饱和稀疏裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法

针对高放射核废深地质处置库近场环境,建立分布热源作用下饱和裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法:采用Goodier热弹性位移势和Laplace变换计算由温度梯度产生的温梯位移和应力;考虑单一裂隙的情况,利用经典弹性力学的Boussinesq解和Cerruti解计算为满足边界条件的约束位移和应力,与温梯位移和应力叠加,可得总体热位移和应力;把裂隙面离散为矩形单元集合,采用极坐标系下的解析法计算包含奇点的单元积分,采用数值法计算与分布热源有关和不含奇点的单元积分。与基于裂隙面法向一维热传导假设的一种解析解对比,结果表明,半解析法与解析法的计算结果基本一致,但由于半解析法考虑岩石的三维热传导,因温度时空分布和演变的不同而导致不同的温梯应力。针对一个假想单裂隙岩体三维水流-传热过程,计算温梯位移和应力、约束位移和应力、总体位移和应力;结果表明,裂隙水流-传热可能对位移和应力的分布和演变有显著影响,距离分布热源较近的岩石因升温膨胀受到约束而出现压应力,而距离分布热源较远的岩石则可能因协调收缩受到约束而出现拉应力。

含圆柱形非金属夹杂构件脉冲放电的热应力场

根据脉冲放电对含圆柱形非金属夹杂构件所引起的温度场,将其分解为轴对称温度场和非轴对称温度场两部分,采用热弹性位移势及叠加原理,在给定的边界条件下,分别求解两类温度场所引起的热应力场。以16Mn构件强化为例求解夹杂边界处热应力分布发现,在该区域,无论径向、周向应力均为压应力,而且远超出材料的屈服强度;在温度和应力耦合作用下,将极大影响夹杂附近的组织性能及应力状态。进一步研究沿径向路径的热应力变化发现,脉冲放电引起的热应力仅对含夹杂区域的组织性能及应力状态影响较大,而对无夹杂区域并没有太大影响,因此,该技术可应用于在线构件的强化。

稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法和应用（英文）

目的:探索核废料地质处置库近场岩体在热源(核素衰变产生热量)和裂隙水流动影响下的应力和变形规律,为处置库的安全评估提供理论基础。创新点:针对包含内热源和饱和裂隙水流动的岩体,提出一种稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法,并将该方法应用于核废物处置库近场裂隙岩体温度、热应力和位移的分布特征分析。方法:首先根据热弹性位移势法建立拉普拉斯变换域内的基本积分方程,然后将裂隙离散化,利用数值积分方法计算不含奇点的裂隙单元积分,采用解析法计算包含奇点的单元积分,再根据拉普拉斯数值逆变换将热弹性位移势转换到时间域中,最后利用中心差分法计算热应力和位移。结论:1.在处置库运营早期,岩石受分布热源影响而产生热膨胀区域的范围(即受压区域)较为有限;2.核素在经过长期的衰变过程后,热流强度大幅降低,使得处置库近场岩石中仅有热源附近的极小部分岩石为受压区域;3.裂隙水的流动传热作用使得处置库下游的温度峰值更高,且裂隙水流速越大,流动传热作用越明显,裂隙水流速对热应力和位移的影响与温度类似;4.过小的热源间距会使不同热源间传热作用叠加,从而导致处置库近场的温度、热应力和位移峰值急剧增大。