CO_2吸附对煤岩热弹性模型影响的理论解释

引入煤岩对气体的吸附势函数,并假定吸附势函数是引起多孔介质变形和应力的一个因素,给出了考虑CO2吸附的煤岩热弹性模型的一般形式,分析了CO2吸附对煤岩热弹性模型的影响。结果表明,在弹性范围内,吸附势函数是通过改变热传导方程和热传导的热力学限制条件来间接影响介质的应力和变形的,而对应力-应变之间的关系表达式的形式没有影响。一旦给出自由能函数和吸附势函数的形式,就可以确定考虑气体吸附条件下介质的热弹性本构模型。

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应,即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性,基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法,编写了基于Abaqus的用户子程序,并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现,非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应,自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响,与不考虑自热效应相比,循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著,表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明,考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为,滞回圈的形状与实验结果更为吻合,斜率误差在10%以内。

物性与温度相关材料广义热弹性模型及渐近分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Clausius不等式和L-S广义热弹性理论,通过对自由能公式的高阶展开,构建了具有变物性特征的广义耦合热弹性动力学模型.推导了各向同性材料表面受热冲击问题的线性化控制方程组,利用热冲击的瞬时特征,借助于Laplace正、逆变换技术及其极限性质,给出了变物性条件下一维热冲击问题的温度场、位移场和应力场的渐近表达式.通过算例,得到了热冲击作用下各物理场的分布规律以及材料物性与温度相关性对于热弹性响应的影响规律.结果表明:材料物性与温度相关性对于各物理场的阶跃位置、阶跃间隔以及阶跃峰值均产生不同程度地影响,相比于位移场和应力场的显著影响,其对温度场的影响效果并不明显.

梯度功能材料板热弹性分析模型

建立了梯度功能材料板的热弹性分析模型。考虑到梯度功能材料的材料性能沿板厚变化,参照复合料层合板将其沿板厚分为若干层,当层数足够多时,各层材料性能可视为常值。通过引入温度沿板厚折线假设和在位移场中考虑截面翘曲,显著改善了这类问题解的精度。算例显示了文中模型的精度和已有分析方法的不足,讨论了分层数的选取。

基于多孔弹性模型及动态温度场的井壁稳定研究

井壁失稳、坍塌是油气井钻井施工中必须应对的难题。针对复杂地层尤其是非连续地层的超深钻井(>6000 m)过程,通过研究岩石力学特性、孔隙渗流、井壁受应力与温度场等相互耦合作用,对复杂特殊地层中井壁稳定性进行分析。在此基础上,利用线性叠加原理结合地层渗流影响、孔隙压力变化以及地层温度场变化引起的热诱导应力分量,组合到原位多孔弹性模型中,建立热孔弹性模型,并结合D-P失效准则和“应力云”思想,形成了多孔弹性模型及动态温度场耦合的井壁稳定分析方法,并取深水浅部区块1口实例井的钻井过程进行验证。研究结果表明,延长钻井液循环时间有利于地层冷却和井眼清洁,但随着循环时间延长,井壁与地层之间温差过大,叠加的热诱导应力值会加大岩层各向应力差值,易发生失稳。研究结果拓宽了以往井壁稳定性分析方法的应用范围,提高了计算精度。

一种描述温度与应变率效应的大应变非线性热粘超弹本构模型

通过橡胶材料在不同温度及应变率下的霍普金森杆冲击试验(SHPB),结合粘弹、超弹理论,建立了一种能反映橡胶材料温度、应变率效应的大应变非线性热粘超弹性本构模型,并开发了相应模型的ABAQUS(VUMAT)软件材料用户子程序。数值模拟很好地再现了橡胶片的SHPB试验,验证了本构模型及材料用户子程序的有效性。

超短脉冲辐照下金膜的超快热弹性力学响应

从热力耦合模型出发,对热电子崩力进行初步分析研究。得出结论:在超短脉冲的超急速加热过程中,对光学材料造成根本损伤的为非热损伤。

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm^(2)时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm^(2)的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。

