水平振动式滚磨光整加工中力链演化及量化分析

滚磨光整加工中磨块颗粒介质内力链网络影响颗粒群的宏观行为,进而影响加工效果。本文建立水平振动式滚磨光整加工离散元模型,分析颗粒介质介观尺度力链网络动态演化机制与宏观运动行为的联系,并对力链网络进行量化表征研究。结果表明:力链网络复杂的时空分布特性决定了颗粒群的运动特征,提高激振参数,颗粒介质出现流态化现象,力链数目减少,强力链长度变短、准直系数减小、强度提高、方向偏向重力方向。研究工作为形成滚磨光整加工多尺度研究策略提供了一定的分析方法。

浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用;煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了“形成—扩展—稳定—破断”的动态演化过程。随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。

基于离散元方法的沥青混合料力链演化及分布量化分析

为了研究沥青混合料内部颗粒间力链的演化及分布规律,以AC-13沥青混合料作为研究对象,利用离散元方法重构沥青混合料数字试件,模拟简单性能试验,提取试件内部颗粒间的力链信息进行力链演化、概率分布和角度分布分析。结果表明,通过比较预测结果和实测结果,基于离散元方法重构的AC-13沥青混合料细观模型用于模拟其细观力学特性是可行的。试件内部力链空间分布具有各向异性,以垂直方向的压力力链为主,承受大部分的半正弦荷载。法向力链概率分布随加载时间的变化规律基本一致,法向接触力与平均法向接触力比值f最小时,概率分布出现最大值,f=1.75时,概率分布再次达到峰值,然后逐渐减小并趋于稳定。法向力链角度分布主要位于90°和270°附近,第一、二象限的角度分布比例远大于第三、四象限,60~120°、30~150°中法向力链角度分布比例均大于70%,最小为72.733%。

断层破碎带剪切作用下力链结构及演化光弹试验研究

断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演化、力链空间分布及强度等特征进行研究。结果表明:(1)断层破碎带中,岩体颗粒之间通过力链传递力的相互作用;破碎带与断层诱导裂隙带之间存在易滑段与不易滑段,揭示了剪切作用下破碎带空间变形非均匀特征;破碎带中岩体颗粒物质的重新排列,引起易滑段与不易滑段的动态演化。(2)破碎带中较大粒径角砾岩颗粒承载了断层上下盘之间的主要挤压及摩擦力,起到了骨架支撑的作用;随着剪力的增长,强力链方向发生偏转,向竖直方向靠拢。(3)处于高应力状态的断层远离破碎带边缘位置岩体颗粒更容易发生破坏、碎裂、重新排列,从而引起强力链空间方位的变化;随着竖向荷载的增大,强力链空间方位由明显各向非均匀性向各向均匀性转变。(4)竖向荷载变化对断层破碎带中力链比例和颗粒接触力分布频率影响较小,对力链空间分布及强度影响较大。

数值模拟在粉末压制细观分析中的应用与发展

数值模拟技术已经成为研究粉末压制过程的重要手段。研究人员运用离散单元法(discrete element method,DEM)从细观角度研究粉末颗粒的力学行为,分析力链特性及力链演化过程,揭示细观结构对宏观性质的影响;使用多粒子有限元法(multi-particle finite element method,MPFEM)从颗粒层面对不同粉末的压制变形机理进行研究。本文对离散单元法和多粒子有限元法两种数值模拟方法在粉末压制中的应用及发展进行综述,总结了多粒子有限元法在粉末压制数值模拟中的难点,分析得到在动态载作用下对粉末力链演化规律及颗粒致密机理的研究可作为未来探索方向的展望。

综放开采顶煤裂解数值模拟

为了进一步提高综放开采的回收率,文章通过PFC^(2D)数值模拟研究颗粒体破裂、裂纹、力链的扩展等情况,并在数值模拟的基础上详细分析了顶煤裂解的机理。结果表明:顶煤体可分为初始状态、受力变形、拉剪破坏和散体冒放4个区域;采场顶煤力链经历了强力链的“形成—扩展—破断”这一动态过程,且强力链的失稳破断是煤层工作面矿压显现剧烈并诱发各种强动载现象的根本原因。

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应,对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验,结合声发射及数值计算方法,分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明,加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大;累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小;微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡;宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏;数值模拟结果印证了室内试验结论,并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳,峰值应力前,轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大,强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。

CFD-DEM方法在砂土深基坑管涌中的应用

由挡墙裂缝或薄弱处引起的砂土深基坑管涌灾害时有发生,目前对其的预测通常利用有限单元法或经验法。但此类方法很难考虑管涌中流体与固体,土体宏观变形与微观结构演化之间的复杂相互作用。计算流体力学与离散元耦合方法(CFD-DEM)是一种可以较好反映流体与固体相互作用的数值方法。利用CFD-DEM法对砂土深基坑中由挡墙裂缝或薄弱处诱发的管涌灾害进行了仿真研究,量化分析了管涌造成的土体流失颗粒速度场及流场变化等宏观现象,结果表明CFDDEM法可以较好重现管涌过程中坑外地表沉降与坑内隆起等主要特征。