植树挖坑机坑形控制与挖坑阻力计算方法研究

提出了利用钻头下钻时受到的阻力和挖坑连杆机构的固有频率控制生态植树机钻头运行轨迹的控制方法.首先,采用近似方法计算挖坑过程中钻头下钻时受到的阻力,得到了分叉型尖入土阻力公式.然后,推导出了一般情况下弹性挖坑连杆机构的固有频率,并给出了在其他条件不变的情况下,只改变油缸推程速度控制钻尖轨迹的计算程序.分析表明:油缸推程(下行)速度越大,坑形随之变小;但是当推程速度增大时,钻头的挖坑速度增加;利用机构的运动控制来进行坑形的几何控制,可以提高挖坑机构的运动特性和结构特性.

染料聚合物工艺母盘刻录坑形对读出信号调制幅度的影响分析

与光刻胶工艺相比,染料聚合物工艺母盘刻录的光盘坑形有很大区别。在已知文献中对坑点形貌与读出信号关系的研究结果已不再有效。使用基于角谱分解的衍射理论,利用原子力显微镜得到的坑形,对两种工艺光盘的调制幅度参数进行了仿真。仿真结果表明,对染料聚合物工艺而言,在较小的深度和宽度下能获得与光刻胶工艺光盘相当的调制幅度。对实际光盘几何尺寸和电信号参数的测试结果证明了仿真结果的正确性。

V形坑尺寸对硅衬底InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的影响

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了InGaN/AlGaN近紫外LED,通过改变低温GaN插入层的厚度调控V形坑尺寸,系统地研究了V形坑尺寸对InGaN/AlGaN近紫外LED(395 nm)光电性能的影响。结果表明,低温GaN插入层促进了V形坑的形成,并且V形坑尺寸随着插入层厚度的增加而增大。在电学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,-5 V下的漏电流从5.2×10^(-4)μA增加至6.5×10~2μA;350 mA下正向电压先从3.55 V降至3.44 V,然后升高至3.60 V。在光学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,35 A/cm^2下的归一化外量子效率先从0.07提高至最大值1,然后衰退至0.53。对V形坑尺寸影响InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的物理机理进行了分析,结果表明:InGaN/AlGaN近紫外LED的光电性能与V形坑尺寸密切相关,最佳的V形坑尺寸为120~190 nm,尺寸太大或者太小都会降低器件性能。

量子阱结构对含V形坑InGaN/GaN蓝光LED效率衰减的影响

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度,生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱,研究了两类量子阱组合对含V形坑InG aN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明:限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构,在室温75 A/cm^2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7%,明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减,且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明,合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠,促进载流子在阱间交互,提高载流子匹配度,抑制电子泄漏,从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。

GaN基LED中V形坑缺陷的研究进展

自低温AlN、GaN形核技术和高温热退火技术实现了外延高质量GaN薄膜和激活p型GaN受主以来,GaN基光电器件得到了迅猛发展。但是,GaN基光电器件依然存在诸多基础性问题,特别是基于异质衬底外延的GaN基LED外延层中的位错密度高达10^(8) cm^(-2),内量子效率却超过50%。V形坑是GaN基LED外延层中一种常见的倒金字塔缺陷,6个侧面与c面的夹角均为62°。基于V形坑缺陷对LED光电性能影响的研究成果,介绍了V形坑中侧壁量子阱屏蔽位错理论:侧壁量子阱的In含量较低,其势垒高度大于c面量子阱,故在穿透位错周围形成了高势垒,阻挡载流子被非辐射复合中心所捕获。此外,还综述了V形坑缺陷的形成机理、附近区域的发光特性、对LED电学特性的影响以及通过优化V形坑调控LED光电性能的研究。

孔隙压力条件下圆形巷道围岩的应变局部化数值模拟

利用FLAC模拟了不同孔隙压力及围压条件下圆形巷道围岩的应变局部化过程。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载、后挖洞"的方式。模拟结果表明,当围压增加到一定程度后,孔隙压力较低或等于零时,在围岩中出现了V形坑或"平底锅"形坑,这与开采深度达到一定后,无瓦斯或低瓦斯矿井中的岩爆现象类似;当围压增加到一定程度后,孔隙压力较高时,在围岩中出现了多条平行裂纹及多个不规则的狭长薄片,破坏区的外轮廓类似梨形,这与开采深度达到一定后,在高瓦斯矿井中煤和瓦斯突出后形成口小腔大的孔洞现象类似。

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH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。文中模拟分为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F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下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。岩石服从摩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。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。

不同尺寸的圆形隧洞剪切应变局部化过程模拟

利用FLAC模拟了两个不同直径圆形隧洞的剪切应变局部化过程。为了模拟隧洞开挖,利用编写的FISH函数删除隧洞内部的单元。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。本文的模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直至达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖隧洞;最后,计算重新开始,直至达到静力平衡状态(对于小孔隧洞)或者塑性流动状态(对于大孔隧洞)。模拟结果表明,多个"狗耳"形或V形坑在小孔隧洞周边附近产生,最终,围岩处于平衡状态。这一结果与陆家佑和王昌明(1994)的实验结果及许多现场观察结果一致。对于大孔隧洞,由于在围岩中出现了多条剪切带,因而隧洞的整个断面均遭到了破坏。这一现象与现场观察到的猛烈破坏现象类似。隧洞的剪切应变局部化受隧洞尺寸的影响。

