基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。

煤结构异性对瓦斯渗透特性影响的实验研究

利用煤岩渗透测试系统,对煤样试件平行层理和垂直层理方向上,进行了不同瓦斯压力下的渗透率测定,结果表明:煤的结构异性对瓦斯渗透特性影响较大,实验煤样在两个方向上的渗透率大小相差约为1个数量级。针对瓦斯在平行煤样层理方向和垂直层理方向上流动特性的差异,建立了煤样瓦斯渗流的串联和并联阻流模型,并就层理构造对瓦斯渗透特性的影响进行了理论分析。

结构异性煤层注水裂纹扩展机制研究

基于煤体结构异性特征,从微观角度数值分析注水煤体裂纹起裂、扩展及停止过程。研究结果表明:注水时煤体节理端应力集中,然后沿节理面(弱面)扩展,当剪应力小于煤面剪切强度时,裂纹停止;注水压力较大时,煤体不仅沿节理面扩展,而且还在裂纹尖端处导致煤体损伤,衍生新的裂纹路径。

参数化水平集法在正交各向异性结构多目标拓扑优化中的应用

利用全局支撑径向基函数插值初始水平集函数,以水平集函数为设计变量,以结构柔度和散热弱度的加权函数为目标函数,基于参数化水平集法(Parameterized level set method,PLSM)建立了正交各向异性结构的热力耦合多目标拓扑优化模型。结合数值算例研究了权系数、材料方向角、泊松比因子和热导率因子对PLSM多目标最优拓扑结构和目标函数的影响,并给出了相关参数的合理取值范围;在3D打印实物的基础上完成了最优各向异性拓扑结构的性能分析,并与各向同性结构进行了对比讨论。结果表明,PLSM最优拓扑结构比变密度法的拓扑结构边界更光滑、清晰,不会出现中间密度和锯齿等现象;同时正交各向异性结构的温度场、位移场和应力场比各向同性结构均有较好地改善,加权目标函数、结构柔度和散热弱度分别降低了55%、3.18%和81.1%。

卸荷作用下煤岩异性结构面失稳机制研究

目前针对岩体结构面滑移失稳方面的研究未考虑开挖过程中的卸荷效应,且对煤岩异性结构面的研究较少。为了探究触发煤岩异性结构面滑移的条件及其影响因素,通过建立异性结构面力学模型,理论推导了卸荷作用下异性结构面解锁滑移的判据,采用通用离散单元法程序(UDEC)建立平滑结构面数值模型,以验证理论分析异性结构面解锁滑移触发条件的准确性,分析异性结构面解锁滑移的影响因素。研究结果表明:煤岩异性结构面解锁滑移与结构面倾角、内摩擦角及水平应力与轴向应力的比值有关;当水平应力等于轴向应力时,异性结构面始终处于稳定闭锁状态,不会发生解锁滑移;水平应力和轴向应力增大、内摩擦角减小均会增大异性结构面解锁滑移难度;对于下行解锁滑移,当结构面倾角小于45°+φf/2(φf为内摩擦角)时,其增大会增大解锁滑移难度,大于45°+φf/2时其增大会减小解锁滑移难度;对于上行解锁滑移,当结构面倾角小于45°-φf/2时,其增大会增大解锁滑移难度,大于45°-φf/2时其增大会减小解锁滑移难度;对于异性结构面稳定闭锁状态,结构面倾角不大于30°时,若轴向应力大于抗压强度,则煤岩组合体发生脆性破坏。

结构异性煤体渗透率特性

煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数,而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统,对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上,进行不同瓦斯压力下的渗透率测试,并根据等效驱替原理,建立各向异性煤体渗透率的计算模型,数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向,渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1个量级,且煤的变质程度越高,差别越明显。随瓦斯压力增大,煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大,煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下,煤的变质程度越低,煤层瓦斯渗透定向性越弱。

正交异性钢结构桥梁面板焊接区缺陷空间视觉定位方法

为了减少焊接桥梁因疲劳产生裂纹,减少安全威胁,提出正交异性钢结构桥梁面板焊接区缺陷空间视觉定位方法。利用视觉注意力机制分别采集方向和亮度显著特征图,通过融合算法将二者融合,生成初始焊接区域图像。使用二值化处理方法计算图像初始对比度和像素分布系数,设定像素阈值,去除噪声点,提高图像质量。采用改进区域生长算法确定生长准则,通过阈值更新的方式实现图像背景与目标分离,获取图像条纹斜率,比较相邻像素点的斜率值,将该值做为判断特征拐点的依据,提取缺陷特征;结合获取的特征,利用最近邻域法识别出缺陷,实现缺陷视觉定位。结果表明,所提方法能够获得高质量的视觉图像,定位误差小。

