煤与瓦斯突出相似模拟试验的能量原理

煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害,由于这种动力灾害通常难以直接观测,煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而,突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去70 a中突出模拟试验的回顾,发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率(10%~40%,中位数为21.2%),显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能(几倍到几十倍)。为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征,基于相似准则,利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验。结合观测数据与能量分析,发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分,占总能量的87.50%~95.31%,其中初始游离气体的贡献占比为1/3~2/3;证明了实验室模拟试验的本质,是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程。特别是,由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能,模拟试验可以不依赖应力条件,甚至可以由非吸附性气体(如He)在低压下(约0.45 MPa)诱发。与现场实际突出相比,模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放,缺乏应力与瓦斯之间的相互作用,因而难以还原突出的激发过程。在未来的试验装置设计中,如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当(通常为1%~11%)是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键。

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明:无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标:岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。

基于能量原理盐岩的强度与破坏准则

讨论了盐岩变形过程中可释放弹性应变能与耗散能内在关系,并给出了基于弹性应变能的破坏准则。为了验证该准则的可行性,一方面利用Mohr准则、D-P准则、基于能量原理强度准则对围压分别为1、5、10、15 MPa一组三轴压缩试验进行了研究;另一方面,应用该准则对来源于其他文献的三轴试验数据就行了研究。研究结果表明,由于该准则仅需确定常规岩石力学参数,物理力学意义明确,试验值与理论值的相对误差较小,因此,该准则可作为盐岩破坏的判据。

基于能量原理的压力型锚杆数值模拟计算

根据能量原理,推导了压力型锚杆的轴力与位移计算式。其中锚固体与周围土层的黏结力计算采用弹塑性剪切位移模型,并考虑因位移过大而发生土层卸荷的情况。提出了最小势能原理在压力型锚杆问题中的应用方法,并给出了能量方程的程序求解流程。最后通过算例分析了压力型锚杆在各级荷载下的轴力、位移以及剪应力分布情况,进一步讨论了压力型锚杆的荷载-位移曲线,计算了压力型锚杆极限锚固长度。得出的结论:①压力型锚杆在大部分荷载下都处于弹性工作阶段,一旦进入塑性状态,就表明即将达到承载力极限;②考虑土层卸荷情况的锚固体能量传递理论可以解释压力型锚杆极限锚固长度的存在。

基于能量原理盐岩的损伤本构模型

通过对外力功、能量耗散以及能量释放之间内在联系的分析,并结合在盐岩力学特性和基于能量原理岩石强度与破坏方面已取得的结果,建立基于能量原理盐岩的损伤本构模型。为验证损伤方程的可行性,进行单轴和三轴条件下盐岩力学特性试验研究。研究结果表明:由于该模型仅需确定常规岩石力学参数,物理力学意义明确,能充分模拟盐岩单轴情况下应变软化和三轴情况下应变硬化的全过程,该模型模拟结果与实测结果吻合的较好。

基于能量原理的框架桥墩地震力分析

用 Lagrange方程导出了框架桥墩地震振动方程 ,并给出了相应的基频和振型参与系数的近似计算公式。根据框架桥墩结构特点构造基本振型函数 ,将框架桥墩的横向总变形分解为墩身的弹性变形与基础转动和平动所产生的刚体位移的叠加 ,其中弹性变形由墩顶水平推力和约束力矩联合产生。分别讨论了横向设置防震限位构造与不设限位构造对框架桥墩地震力的影响。研究表明 ,现行公路桥梁抗震规范方法计算值偏小。本文方法适应于各种基础类型的桥墩 。

岩石与水相互作用的能量原理和Biot系数

岩石与水相互作用的研究不仅在理论上而且在工程实践上具有重大的作用,大量的注水采油工程、核废料贮存等就是利用岩石的各向异性和其水力学特征,同时,水又时常引起岩石和土体滑坡坍塌等自然灾害。在微观分析基础上,从理论上建立了各向异性损伤岩石的能量原理及相应的各向异性 Biot 系数基本方程;并以红砂岩为例,运用两种不同试验方法获取各向同性 Biot 系数;以三轴注水、排水等试验,论证了在应力-应变全过程曲线中,Biot 系数具有各向异性损伤特征。这种特性对注水和注浆等岩土工程具有重要的指导意义。

试论岩体动力破坏的最小能量原理

通过对岩体在不同应力状态下的破坏方式、破坏特征及其能量转换进行分析，论证了岩体是一种有条件的物理不稳定性材料，其动力破坏遵循最小能量原理，得到了对岩爆等岩体动力现象的预测与防治研究有用的结果。

