考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析

根据尾矿坝形成的特点,进行考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程,然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。在计算中首次导出了尾矿坝的渗透系数与应力场的关系式,并进行尾矿坝的非稳定渗流分析。工程实例计算结果表明,考虑耦合作用的影响。尾矿坝渗流场的总渗流量减小,而应力场的各应力分量的最大值增大。

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22%,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。

应力作用下煤层气非稳定耦合渗流模型及数值模拟

基于多孔介质渗流力学和流固耦合理论,建立了应力作用下煤储层中煤层气流固耦合数学模型,并根据数学模型的非线性特性,采用多重物理量耦合软件COMSOL Multiphysic进行数值模拟分析,通过模拟结果研究了煤岩体中压力和浓度的分布特性,并且研究了耦合与非耦合情况下压力动态曲线,为模拟煤层气产量预测和预防矿井瓦斯突出提供了理论依据。

裂隙基岩非稳定渗流场与应力场耦合分析研究

现当今面板堆石坝已为筑坝的主流坝型之一,其安全稳定性一直是坝体控制设计的重点,合理的分析渗流场与应力场分布规律对正确评价坝体的安全稳定性具有重要意义。文章在多孔连续介质渗流与应力耦合理论基础上,视地基为连续介质,分析研究连续介质两场相互作用的机理,并开发出适用于连续介质渗流场与应力场耦合的三维数值仿真计算程序,结合工程实例,所得出的结论对类似工程设计具有一定的指导意义。

深厚覆盖层地基非稳定渗流场与应力场耦合分析研究

在深厚覆盖层地基的基础上筑建大坝,坝体与坝基的稳定性至关重要,其评价指标之一是渗流场与应力场的相互作用及影响。这种复杂地基的岩体力学特征单一且不稳定,相互影响表现在应力场改变渗流场的渗透系数,反之渗流场改变应力场的空间分布。文章假定地基为连续介质,在多孔连续介质渗流与应力相互耦合的理论基础上,分析研究二者之间的相互作用,并开发适用于此地基的渗流场与应力场耦合的有限元计算程序,应用于工程实例中,所得计算结果及结论在实际工程中具有一定的指导意义。

裂隙岩体非稳定渗流场与应力场耦合分析研究

渗流分析对大坝安全稳定具有重要意义,在进行大坝工程设计时,必须建立坝基中的渗流与应力的相互关系更能符合实际情况。文章基于裂隙岩体等效连续介质渗透原理,建立大坝二维有限元模型,有限元计算分析分布密集型岩体裂隙的二维非稳定渗流场与应力场耦合现象,提出在实际工程中考虑渗流应力耦合必要性和合理性。

地震作用下高面板砂砾石坝渗流-应力耦合研究

天然砂砾石料具有级配离散性差、间断性和施工易分离等特性,强震作用下大坝防渗体一旦发生破坏,将会带来不利影响。采用混凝土塑性损伤模型和堆石料广义塑性模型,对弱透水性高面板砂砾石坝进行动力有限元分析,确定面板损伤分布,进而计算坝体非稳定渗流场,建立以混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法,分析在非稳定渗流作用下,大坝应力和变形的变化规律。结果表明:坝体为弱透水时,地震结束后大坝在非稳定渗流作用下,坝体小主应力显著减小,面板产生向上拉伸、向外弯曲趋势的位移增量,面板部分区域损伤值变大。评价大坝极限抗震能力时,除了考虑地震结束时面板的损伤状态,还应进一步考虑面板破坏后非稳定渗流对应力场的影响。

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。

非稳定渗流条件下均质土坝变形耦合特性分析

为研究土石坝的渗流及变形运行状态,结合有限元计算软件,开展了均质坝的非稳定渗流-变形耦合计算。计算结果表明:在给定均质坝坝料渗透系数初始值并假设为常数的条件下,压强水头、浸润线、位移变形、大小主应力等要素在非稳定过程中的水位上升期变化较快;水库满蓄后,各要素变化速率逐渐减慢直至稳定,同时坝体所有要素的变化速度随渗透系数减小而减小,达到稳定状态的时间也更久。研究成果可为工程大坝安全运行状态提供判断依据,并据此合理布置防护措施。

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。

裂隙岩体三维非稳定渗流场与应力场耦合分析

本文从宏观的角度把裂隙岩体作为等效连续介质模型,编制三维有限元程序对裂隙岩体进行非稳定渗流场与应力场耦合分析,并应用工程算例比较分析研究非耦合与耦合作用条件下三维非稳定渗流场和应力场变化规律。研究结果表明该方法是可行的;与非耦合作用相比,考虑耦合作用减少了断面的渗流量,坝基应力场增大;库水位下降具有一定的滞后效应,且下降速率越大,滞后效应越明显。因此,在岩土体分析中用等效连续介质模型进行三维非稳定渗流场与应力场耦合分析研究,对水利工程、岩土工程、煤炭开采及石油二次开发等领域多场耦合作用研究具有广泛参考和应用研究价值。

基于局部热非平衡的含裂缝网络干热岩采热性能模拟

采用压裂技术在干热岩中构造裂缝网络,工作流体在裂缝内的循环携热使干热岩中高温资源得到有效提取。为真实模拟岩体与流体间能量传递,基于局部热非平衡理论,将储层视为由基质岩体与离散裂缝组成的双重介质模型,建立温度-渗流-应力全耦合模拟采热过程中流体流动、热量传递、岩体变形的相互作用,进而对不同注采井网和模型参数下采热性能进行研究。结果表明:干热岩资源开采过程的模拟有必要采用温度-渗流-应力耦合,裂缝分布的非均匀性对采热性能有影响;注采井网的合理布局有利于地热能大规模动用与高效开发;基岩热膨胀系数影响温差引起的热应力作用从而影响采热性能;合理选择注采压差有利于开发,压差过大将缩短开发寿命,注入温度越高采热速率越高。

