进行比较分析,探究该方法处理多裂纹扩展问题的可行性.

嵌套环式MEMS振动陀螺的静电修调算法

对于工作在n=2模态谐振结构,静电修调是一种消除频率裂解、实现模态匹配的常用方法。基于环形谐振子的刚度扰动模型,提出了一种直观而实用的修调算法。通过巧妙地近似,并将嵌套环结构的内置修调电极等效为两簇簇带负刚度的"径向弹簧",从而将单环谐振结构的理论模型成功应用于多环嵌套结构。最后通过静电修调实验对该算法进行了验证,实现了带误差谐振子的模态匹配。实验结果表明:通过该算法频率裂解从15 Hz左右被修到0.03 Hz左右。