渗透压力作用下岩石三轴压缩过程变形特性分析

为研究渗透压力作用下岩石承载过程中的变形特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对红砂岩开展渗透压力作用下的三轴压缩试验,研究各渗透压力作用下偏应力加载过程中岩石轴向应变、径向应变和变形模量的变化规律。结果表明:随渗压增大,岩石峰值应力减小,岩石破坏时对应的轴向应变的变化幅度较小,而径向应变的变化幅度则较大;随渗压增加,岩石对应的各承载阶段的变形模量相对减小,最大变形模量也出现不同程度的降低,同时最大变形模量对应的轴向应变有后移趋势;随偏应力增加,变形模量逐渐增大,并在弹性变形阶段后期出现最大值,整个过程中轴向应变逐渐增加,径向应变则在变形模量最大值出现后才明显增大,说明与轴向应变相比径向应变更能够反映出岩石承载过程变形模量的减小和强度的降低。研究结果为探讨类似岩石渗透压力作用下的变形和强度特性提供参考。     

台风下乙烯精馏塔抗风性能及可靠性分析

采用流固耦合方法对台风下乙烯精馏塔的风载荷分布及风振响应进行数值模拟,建立了台风下塔设备流固耦合数值模型,对乙烯精馏塔的抗风能力和可靠性进行了分析。研究发现乙烯精馏塔的迎风面为风压力,背风面和迎风子午线两侧为风吸力,风压力和风吸力沿着塔高不断增大。在风载荷作用下,乙烯精馏塔的最大应力出现在迎风向塔体与裙座的连接处,最大变形出现在塔顶。随着风速增大,最大应力和变形呈三次多项式的变化关系,但频率基本保持不变,呈现一阶频率振动。通过强度、挠度和疲劳分析,可对不同台风强度下的乙烯精馏塔可靠性进行校核。     

地面爆炸载荷下埋地管道动力响应分析

为研究地面爆炸载荷作用下埋地管道的动力响应问题,建立了爆炸载荷下的埋地管道数值计算模型,对地面爆炸后埋地管道的应力、变形过程进行了仿真,并研究了炸药量、管道壁厚和管顶覆土厚度对管道应力应变的影响规律。结果表明:地面爆炸发生后,管道应力和变形在短时间内迅速增大,较短作用时间后开始稳定,随后主要往轴向扩展,高应力区和塑性应变区出现在管道上半部分,管道回弹前高应力区局部出现应力衰减;越靠近迎爆点,管道应力波动越大;炸药量越大、管顶覆土厚度越小,埋地管道截面的应力波动越大;炸药量越大、管道壁厚和管顶覆土厚度越小,埋地管道变形越大。     

软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究*

为准确掌握大口径管道的轴向应力应变状态,保障管道的安全运行,通过假定4类不同形式的软土沉降位移,研究不同沉降形式对管道轴向应力状态的影响。采用非线性有限元方法建立管道轴向应力应变参数化数值计算模型,开展影响因素分析。结果表明:针对软土沉降位移作用下1 422 mm X80大口径管道,沉降量相同时,突变型位移载荷作用下管道受到的轴向应力最大,最大轴向应力位于两侧非沉降区距管道中心约53 m处;软土沉降量达到工程实际中可能的最大值1 m时,大口径X80管道内轴向应力小于0.9倍管材屈服强度,管道环焊缝可以采用基于应力的工程适用性评估方法开展ECA(Engineering Critical Assessment)评价。     

冲击载荷作用下不同断面形状巷道稳定性数值仿真分析

为了研究动载荷作用下井巷的稳定性,基于波动冲击理论,利用FLAC~(3D)值模拟软件,对深井不同断面巷道在动载荷作用下的围岩位移场变化规律进行了数值仿真。结果表明:不同巷道断面形式对冲击荷载作用的响应程度存在显著差别,巷道顶板监测点的速度产生波动从大到小依次为矩形、直墙拱形和圆形断面巷道;巷道顶板均产生明显下沉,矩形断面巷道的下沉量最大,其次是直墙拱断面巷道,圆形断面巷道的下沉位移最小;对于巷道围岩垂直应力的分布范围,圆形断面巷道最小,矩形断面巷道最大,直墙拱断面巷道居中,并得到了现场监测结果验证。     

条间力分布对Sarma法条间强度参数及安全系数影响分析

Sarma法作为极限平衡法的一种,可以用来评价各种类型滑坡稳定性。通常情况下将各岩土层强度参数的加权平均值作为等效的强度参数,分别根据条块间正应力的分布为三角形、平行四边形、梯形推导出相应的等效条间强度参数。将各自强度参数取值对安全系数的影响进行比较,分析条间力分布对条间强度参数取值和安全系数的影响。结果表明:1)条块间等效内摩擦角与条块间法向压力的分布有关; 2)随着岩土强度参数差异的增大,条间力的分布对安全系数有一定影响,条间力三角形分布对安全系数的影响最小; 3)与传统的条间强度参数取值相比,三角形分布时的安全系数偏高,四边形分布时的安全系数相等,梯形分布时的安全系数偏低,而取数值平均时的结果相近; 4)随着上部岩土层内摩擦角的减小,各种分布得到的安全系数均呈下降趋势,但三角形分布时的结果所受影响最小。     