钢轨打磨热力耦合分析

基于热机耦合方法,运用有限元软件ABAQUS,建立钢轨打磨三维热弹性有限元模型,分析钢轨打磨过程中的温度、应力及应变。分析不同车速、不同砂轮转速及不同数量打磨磨头对钢轨表面温度的影响。结果表明;打磨过程是快速升温、缓慢降温的过程,打磨高温区的深度很浅,且高温区的温度场、等效应力场均呈椭圆状;钢轨表面温度随列车速度的增加而减小,随砂轮转速的增加而增加;钢轨表面温度随打磨磨头数量的增加而显著增加,打磨温度在250℃~500℃之间,符合实际情况。

GL模型中延迟时间的影响

为求解同时考虑时空耦合因素和松弛时间因素的高响应速度传热Green and Lindasy（GL）方程，设计了一个半无限长杆的一维GL导热问题，运用Laplace变换获得其解析解．通过比较无限长杆上短时间内的温度、应变、应力分布的解析解与数值仿真结果，得出不考虑松弛时间的温度分布的最大偏差不超过10K，应变和应力分布的最大偏差为5％。依据此结论，在应用GL模型研究高温燃气加热铝质活塞的低周热疲劳问题时，可以忽略松弛时间对仿真结果的影响以简化计算，从而解决了求解极小松弛时间（10^-13～10^-11 s）的多维GL方程的困难．

飞秒激光辐照下金属薄膜材料的热力响应

考虑到金属材料热导率、弛豫时间、电子-晶格耦合系数等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,数值求解了飞秒激光辐照金属薄膜的超快热弹性模型,分析了飞秒激光辐照200nm铜膜时温度场和应力场的变化规律。结果表明:电子热导率和电子-晶格耦合系数对温度场变化有较大影响;在超快加热早期,热电子崩力在金属薄膜表面附近迅速达到峰值,后期急剧减小的热电子崩力和逐渐增大的晶格温度梯度共同决定了薄膜体系中应力场的变化。

镜面热变形及吹气流场对光束的联合影响

采用热弹性力学模型、可压缩流体力学模型和标量波动方程,通过数值模拟定量研究了激光系统中高功率密度光束在弹性支撑反射镜上的热沉积造成的镜面热变形以及镜面变形对光束的影响;同时分析了抑制热晕的对称多孔吹气方式在不同吹气速度下通道流场对光束的影响。然后,通过空间顺序耦合得到了两者对光束的联合影响。实验结果显示:在中心固定的弹性支撑条件下,反射镜的镜面变形有效作用面比较平滑,主要表现为镜面总体倾斜导致光束在远场产生的轻微角度偏转基本可忽略或可预调校正,吹气流场在较低吹速下对光束的影响也基本可以忽略;但在较高流速下,流场由于密度非均匀分布加剧,对光束的影响十分严重;二者耦合后对光束的联合影响基本与单独影响一致。

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。

饱和多孔黏弹地基热−水−力耦合动力响应分析

天然土体由于沉积条件和应力状态不同,往往会表现出一定的流变性.本文研究地基上表面受外载荷作用时,渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热−水−力耦合动力响应问题的影响.基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论,并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时,孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响.根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式,结合算例分析了不同变量对各物理量的影响.正则模态法是一种加权残差法,可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性.结果表明:无论何种载荷作用时,载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响;孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响,当仅考虑热载荷作用时,孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响.正则模态法可广泛应用于岩土工程领域,尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中.该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础,具有一定的指导性意义.

高超声速机翼瞬态气动加热下热颤振分析

研究了一种气动力(热)/结构耦合的高超声速机翼热颤振的时域数值分析方法。研究目的是分析结构内部温度梯度对结构固有特性的影响机制和结构发生颤振的规律。采用非定常计算流体力学耦合结构传热的算法,获得结构的瞬态温度场;通过有限元计算得到瞬态温度场不同时刻下的热结构模态;利用结构模态叠加法建立结构动力学模型,结合Volterra级数建立的非定常气动力模型进行气动/结构耦合计算获得颤振动压。对马赫数为5、高度13 km的一小展弦比机翼进行了颤振分析。验证了该方法的可实现性。研究表明,随着温度梯度的增大结构固有频率减小,颤振动压最小值发生在结构主频率差值最小处。