加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究

自然界中广泛存在着两侧岩性不同的结构面,工程中常用锚杆抑制结构面的滑动。为了研究加锚异性结构面的直剪特性,开展了室内直剪试验,结合声发射监测结果,探讨了加锚异性结构面的抗剪强度、破坏类型及裂隙演化规律。研究结果表明:随着加锚异性结构面弱侧壁岩强度增加,抗剪强度呈非线性增加趋势,结构面加锚时的抗剪强度相比未加锚时依次提高了200%、267%、303%,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂,且主裂纹方向与剪切方向基本一致;加锚异性结构面剪切—位移曲线分为压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,压密阶段锚固剂出现挤压破坏,弹性阶段岩体与锚杆挤压处出现裂隙,屈服阶段锚杆承担主要抗剪力且发生了变形,破坏阶段岩样被剪碎;当结构面弱侧壁岩强度较低时,声发射事件集中在弹性阶段,当其壁岩强度较高时,声发射事件集中在屈服阶段;随着结构面弱侧壁岩强度增加,当λ<1时岩样产生大尺度剪切裂隙,当λ≥1时岩样产生小尺度剪切裂隙。

复杂地质下的大跨度异性钢结构竖向转体施工技术研究

大跨度异性钢结构竖向转体实际施工参数与预期施工方案之间的累积误差若不及时进行控制,将直接影响施工质量,为此研究一种复杂地质下的大跨度异性钢结构竖向转体施工技术。该技术分为施工准备、转体施工以及转体结束3个阶段,针对其中转体施工段,利用BP神经网络改进PID算法构建竖向转体施工误差控制模型,在施工进行的同时监测实际施工参数,以此及时调整施工设备的控制量,使得转体实际施工参数不断接近预期施工方案,从而达到提升竖向转体施工质量的目的。研究结果表明:大跨度异性钢结构竖向转体实际施工参数与预设施工参数之间的误差一直控制在误差允许范围内,说明应用研究技术转体施工质量较好,更能达到施工预期。

装配式建筑中正交异性膜结构在均布荷载作用下的静力响应

正交异性膜结构在我国建筑领域应用越来越广泛,均布荷载会对其外观和安全性产生影响。对装配式建筑中正交异性张拉膜结构在均布荷载作用下的静力响应进行了研究。首先将某薄膜屋盖抽象出力学模型,并介绍了其在有限元软件中建立的过程,之后通过改变预张力大小、外荷载大小、膜面尺寸分析了三者对其静力性能的影响。结果显示均布荷载越大,膜面静力响应越大;预张力越大,结构刚度越强,均布荷载产生的位移就越小;长宽比增大时,膜面静力响应也随之增大;膜面的正交异性对其静力响应的影响不应忽略。在正交异性膜结构的设计和应用中,应选取合适的预张力和膜面尺寸,保证其在均布荷载作用下的安全和美观。该研究可以加深对正交异性张拉膜结构性能的了解,为其在装配式建筑中的使用和设计提供理论依据,并为相关研究提供验证手段。

冲击荷载作用下各向异性煤体中大孔结构变化规律研究

为了研究冲击荷载对煤岩体孔隙结构中中大孔结构的影响,能够为煤层增透中爆破致裂技术参数的设置提供相关理论依据,对结构异性(垂直于层理方向、平行于层理方向)煤岩体采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)冲击试验,进行不同冲击气压(0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 MPa)下的动态力学性能测试,然后利用压汞试验对不同冲击荷载下结构异性煤岩体进行孔径结构分析,进而探讨冲击荷载对结构异性煤岩体中中大孔结构的影响规律。结果表明:煤样的动态抗压强度随着冲击荷载的增加呈线性增加,当冲击荷载相同时,垂直层理方向煤样的动态抗压强度均大于平行层理方向。冲击荷载和层理方向对煤样的进退汞曲线特征、孔隙度、退汞效率和孔径分布均有影响,当冲击气压为0.5 MPa时,对应垂直层理和平行层理方向动态抗压强度分别为29.624、24.339 MPa,较未受冲击荷载相比,垂直层理方向和平行层理方向煤样进汞量分别增加188%、205%,孔隙度分别增加155%、198%,退汞效率分别减少32%、69%,孔径分布中孔容最大值分别增加472%、492%。不同层理方向冲击荷载对煤样的孔隙结构的改善效果不同,当冲击荷载相同时,平行层理方向煤样的进汞量、孔隙度、退汞效率、孔容最大值,分别为垂直层理方向煤样的1.05、1.35、0.46和1.40倍。总体上,冲击荷载越大,煤样总孔容增量越大,且平行层理方向煤样总孔容增量大于垂直层理方向。