圆形巷道围岩剪切带形成过程的能量释放模拟

利用FLAC模拟不同侧压系数条件下圆形巷道围岩破坏过程中的能量释放规律,着重考察V形坑及短剪切带形成过程中的剪切破坏的单元数及应变能释放率的演变规律。在计算中,采用初始化模型内部正应力的方法,利用应变软化的本构关系,采用"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,当剪切破坏单元仅位于巷道的表面上时及深入围岩很浅时,剪切应变能释放率的值很低,呈"脉冲式"及"振荡式"特点;当短剪切带形成后向围岩中传播时,其呈"激增式"特点。对本文模型和传统的轴对称模型的差别进行了讨论。在本文的内圆外方的模型中,剪切应力尽管没有初始化,在加载后也会存在,因此不属于轴对称模型。剪应力的存在及变化是V形坑及短剪切带发生及发展的主要因素。侧压系数的提高使剪切应变能释放率的峰值提高,两种能量释放现象提前,破坏单元数提高。

巷道围岩变形破坏数值模拟

为研究圆形巷道开挖之后,围岩中的剪切应变增量、最小主应力的分布与演化规律,基于包含界面及基体的颗粒体模型,考虑模型参数内聚力的软化行为,应用FLAC-3D软件,模拟出"V"形坑内发生层裂的破坏现象.结果表明:当模型参数脆性较低时,剪切应变增量高值呈条带状展布,彼此交叉,向围岩深部延伸;最小主应力出现高、低值相间隔现象.随着巷道尺寸的增加,剪切带的数目增多,长度增加;最小主应力高、低值相间隔现象加剧,间距无明显变化;随着围压的增加,剪切应变增量、最小主应力高值区在2个直径方向呈现更清晰的分布规律,当围压较高时,其模拟结果与现场观测到的"V"形坑内发生层裂的破坏现象更加吻合.

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。

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。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。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明:当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。

不同弹模时圆形巷道围岩的应变局部化数值模拟

利用基于运动方程求解的FLAC程序模拟了不同弹性模量时圆形巷道的应变局部化过程。在计算中,采用了"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,在弹性模量中等或较小的条件下,由于开挖卸荷而产生的围岩向空腔内部的"涌入"(运动)现象比较明显,进而围岩中诱发了较多的破坏、V形坑或短剪切带式破坏。在上述条件下,基于静力平衡的解析及数值方法不再适用,而且是偏于不安全的。弹性模量越小,开挖之后,围岩维持其均匀周向(或环向)变形的能力越差,这种轴对称变形越容易被打破,也被打破得越早。尽管随着弹性模量的增加,破坏单元数的变化并不是单调的,但是在总体上,随着弹性模量的增加,破坏单元数目降低,最大剪切应变增量急剧单调下降。

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

弹性模量依赖围压的圆形洞室围岩破坏行为数值模拟

在考虑拉伸截断及非线性屈服准则的自定义本构模型中,又考虑了弹性模量(弹模)受围压的影响,模拟了两种网格、不同本构模型及加载方式条件下的洞室围岩的破坏行为。在第1种网格中,洞室围岩被剖分为辐射网格,采用"先挖洞,后加载"的方式及理想弹-塑性本构模型进行计算;在第2种网格中,洞室围岩被剖分为矩形网格,采用"先加载,后挖洞"的方式及弹-脆-塑性本构模型进行计算。计算结果表明,对于第1种网格,随着弹模的围压影响系数的增加,洞室围岩的应变、位移及塑性区半径均有所减小,被监测单元的环向应力的峰值有所降低,不同本构模型的计算结果的差别逐渐显现。对于第2种网格,当弹模的围压影响系数较低时,围岩中形成了4个对称的V形坑,随着弹模的围压影响系数的增加,V形坑的个数及尺寸明显减少,这可由洞室围岩的应力、位移及剪切应变增量均有所减小得到解释。

静水压力条件下开挖直径及卸荷时间对巷道围岩变形-开裂影响的连续-非连续方法模拟

以自主开发的拉格朗日元与变形体离散元耦合的连续-非连续方法为基础,引入Ⅱ型断裂能,用以模拟剪切开裂现象,并通过直接剪切实验对方法的正确性予以验证。在静水压力条件下,开展了关于巷道开挖直径、开挖卸荷时间对巷道围岩变形及开裂过程影响的数值模拟研究。研究结果表明:岩样上端面平均剪应力-水平位移曲线的峰值随着Ⅱ型断裂能的增加而增加,且岩样脆性降低;随着时步数的增加,多条剪裂纹自巷道周边向围岩内部扩展,部分剪裂纹相互交叉而形成Ⅴ形坑,最终使围岩处于不平衡或趋于平衡的状态;在此过程中剪裂纹时而扩展,时而基本停滞,并在一些位置呈间隔排列;随着开挖直径的减小,Ⅴ形坑的最大深度减小,剪裂纹区段数目及平行的剪裂纹数目均减少,当开挖直径较小时,模型最终趋于平衡;开挖卸荷时间不同,巷道围岩开裂呈现一定的规律性和复杂性。

均质度对圆形硐室破坏形式影响的模拟研究

为了研究均质与非均质度对圆形硐室3种经典破坏形式的影响,利用颗粒流软件PFC^(2D) 对均质圆形硐室和服从Weibull分布的非均质圆形硐室进行了双轴压缩模拟试验。研究表明:采用颗粒流方法模拟硐室的破坏演化过程是具有优势的;弹性模量均质度m_E对圆形硐室的3种破坏形式影响程度较弱,但对硐室的体积应变随着m_E的增大而减小,表明m_E对硐室变形有着重要影响;随黏结强度均质度m_σ的增大,裂纹及裂隙的数量和分布离散性均减小,表明m_σ对硐室破坏有着重要影响。

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb(M-C)本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown(H-B)本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差。