大型核电汽轮发电机非全相运行转子动态电磁力分析

为了分析计算发电机额定并网运行时变压器高压侧一相断开的非全相工况下汽轮发电机转子动态电磁力的分布规律,以容量为1407MV·A核电汽轮发电机为例,建立动态分析的单机无穷大系统的场!路!网耦合时步有限元模型。进而分析转子二维截面上的磁场分布情况,并结合麦克斯韦应力法,计算发电机非全相工况下汽轮发电机转子齿顶、齿壁上各关键点动态电磁力。将计算结果与额定并网工况下的结果进行对比分析,得出一些有价值的结论。最后,提取气隙磁场变化特征,得到转子径向与切向电磁力波变化规律,结果表明非全相运行时,转子受到的反向电磁力波动较大。该研究为汽轮发电机转子铁心结构的优化设计提供了理论参考。

地应力对水压致裂裂纹扩展影响的数值模拟

研究岩石在渗流-应力作用下裂纹萌生、扩展的破坏机制问题,采用岩石破裂过程分析软件对不同地应力水平和含不同倾角裂纹下水压致裂裂纹扩展进行了数值模拟研究,结果表明:在内孔水压作用下,随着地应力由80 MPa逐渐减少到45 MPa时,形成的平直裂纹由垂直于水平主应力方向逐渐向偏离水平主应力的方向发展,同时周围伴随着许多随机裂纹;预制裂纹水压致裂可以看出水压是穿过预制裂纹的,该成果为石油工业提高石油开采率提供了理论基础和科学依据.

非光滑表面制动盘摩擦磨损性能有限元分析

基于摩擦试验要求的外形尺寸和非光滑结构的设计尺寸,建立了非光滑表面刹车盘/片模型,通过分析制动过程中接触压力与摩擦热之间的交互作用关系,建立了制动盘/片的热-应力耦合分析模型,并应用Ansys/LS-DYNA对非光滑表面刹车盘/片系统的摩擦磨损性能进行了有限元分析.分析结果表明:当盘孔间距为1 mm,盘孔直径为0.8 mm时,非光滑刹车盘/片试样呈现最小的von Mises应力,为耐磨性最佳的非光滑形态.通过摩擦磨损试验得到与模拟相应试样的磨损量及动摩擦系数,比较后发现二者均体现出与模拟结果中von Mises应力相一致的变化规律,验证了模拟分析结果的可信性.

地下储气库非均质盖层渗漏通道形成过程数值模拟分析

盖层受沉积、构造、成岩、地貌等多种因素的影响,往往夹带发育砂体,这些砂体严重影响着盖层的封闭能力。以国内某储气库为背景,基于对盖层中随机砂体的认识,分别建立了考虑盖层岩石非均质性、砂体的空间位置、砂体渗透系数以及砂体间间距的4种概念计算模型。以Comsol软件为平台,采用渗流-应力耦合模型研究地下储气库非均质盖层渗漏通道形成机制。经过一系列模拟计算,研究结果表明:砂体体积占盖层体积比例较低的情况下,盖层中随机分布的砂体仍然会形成流体的渗漏通道;当砂体渗透性越好时,盖层中越易形成流体的渗漏通道;随着盖层中砂体之间距离越大,流体在砂体间的渗流阻力越大,越不利于渗漏通道的形成。综合分析可知对盖层的封闭性评价时,必须同时考虑盖层岩石微观和宏观上的岩石分布特征。

基于连续-非连续单元法的预应力斜拉桥桥面板裂缝成因分析

预应力斜拉桥受到多种荷载及温度作用从而容易出现裂缝。传统的有限元方法不能精准刻画裂缝的产生与扩展,基于连续-非连续单元法,结合多物理场耦合对预应力桥面板展开数值模拟,对当前裂缝成因、长期演化进行了分析。结果表明:桥面板自身重力、拉索索力及桥梁弯直程度不是构成桥梁出现裂缝的主要原因,同时钢筋预应力在一定程度上有阻碍裂缝开展的作用;温度长期循环作用对桥面板初始裂缝起主导作用,后期车辆动荷载反复加载使初始裂缝进一步扩展。

基于模型修正的实体车-桥耦合分析系统建立及验证

为将梁格法车-桥耦合分析系统提升至同时考虑结构整体响应及局部应力分析的精细化实体车-桥耦合分析系统,首先,基于最小势能原理推导八节点六面体实体有限单元列式,采用等参插值确定单元的协调位移,引入Wilson非协调位移模式,消除一阶单元在弯曲变形分析中的剪切自锁,提高单元的分析精度和计算效率;采用静/动力分析算例对所构造非协调八节点六面体单元(ICH8)的准确性进行验证;其次,基于车轮与桥面接触实体单元间的位移协调和力的平衡关系,采用非线性分离迭代法建立实体车-桥耦合分析系统,编制自主研发的精细化分析模块;再次,融合Monte-Carlo灵敏度分析与遗传算法构建桥梁实体有限元模型修正方法,并借助现场静载测试结果对目标桥梁实体有限元模型进行修正;最后,联合修正的桥梁实体有限元模型与跑车工况测试结果验证所建立实体车-桥耦合分析系统的准确性。结果表明:由所建立的实体车-桥耦合分析系统得到的桥梁动力响应与实测响应吻合良好,从而验证了该分析系统的可靠性。借助所建立的实体车-桥耦合分析系统,不仅可实现时域内桥梁结构的整体内力分析,同时还可实现桥梁结构的局部应力分析,包括局部构件的应力分布和应力集中等,对当前车-桥耦合振动领域分析工具具有一定的改进和提升。