基于能量原理的弹性地基梁底面摩阻效应分析

针对Winkler地基模型不能考虑梁与地基底面摩阻效应的不足,在地基与梁底接触面上引入一系列各自独立的水平弹簧,假定弹簧反力即切向摩阻力与梁底和地基间的切向相对位移成正比,从能量角度出发,基于最小势能原理,建立考虑底面摩阻效应的弹性地基梁能量方程,并引入位移形函数进行求解,导出对称载荷条件下考虑切向摩阻力作用时地基梁位移及内力解答。最后通过地基梁计算实例分析,验证该解答的正确性和合理性,并对相关计算参数进行深入探讨。计算结果表明:切向摩阻力沿梁长呈非线性分布,其对地基梁挠度及弯矩计算的影响较大,而对剪力的影响并不强烈。

基于能量原理的TMD系统减震性能分析

根据能量平衡原理,建立了结构-TMD体系的累积能量响应和瞬时能量响应方程。综合考虑结构周期与阻尼比的影响,采用时程分析法研究了TMD系统在地震激励下主结构各能量响应的分布变化规律。研究了随机激励下,采用虚拟激励法从能量角度分析主结构能量响应最小时TMD质量比、频率比及阻尼比的最优值。数值仿真分析结果表明,TMD系统对于中长周期结构有较好的能量控制效果;当结构阻尼比较大时,TMD的控制效果下降;此外,随机激励下,以最小主结构累积输入能和瞬时输入能为优化目标所得到的TMD最优参数结果与传统以最小主结构位移响应峰值为优化目标的结果基本一致,从而验证了能量原理的适用性与可靠性。

基于能量原理的双肢薄壁高墩稳定计算

基于能量原理,研究了双肢薄壁高墩在施工过程中的整体稳定问题。根据墩和连系梁之间的变形协调条件,导出了双肢薄壁高墩面内静力稳定系数的计算方法。算例分析表明,运用文中方法的计算结果与有限元计算结果吻合良好,但文中方法计算简便,因而更有实用价值。

用能量原理推导圆轴扭转弹性变形与应力分布

关于圆轴自由扭转时横截面上的应力分布,弹塑性力学给出的弹塑性解与大量金属材料的扭转实验结果存在众多分歧。针对这一问题,通过分析材料在弹塑性变形阶段弹性变形和塑性变形对应的细观机理,根据最小变形能原理,给出了弹塑性小变形时,圆轴扭转横截面上任一点处的切应力和弹性切应变的分布规律。结果表明,圆轴扭转时小塑性变形的出现,并不影响材料的弹性性质,也不改变构件内弹性变形的分布规律,即在弹塑性小变形条件下,圆轴扭转横截面上任一点处的切应力、弹性切应变的大小仍与该点到圆心的距离成正比,亦即仍呈现出与弹性变形时相同的分布规律。

基于能量原理的钢筋混凝土筒体结构抗震性能研究

本文通过能量法研究了钢筋混凝土筒体结构的抗震性能。文中采用振型分解法按等效单自由度体系求解筒体结构的滞回输入能;用pushover法分析了滞回耗能在结构层间的分布规律及结构自身的耗能能力;根据楼层滞回耗能与弹塑性层间位移的关系求出了薄弱层的弹塑性位移。对一高层钢筋混凝土框架-筒体结构在7度罕遇地震下的抗震性能进行了评估,通过与非线性动力时程分析的对比,证明了方法的可行性。

按能量原理建立强度理论的新探索与展望

现有的强度理论都是建立在通过实验观察破坏现象而提出的，各不相同的假设基础之上，缺少一个统一的理论框架．本文提出按最小耗能原理来建立力学强度理论，并按此思路导出了Ｍｉｓｅｓ屈服准则和一个新的强度准则．以上工作表明，有可能针对不同材料在屈服或破坏时的不同耗能机制，在一个统一的理论框架下，按同一模式建立起与之相应的屈服或破坏准则，从而形成一个新的强度理论体系．

基于最小能量原理的LCCC焊点三维形态建模与预测

基于最小能量原理和焊点形态理论,建立了LCCC器件焊点三维形态预测模型.运用该模型对焊点钎料桥连过程进行了数值模拟.结果表明,钎料体积、间隙高度、焊盘尺寸对LCCC焊点三维形态有显著的影响.在间隙高度为0.03 mm、宽度为0.70 mm、焊盘长度为1.90 mm的条件下,避免焊点产生桥连的临界钎料体积为0.725 mm3.

