流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

基于随机森林的发电机定子线棒局部放电图谱特征识别方法

发电机定子线棒局部放电的在线监测和故障诊断对于电机故障预警、故障定位和指导机组检修有重要意义。目前存在部分不同类型局部放电相似度高,模式识别方法计算时间过长的问题,需要高精度和高效的识别方法,为此提出一种基于随机森林的定子线棒局部放电识别方法。制备了6种类型定子线棒,用特高频天线检测局部放电信号,基于相位分布局部放电(PRPD)图谱比对,提出参数幅值不对称度。基于随机森林方法识别缺陷类型,计算特征重要性,选择有效特征。最后,可视化特征相似度,与传统反向传播(BP)神经网络方法对比,验证有效性。结果表明:随机森林算法可以有效识别人工缺陷定子线棒局部放电,总体识别正确率达到93.33%。筛选半数特征后,随机森林比BP神经网络的准确率提高了10.83%,特征选择对随机森林的准确率影响很小,但识别效率大幅提高。随机森林在少量特征时识别准确率、计算时间都明显优于神经网络。幅值不对称度参数的重要性排在全部特征前1/3,具有推广价值。

高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为

为研究高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的动态压缩力学行为,本文制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%、0.3%的BFRGC试件,并对其进行了不同温度(20、200、400、600、800℃)下的动态冲击试验。结果表明:BFRGC试件静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应。BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度的温度阀值为400℃。随着温度的升高,BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大。掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,且其最佳掺量为0.1%。

基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

玄武岩纤维棒聚合物混凝土的弯曲韧性

研究了玄武岩纤维棒(BFB)的纤维增强指数I_(R)对玄武岩纤维棒聚合物混凝土(BFB-PC)韧性指标T_((2(n-1)))(n)的影响,通过分形理论探究了T_((2(n-1)))(n)与裂缝形貌的关系,并建立了弯曲韧性计算模型.结果表明:当IR=90.0时,BFB对BFB-PC的增韧效果最优,此时BFB-PC的弯曲韧性比未掺BFB时提升了8.39倍;BFB的增韧阈值为IR=37.5和IR=90.0;当IR相同时,与未掺聚合物的混凝土相比,聚灰比为0.06的BFB-PC T_((2(n-1)))(n)更高;IR越大裂缝形貌越复杂,T(2(n-1))(n)与裂缝分形维数呈二次函数关系;本文提出的弯曲韧性计算模型准确描述了BFB对PC梁的增韧作用,其试验值与理论值的相对误差小于15.00%.

热处理工艺对大规格TC17钛合金棒材组织与力学性能的影响

研究了固溶温度、冷却方式、保温时间及取样方向对两相区锻造的大规格TC17钛合金棒材显微组织和力学性能的影响,并根据实验结果选择最佳热处理制度。结果表明:TC17钛合金棒材的最佳热处理工艺为800℃/2h/WQ+630℃/8h/AC;固溶温度在两相区时,随着固溶温度的升高,合金强度升高,塑性降低;固溶空冷+时效的合金较相同温度固溶水冷+时效的合金强度高、塑性低;在相同温度固溶水冷条件下,缩短固溶保温时间,可改善合金的塑性;锻造后的TC17钛合金大规格棒材存在各向异性。

具有内阻的旋转锥形复合材料刀杆铣削过程稳定性的仿真分析

研究考虑材料内阻的旋转圆锥形复合材料刀杆铣削系统的再生颤振稳定性。基于复合材料粘弹性本构关系、Hamilton原理和Rayleigh梁理论,结合再生时滞铣削力模型,分别导出旋转坐标以及惯性坐标表示的颤振偏微分方程。采用Galerkin法对颤振偏微分方程进行离散化。基于自由振动分析和能量法计算复合材料刀杆的模态损耗因子;基于特征值分析技术计算旋转复合材料刀杆的临界速度和失稳阈。采用时域半离散法和频域零阶近似解法,预测切削系统的稳定性。分析锥度比、长径比、铺层角、铺层方式,以及内、外阻对切削稳定性的影响。计算结果表明,轴对称旋转刀杆铣削过程在两种坐标系下的稳定性预测结果是一致的。研究发现,在高转速下,由于旋转复合材料刀杆内阻的作用,切削系统出现新的不稳定区域。这些新的不稳定区域的起始转速等于旋转复合材料刀杆的失稳阈。