基于热质理论的广义热弹性动力学模型

具有微尺度传热特征的超常传热过程中,热流矢与温度梯度之间存在延迟效应,且热流的运动受到空间效应的影响.基于热质概念的普适导热定律,结合Clausius不等式和Helmholtz自由能公式,构建了计及热流矢和温度对时间和空间惯性效应的广义热弹性动力学模型,推导了各向同性材料超常传热行为的热弹性控制方程组.通过与已有广义热弹性动力学模型进行对比分析可得,当热流密度不大的条件下,热流矢与温度对空间的惯性效应可忽略时,基于热质概念的广义热弹性模型可分别退化为L-S,G-L和G-N的模型;对于尺度微观、稳态导热条件时,热流矢与温度对空间的惯性效应不可忽略,此时导热系数将受到热质运动惯性效应的影响,利用所建模型可揭示稳态导热时呈现的非傅里叶现象,并可避免基于已有广义模型得到的导热系数随结构特征尺寸变化的非物理现象.

抑制反射镜热变形影响的支撑方式优化设计

在高功率激光应用系统中,常通过反射镜对光束进行扩聚束、重定向、波前校正等控制。但控制系统中的各类反射镜会吸收部分光能从而形成非均匀温度场,使反射镜产生形变,进而影响反射光束质量。由于支撑方式与温度场共同决定反射镜的变形结果,因此在光束控制系统设计中,需要研究最佳的反射镜支撑约束方式。基于热弹性力学,提出了不同镜面支撑方式减小镜面热变形的方法;对几种常见支撑约束方式下的反射镜的温度场、变形量进行了量化仿真分析;对比了镜面的总变形量、光斑区域相对变形量、光斑区域相对变形量引入的波前像差。结果显示:对反射镜背面采用小块区域约束的支撑方式镜面相对变形量最小;对反射镜背面采用刚性约束的支撑方式镜面相对变形量最大;后者可以有效减小镜面相对变形量约98.4%。实验和仿真分析的镜面光斑区域的相对变形量十分接近,波前图像基本一致。这些研究结果为光束控制系统镜体支撑的选型和设计提供了理论支持。

光斑尺寸对K9玻璃近红外激光损伤阈值的影响

基于热弹性模型 ,用有限元法对不同光斑近红外激光辐照下K9玻璃样品中的温度和压力分布进行了计算。对厚 2mm、半径 10mm的圆片样品的计算结果表明 ,K9玻璃的损伤受表面环向拉伸应力的控制 ,光斑大小对损伤阈值有较大的影响 ,对光束总入射功率为 2 8kW的激光辐照 ,当光斑半径从 0 .4mm增加到 3mm时 ,损伤所需时间从 14ms增加到 1s。在一定光斑尺寸范围内 ,样品损伤 (表面拉伸断裂 )所需的激光功率密度在同一量级内变化 ,在更小光斑时 ,损伤时的最高温升趋于 5 6 5K。

变温下橡胶材料力学性能的实验分析

利用Zwick020材料试验机研究了天然橡胶材料在不同温度条件下单向拉伸的大变形力学行为。得到了不同温度和不同加载速率条件下材料的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了高温和低温的温度变化条件及加载速率对材料力学性能的影响,得出天然橡胶材料在大变形条件下的温度和加载速率敏感特性。同时利用实验结果拟合出材料的应变能函数,并应用热超弹性模型对材料进行了理论分析。结果表明,理论分析结果与实验结果仅在一定温度范围内吻合得较好,因为材料软化或硬化,在很高或很低的温度情况下二者有一定差别。

力学边界对透射型光学元件激光破坏阈值的影响

建立了激光与透射型光学元件相互作用的热弹性力学模型 ,解析求解了自由、固定以及一种人为边界条件下光学元件热 -力学响应的定解问题。研究发现 ,不同的边界条件对破坏阈值有很大的影响。针对光学元件中热应力的演变情形 ,设计了一种“最佳”边界 ,消除了激光作用过程中产生的拉应力 。