微孔压电弹性动力学的能量原理

根据古典阴阳互补和现代对偶互补的基本思想，通过作者早已提出的一条简单而统一的新途径：系统地建立了微孔压电弹性动力学的能量原理。给出一个重要的以卷积表示的积分关系式，可以认为，在力学上它是广义虚功原理的表式。从该式出发，不仅能得到微孔压电弹性动力学的虚功原理和互等定理，而且通过作者所给出的一系列广义Ｌｅｇｅｎｄｒｅ变换，能系统地导出成互补关系的１１类变量、９类变量、６类变量和３类变量简化Ｇｕｒｔｉｎ型变分原理的泛函。同时，通过这条新途径，还能清楚地阐明这些原理之间的内在联系。

基于能量原理的砂岩破坏准则研究

为了分析不同孔隙水压条件对砂岩应力-应变关系的影响,采用MTS812.03岩石试验机对饱和砂岩进行不同围压、孔隙水压常规三轴压缩试验,结合能量原理推导出适用于水岩耦合下砂岩破坏准则,并运用于数值模拟中进行分析验证。结果表明:由于岩石加载过程自身就是一个能量积聚与释放的过程,通过能量原理推导破坏准则,能更好地反映岩石破坏的真实情况,并通过引入孔隙水压影响系数,来弥补软件不能模拟由于水压造成的裂隙扩展过程的缺陷,最终通过对比分析得出,能量破坏准则的计算值与实际值相差小于5%,而Drucker-Prager与Hoek-Brown准则误差值最大达到了35.34%和37.11%。因此,利用FLAC3D软件通过基于能量原理推导出在水岩耦合作用下岩石的破坏准则是正确和合理的。

基于最小能量原理的平衡图调节法在矿井通风系统优化中的应用

根据最小能量原理,采用平衡图调节法解决矿井通风网络中风压不平衡的问题,建立矿井通风网络优化模型。根据矿山基本情况和平衡图原理绘制出通风网络"平衡图",采用不同的变换方法使得"平衡图"真正达到平衡,进而得出不同的优化调节方案,并进行风压平衡的验证。应用最小能量原理选出能耗最低的调节方案。并且,运用基于最小能量原理的平衡图调节法解决了矿山的实际问题,结果表明,运用该方法能形象直观地反映出风量、风压及功率之间的关系,在解决通风网络中风压不平衡问题的同时,既形象直观,又使得经济费用最低,保证矿山安全高效生产。

基于切向应力指数及能量原理的岩爆机理分析

岩爆是高地应力岩石地下工程中的一种常见灾害,是能量驱动下的一种状态失稳现象。基于能量耗散与释放原理对岩爆发生的机制进行了探讨。根据洞室开挖时的二次应力调整规律,引入切向应力σ_θ与岩石抗压强度σ_c的比值切向应力指数k(k=σ_θ/σ_c),并结合常用的岩爆判别准则和能量原理推导出岩爆发生的临界应力状态。应用所推导的岩爆发生时的临界应力状态对圆形洞室岩爆发生的位置进行分析,并对二滩水电站左岸导流洞岩爆发生的可能性及发生位置进行分析,分析结果与现场记录的岩爆发生情况相符,表明所提出的临界应力状态概念是合理的。

基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据

利用能量原理对倾斜的剪切带-带外弹性岩石构成的系统的稳定性进行了研究。单轴压缩岩样沿轴向的变形被分解为两部分,带外弹性岩石压缩引起的变形和剪切带错动引起的变形。后者与剪切带的相对剪切变形具有简单的几何关系。系统的总势能由剪切带的弹性及耗散势能和带外弹性岩石对剪切带所作的外力功构成。剪切带的弹性及耗散势能与剪切带的体积有关系。剪切带的尺寸由梯度塑性理论确定。将系统的总势能对相对剪切变形求一阶导数(等于零),得到了弹性岩石的平衡条件。将总势能对相对剪切变形求二阶导数(小于零),得到了系统的失稳判据。它综合反映了岩石材料弹性及应变软化阶段本构参数(弹性模量及软化模量)、剪切带之外弹性岩石的尺寸、剪切带的尺寸及系统的结构形式(剪切带倾角)对系统稳定性的影响。失稳判据比以往所得到的失稳判据更严格,更精确,更具有广泛意义。