基于PFC^(2D)数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC^(2D)颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明:异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。

利用人眼视觉特性的图像结构差异性杂波度量

针对光电图像杂波效应对目标获取性能的影响,提出一种基于人眼视觉特性的图像结构差异性杂波度量。依据人眼对图像结构的高度自适应性以及图像质量评估领域广泛认可的图像结构的定义方法,计算目标和杂波的结构相似性;并根据人眼的视觉显著性原理,给出两种适用于结构相似性的显著性加权信息度量。采用外场实验对该杂波度量的合理性进行验证,得出基于该杂波度量的目标预测性能与外场目标获取性能,在均方根误差、相关性方面都优于现有的杂波度量的预测性能。

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,(1)异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;(2)异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;(3)水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角的劣化明显;(4)只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。

二维正交各向异性结构弹塑性问题的边界元分析

给出了二维正交各向异性结构弹塑性问题的边界元分析方法,包括相应边界积分方程、内点应力公式、边界元求解格式以及弹塑性应力计算方法。在弹塑性分析中,引入了HillTsai屈服准则,采用初应力法和切向预测径向返回法确定实际应力状态。通过具体算例分析了二维正交各向异性结构的弹塑性应力和塑性区分布情况,部分数值结果与已有结果进行了比较,两者基本吻合。结果表明,本文中给出的边界元法可以有效地用于求解二维正交各向异性结构的弹塑性问题。

恒速压汞技术定量评价低渗透砂岩孔喉结构差异性

针对常规压汞不能准确确定储层孔隙与喉道的弊端，利用恒速压汞技术对鄂尔多斯盆地低渗透砂岩样品孔喉结构的差异性进行了定量评价。结果表明，渗透率越小的岩心，喉道分布越集中，随着渗透率的增大，大喉道分布逐渐增多，喉道分布范围也更加宽泛，主喉道半径随之增大，但较大喉道对低渗透砂岩储层的开采效果具有双重影响；渗透率小于0．5×10^-3μm2的岩心，主喉道半径小于1μm2，渗透率介于0．5×10^-3-1×10^-3μm2间的岩心，主喉道半径为1～2μm2孔道与渗透率大小之间基本没有相关性，低渗透砂岩孔喉结构的差异性主要体现在喉道上，喉道大小及分布影响最终开发效果。

毛细力辅助飞秒激光直写制备各向异性及多级结构

将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先,使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列,将微柱置于显影液中显影,然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中,微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法,并成功制备了底层微柱直径分别为2μm和6μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关,且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力,更易发生弯曲;直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力,从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜,藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工,并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。

不同沉积方向各向异性结构性砂土离散元力学特性分析

为探究沉积方向对各向异性结构性砂土力学特性的影响,首先采用椭圆颗粒生成两种不同沉积方向(水平与竖直)的各向异性净砂样,其次,引入一个考虑胶结厚度影响的微观胶接触模型从而生成各向异性结构性砂土。最后,对两种各向异性结构性砂土试样进行双轴压缩试验,并将水平沉积试样试验结果与室内试验结果对比验证该模型的可行性。同时,将两种不同方向试样的试验结果进行对比以探究沉积方向的影响。结果表明:两种试样应力–应变关系均呈软化及剪胀现象,水平沉积试样峰值偏应力较竖直沉积试样大,而二者残余阶段偏应力无明显差别;水平沉积试样临界孔隙比较竖直沉积试样大;胶结破坏速率及胶结破坏率变化与宏观力学特性变化相对应,且变化规律基本相同;水平方向沉积试样的胶结接触主方向始终保持竖直而竖直沉积试样的胶结接触主方向始终保持水平;在水平沉积试样中始终为水平分布颗粒长轴分布主方向,而竖直沉积试样中颗粒长轴逐渐向各向同性分布靠近。

正交各向异性结构的塑性极限与安定下限分析

利用数值方法研究了正交各向异性结构的塑性极限与安定下限分析问题。基于Hill-Tsai屈服准则和有限元离散技术,采用温度参数法构造了结构的自平衡应力场,建立了正交各向异性体极限与安定下限分析的有限元数学规划格式,利用序列二次规划算法求解。计算结果表明计算效率高,精度好。