多角度辨识压裂套管变形的失效影响因素北大核心CSCD

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障其完整可靠性。鉴于此,针对页岩气大规模压裂作业特点,从不同薄弱位置(如垂直段、造斜段、水平段)、不同自身规格(如钢级、外径、壁厚)和不同约束条件(如内压、孔径、螺距)等多角度,系统辨识套管变形的失效影响因素。通过建立压裂套管三维模拟的有限元模型,分析套管内压变化引起套管应力、位移的变化规律及形态,明确套管变形的大小以及与载荷变化的关系,并揭示套管变形的位置及影响因素的临界值。结果表明:压裂套管的造斜段最大变形、水平段应力集中现象较为严重,属于危险脆弱点;且套管最大应力、最大位移随内压的增加而近似成线性降低关系。     

多角度辨识压裂套管变形的失效影响因素

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障其完整可靠性。鉴于此,针对页岩气大规模压裂作业特点,从不同薄弱位置（如垂直段、造斜段、水平段）、不同自身规格（如钢级、外径、壁厚）和不同约束条件（如内压、孔径、螺距）等多角度,系统辨识套管变形的失效影响因素。通过建立压裂套管三维模拟的有限元模型,分析套管内压变化引起套管应力、位移的变化规律及形态,明确套管变形的大小以及与载荷变化的关系,并揭示套管变形的位置及影响因素的临界值。结果表明:压裂套管的造斜段最大变形、水平段应力集中现象较为严重,属于危险脆弱点;且套管最大应力、最大位移随内压的增加而近似成线性降低关系。     

内部爆炸载荷作用下容器动力响应的数值模拟

运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,采用流固耦合算法,对平板封头圆柱形爆炸容器(长径比1∶1)在内部爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟;研究容器壳体和平板封头典型位置的内部爆炸载荷和等效应力的历史;分别给出壳体和平板封头的应力云图;分析对比壳体和封头不同位置应力响应。数值模拟结果为爆炸容器的经验设计和防护提供了科学依据。     

基于API极限工况下修井机井架强度计算研究

为研究井架在复杂工况下的强度与安全问题,以现场使用的350型修井机井架为研究对象,采用数值模拟对井架进行参数化建模;按照极限作业工况下24种组合载荷对井架进行强度分析,得出操作工况、非预期工况和可预期工况下井架的最大变形和应力云图;提取计算井架构件UC值的相关数据,对井架进行强度、刚度和整体安全性校核。结果表明:井架在常规风力作用下,最大钩载作业工况为其主要受力工况,此时井架最大等效应力小于许用应力,可满足安全需求;在相关工况中,井架的最大等效应力集中出现在上下体连接处、二层台和底部大腿处,计算井架构件各工况下的UC值均小于许用最大UC值,表明井架结构综合强度足够,满足API标准使用要求。     

矿井定常湍流脉动对通风阻力测试影响的理论分析

受湍流脉动影响,矿井通风阻力测试结果的数值波动是不可避免的。为探究湍流脉动对通风阻力测试的影响程度,以压差计测阻法为例进行理论分析。根据阻力测定原理和能量方程,在定常圆管流动条件下,导出湍流脉动影响下倾斜压差计测量示值波动范围的计算表达式;理论分析测试巷道的断面尺寸和风速大小对数值波动幅度和测试精度的影响。结果表明,压差计示值的波动幅度与当地湍流强度及风速的平方成正比;巷道风速的量级是压能波动的主导因素,测试风速越大,液面数值涨落幅度越大,波动现象越明显;而数值波动幅度大不等同于测试精度低,小断面大风速巷道中易获得满意的测试精度而大断面巷道中无论风速高低均不易获得较高测试精度。为减小湍流脉动造成的通风阻力测试的随机误差,需在短时间内进行多次测试取统计平均结果,这在大断面巷道的阻力测试中尤为重要。     

埋地热油管道泄漏裂纹开裂的应力研究

研究了导致埋地热油管道泄漏裂纹开裂的应力机制,采用有限元方法对埋地热油管道进行模拟计算,求得热-结构耦合作用下管道整体当量应力变化云图,并得出管道弯管处应力高于直管段应力的结论;继而采用电阻应变测试法对埋地热油管道的弯管处进行实时应力测定,并绘制了各测点的轴向和周向应力变化曲线,通过各测点应力比较得出弯管内侧有两点应力波动幅值偏大,弯管外侧4号测点处轴向应力超过管材的屈服点。结果表明:在结构-热应力耦合作用下,埋地热油管道在弯管外侧轴向应力最大,易有I型裂纹萌生并扩展,在弯管内侧易有疲劳裂纹萌生并扩展。     