BFRP筋回收轮胎钢纤维混凝土黏结性能分析

对玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋在回收轮胎钢纤维(RTSF)混凝土中的黏结性能进行了试验和分析研究.对不同RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度的试件进行了拉拔试验,研究其对黏结破坏模式、黏结滑移响应和黏结强度的影响,并提出了BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移理论模型.结果表明:BFRP筋RTSF混凝土黏结破坏类型包括拔出破坏、劈裂破坏以及拔出且劈裂破坏;BFRP筋直径对黏结破坏模式无显著影响,而RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度均对黏结强度有较大影响,且RTSF体积掺量与极限黏结强度呈正相关,BFRP筋直径和嵌入长度对其影响与之相反;当RTSF体积掺量从0增大至1.5%时,其极限黏结强度最大可提高约23.87%.与已有模型相比,所提出的黏结滑移理论模型对BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移曲线具有更高的拟合精度.

胜利油田未动储量开发技术及实践

胜利油田未动储量规模大,是油田后续建产稳产的重要接替阵地。但多年的开发实践证实,这部分储量的整体动用存在很多问题,制约着油藏效益开发和建产。针对这部分油藏品位差、动用难度大和开发效果差的特点,系统梳理了胜利油田未动储量的类型及分布特征,明确了主要的未动储量类型和重点攻关目标。结合近年来在砂砾岩、滩坝砂和深层低渗透稠油等油藏类型方面的开发实践,分析了砂砾岩油藏大斜度井大规模压裂、低渗透滩坝砂油藏压驱和深层低渗透稠油油藏降黏复合压驱等3种主要的未动储量开发技术及实践。长井段大斜度井大规模压裂技术,通过地质工程一体化实现工程甜点与地质甜点的结合,在低品位砂砾岩油层中的应用大幅提高了油藏产能;压驱注水开发技术创新开发理念,实现了低渗透滩坝砂油藏补能增产的突破;降黏复合压驱开发技术通过转变开发思路,实现了深层低渗透稠油油藏效益开发的突破。这3种油藏类型从单井提产、油藏补能和低成本开发等方面实现了未动储量的有效动用,取得了良好的开发效果。开发技术的突破、开发理念的转变是未动储量有效开发的必由之路,对胜利油田其他未动储量的开发具有非常重要的示范和指导意义。

清水冲刷下顺直河道交错边滩演变过程试验研究

为进一步认识清水冲刷下顺直河道交错边滩的演变过程,基于长江中游典型边滩形态参数,采用概化水槽试验对不同流量条件下的交错边滩纵向、横向和平面冲淤变化进行了研究。结果表明:试验工况下,纵向上,沿程呈冲刷态势,流量越大,冲深越大(流量为215 L/s的深泓平均冲深约是流量为46.71 L/s的2.1倍),且大流量下深泓纵向比降变缓;横向上,边滩侧以冲刷为主,冲刷最大的位置在滩边附近,其它部位则呈冲刷—淤积—冲刷的变化规律(如流量为215 L/s时,2#断面边滩以外部分(0,2]h平均冲深约3.5 cm、(2,12]h平均淤高约0.5 cm、(12,21]h平均冲深约0.7 cm);平面上,边滩整体下移,变得细长,淤积主要发生在边滩下游1m范围内。此外,上游异岸边滩的存在初期会促使下游边滩淤积,而后加深下游边滩的冲刷,且对边滩坡脚影响最大。

纵向钢筋C型卡槽连接单向拉伸力学性能

为提高装配式纵向钢筋连接的施工效率,提出了C型卡槽连接方式,制作9个连接件并进行单向拉伸试验,观察其破坏形态,研究试件荷载-位移曲线、应变发展过程,分析不同锚固板直径对连接件连接性能的影响;基于混凝土局部受压计算公式,推导出C型卡槽连接钢筋的承载力计算公式,并给出不同锚固板直径与带锚固板钢筋直径的适配表。结果表明:锚固板直径为43 mm和48 mm的连接件发生带锚固板钢筋拉断破坏,荷载-位移曲线与单根钢筋拉伸的荷载-位移曲线相似,均能满足JGJ 107—2016和ACI 318对接头的强度要求;锚固板直径为38 mm的连接件是依据JGJ 256—2011选取锚固板直径,试验过程中发生带锚固板钢筋拔出破坏,证明按照规程取值,锚固板直径偏小,无法满足连接要求;锚固板直径为38 mm的连接件其荷载-位移曲线呈现波浪形,承载力虽小于前两者,但仍具有较好的延性和较高的残余承载力;所有连接件的C型卡槽在整个受力过程中应变值较小,始终处于弹性阶段,C型卡槽环向应变表现为压应变,C型卡槽连接钢筋承载力的理论计算结果与试验结果相符。

TC11钛合金动态热塑互动行为研究

利用分离式霍普金森压杆对TC11钛合金平板帽形试样进行动态加载,基于高频红外点阵测温技术捕捉了剪切区温升随加载时间变化的历程,结合热传导理论分析和动态剪切数值模拟,分析了动态剪切过程中剪切区温升随时间和空间的分布规律。研究结果表明,在动态剪切加载下,TC11钛合金表现出脆性的变形行为,剪切区最高温升为430℃,且在实验所覆盖的加载速率范围内,加载速率对动态剪切温升影响不明显;显著的温升主要集中在剪切区中心附近100μm量级区域内,温升区具有高度局部化的特征,且剪切区维持较高温度所持续的时间在10μs量级。理论研究和数值模拟发现,动态加载下剪切区内最高温度可达751℃,剪切区温度时空分布规律与实验结果保持一致。实验和数值模拟结果均显示,剪切区最高温升发生在材料断裂时刻,表明剪切区显著温升应来源于剪切变形造成的应变高度集中发展。

镗杆切削力感知单元结构设计与优化

为满足测量镗杆切削力的需求,采用ANSYSWorkbench有限元分析软件对镗杆等效应力与等效应变分析,确定感知单元安装位置。提出两种镗杆感知单元结构,运用响应曲面优化法确定感知单元最佳优化方案,通过计算、分析相关参数,来确定最佳的优化方案,并与优化前的感知单元结构方案进行比较。结果表明:当未超过应变式微力传感器最大等效应变时,均布式感知单元结构中镗杆最大测量值为329N;以附加支撑感知单元最大测量值为1000N为设计目标,获得5种最优结构参数,在实际设计制造中,可根据实际情况从中进行选择。

带锚板预应力螺纹钢筋抗拔性能试验研究

目的为了探讨直径25 mm、强度等级PSB1080的带锚板预应力螺纹钢筋在有效锚固长150,200,250 mm的钢筋混凝土厚板或基础中拔出时的锚固性能,方法以有效锚固长度、套管有无、锚板宽度和构造钢筋数量为试验参数,对7个试件进行抗拔性能试验研究。研究试件的破坏特征,分析荷载-位移曲线、极限抗拔承载力、试件开裂荷载和荷载-应变曲线。结果结果表明:试件抗拔承载力随着锚固长度的增加而增加,当有效锚固长度为250 mm时,预应力螺纹钢筋均能达到屈服;混凝土开裂荷载随着有效锚固长度、锚板宽度和套管的增设而增加,构造钢筋数量对面层混凝土开裂荷载的影响并不明显;采用套管试件的面层混凝土开裂荷载比未采用套管试件提高了2.66倍;根据荷载-位移曲线可知,在锚板上增设构造钢筋可以防止带锚板预应力螺纹钢筋拔出时承载力急剧下降;基于试验结果和相关文献结果,对比锚固区混凝土锥体破坏试件的试验值与计算值可知,Nilforoush建议式和日本JSCE规范式9.2.11分别比试验值低19%和10%。结论增设套管可以有效提高开裂荷载;使用日本JSCE规范式9.2.11计算抗拔承载力更接近试验值。