加载条件下原水管道受力特征模型试验研究

为研究堆载大小对原水管道受力变形的影响,采用量纲分析法得出模型试验相似比,并根据相似比进行模型箱的设计、管道材料的选取和重塑土的配制,研究不同工况下管道的受力特征。试验结果表明:整体上管道端部应力大于管中央应力,管轴向应力大于管环向应力。在中心加载下,管端应力值较管中央处大,前者增长速度更快,而后者增长速度较慢。在偏心荷载作用下,靠近荷载的管端应力最大,而管中央应力最小;尤其在偏载6 kPa作用下,管端下表面轴向应力达到595 kPa,而管中央处仅有64 kPa,管端受边界约束作用明显,管道呈弯曲变形。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

复杂气井套管力学分析与可靠度评价

为建立考虑地层和套管参数随机性的套管可靠度评价理论方法,以便得到复杂井况下套管传统设计安全系数与可靠指标之间的关系,提出了非均匀地应力和内压联合作用下,沿套管最大外挤力方向管壁任意位置发生屈服失效时外壁等效均匀外挤力的计算方法;建立了套管抗挤和抗内压三轴强度计算公式以及有效内压计算方法;根据套管载荷和强度影响因素统计参数以及评价过程中参数测试标准值,利用蒙特卡洛法（MC）建立了完整的套管可靠度计算和评价方法;通过实例对传统安全系数与可靠指标的对应关系进行了研究。研究结果表明:指定条件下,套管安全系数与可靠指标之间存在对应关系;利用建立的方法编制计算程序可以为传统设计法中安全系数代表的安全程度进行量化;可靠度评价方法能够为安全系数的选取提供指导。     

瞬态温度载荷下固液混合装药内部温度响应研究

为了研究瞬态温度载荷作用下固液混合装药起爆点火过程,设计了瞬态温度载荷试验装置和瞬态温度测试系统。用黑火药爆炸温度作为瞬态温度载荷,测试了固液混合装药内部的温度响应过程,并与数值模拟进行对比分析。结果表明,设计的瞬态温度载荷测试系统可以研究装药对瞬态温度的响应。     

城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析

建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型,应用有限元方法计算管道的应力和变形量,分别考虑管道内压、地面载荷和管道缺陷深度变化对管道应力和变形的影响。研究结果表明,管道最大应力随管道内压的增大而增大;随地面载荷的增加呈先减小后增大趋势;随管道缺陷深度增大而增大。管道变形量随内压增大而增大,但增长较小;随地面载荷增大而增大,增长较大;管道缺陷深度只对管道缺陷处变形量有影响。研究结果为确定城镇燃气聚乙烯管道工作能力提供了理论依据。     

循环载荷下煤裂隙演化试验研究

为了研究循环载荷下的煤体裂隙演化特征,在不同应力水平和不同频率条件下分别进行煤样破坏力学及声发射试验。结果表明:应力-应变曲线呈疏-密-疏的变化特征,对应的振铃数柱状图呈U型;上限应力点的应变值、累积能量、撞击计数均随循环次数增加而上升,曲线呈倒S型;煤裂隙演化经历了原始裂隙闭合、新生裂隙稳定发育和裂纹贯穿破坏等3个不同阶段;循环载荷的应力水平和加载频率对煤体疲劳寿命的影响具有差异性,对煤体裂隙演化和破坏模式均有明显影响。     

基于相似理论的大型桥式起重机结构安全评价试验验证方法

针对大型桥式起重机静载试验大吨位载荷加载困难影响起重机结构安全评价的问题,基于起重机结构设计理论,提出了大型桥式起重机降载当量试验方法,并对降载计算及计算误差进行了探讨。由相似理论建立位移、变形与载荷的关系,以确定相似控制量,通过测试起重机起升载荷较小时的变形和位移,推断起重机起升载荷为极限值时的变形和位移情况。通过逐级加载的方式测试与大型桥式起重机结构特性近似相似的50 t中型双梁桥式起重机跨中截面危险点的应力,将测试应力值与理论计算值进行比较。结果表明,适当降载比例的降载试验能实现一定精度的结构响应预测,可用于起重机结构安全评价。     

吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

为防治冲击地压危害,减小人员伤亡与经济损失,采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型,计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下的受力状态。结果表明:静载条件下,受煤层影响巷道右侧拱肩位置应力值与塑性应变相对最大,此处最易发生破坏;吸能装置在静载条件下没有发生压缩变形,表明吸能装置不会影响支架正常工作;竖向冲击荷载条件下,受煤层结构影响巷道右侧拱肩处等效塑性应变值增大相对比较明显,吸能防冲支架中间液压柱与右侧液压柱水平位移变化相对最明显;冲击地压发生过程中,支架与围岩间相互作用力变化较大,总体可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。