供电电压闪变对异步电动机转子故障在线检测的影响及应对

供电电压闪变可能对异步电动机转子故障在线检测产生不利影响,导致基于定子电流信号分析(motor current signature analysis,MCSA)的转子故障在线检测方法失效。通过理论分析,揭示供电电压闪变恶化转子故障在线检测性能的机制。提出免于供电电压闪变影响的异步电动机转子故障在线检测方法,首先,根据转子故障主特征频率分量预判转子健康或故障;继而,根据转子故障独有的辅助特征频率分量进一步确认转子健康或故障。仿真与实验结果证明了该方法的有效性。

含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学建模与分析

为了提高空间六自由度并联机器人动力学模型的精度,以6-RSS并联机器人(R:转动副,S:球面副)为研究对象,提出一种将支链弹性变形和运动副间隙随机变化相结合的动力学建模方法。首先,根据几何结构与初始状态,开展理想条件下的运动学分析。利用数理统计原理和符号函数建立含间隙的转动副与球面副运动学模型,进而计算杆件虚长度和各个运动副处的碰撞接触力。然后,将相关参数结合到弹性动力学模型中,建立含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学模型。最后,分析不同状态下支链弹性变形和运动副间隙各自产生误差的原因以及两者综合产生误差的原因。结果表明:改进后的动力学建模方法充分考虑了支链弹性变形和运动副间隙的耦合性与瞬时性,较其他动力学建模方法更加精确。

循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。

被困空腔对T-bar循环贯入软黏土流动特性影响的试验研究

为观测和分析T-bar循环贯入过程中被困空腔对软黏土流动特性的影响,利用Laponite RD、焦磷酸钠和去离子水配制透明黏土,自制由加载设备、CCD相机、激光器和控制系统组成的T-bar循环贯入试验装置,开展T-bar在透明黏土中的循环贯入试验。结果表明:T-bar初次贯入过程中,被困空腔影响土体绕探头的流动,土体不能进入全流动状态;T-bar初次上拔过程中,被困空腔与探头发生脱离,悬浮于探头上方,对土体流动的影响逐渐减弱,T-bar上拔2倍探头直径深度时土体流动不再受被困空腔影响,进入到全流动状态;第2—第10次循环贯入过程中,被困空腔稳定悬浮于土中,不影响土体流动,T-bar贯入1倍探头直径深度时土体流动表现为全流动状态;被困空腔对于T-bar循环贯入测试结果无显著影响,在T-bar初次贯入被困空腔阶段下通过T-bar循环贯入测试软黏土重塑强度是合理的。

冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

装配整体式混凝土结构钢筋套筒连接技术探讨

装配式建筑代表了我国建筑工业化发展的方向,钢筋连接是装配式混凝土结构安装过程中的一个重要环节,其连接质量直接影响到结构的性能。针对装配整体式混凝土结构钢筋连接技术的发展现状,阐述了钢筋套筒灌浆连接技术和钢筋浆锚搭接连接技术的优缺点及适用性,并针对钢筋套筒灌浆连接技术存在的问题,从灌浆料、钢筋连接强度及灌浆质量等方面分析原因,提出解决办法,以期为装配整体式混凝土结构钢筋连接施工提供理论参考。