【摘要】：巖石材料作為一種天然材料,內(nèi)部含有大量方向各異的原生裂紋,研究這些原生裂紋的聚集、擴(kuò)展以及分叉進(jìn)而導(dǎo)致巖體的破壞失穩(wěn)對(duì)于巖體工程來說是非常重要的。同時(shí)近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及對(duì)于環(huán)保能源的需求,頁巖氣作為一種清潔、高效的能源,目前已經(jīng)成為全球非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域的“新寵”。隨著21世紀(jì)初北美“頁巖氣革命”的成功興起,頁巖氣的戰(zhàn)略地位逐漸被人們重視,而中國對(duì)于頁巖氣的開采還處于起步階段,因此具有很好的發(fā)展前景。但近年來采用基于連續(xù)性假設(shè)的一些數(shù)值計(jì)算方法,例如有限元、邊界元、有限差分法以及無網(wǎng)格方法和基于不連續(xù)假設(shè)的離散元方法、非連續(xù)變形分析方法等在處理含有預(yù)制裂紋這種既具有連續(xù)性特點(diǎn)又具有非連續(xù)性特點(diǎn)的巖石材料時(shí),存在一定的自身局限性。本文采用的近場動(dòng)力學(xué)方法(Peridynamics,簡稱PD),可以避免在處理不連續(xù)性問題時(shí)所遇到的奇異性難題。本文采用近場動(dòng)力學(xué)方法來研究巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂與瞬時(shí)熱傳導(dǎo)行為,通過對(duì)研究成果的整理分析得出以下結(jié)論:(1)為了更加準(zhǔn)確得到含有預(yù)制裂紋巖石材料的裂紋擴(kuò)展路徑與擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),本文在已有的理論基礎(chǔ)之上將物質(zhì)點(diǎn)間的“鍵”進(jìn)行進(jìn)一步的區(qū)分,提出了“層內(nèi)鍵”和“層間鍵”的“單雙鍵”計(jì)算模型,以更加合理的方式來處理不同材料層中材料性能參數(shù)對(duì)于裂紋擴(kuò)展的影響。通過將數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別與已有試驗(yàn)結(jié)果和運(yùn)用傳統(tǒng)數(shù)值方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,從而驗(yàn)證“單雙鍵”模型在研究層狀巖石材料動(dòng)態(tài)斷裂以及瞬時(shí)熱傳導(dǎo)方面的準(zhǔn)確性和有效性。(2)基于本文所提出的“單雙鍵”計(jì)算模型,文中對(duì)層狀巖石材料進(jìn)行了收斂性分析并得出了合理的晶格常數(shù)值(m(28)4);同時(shí)對(duì)含有預(yù)制兩垂直裂紋巖石材料的裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在沖擊荷載作用下,預(yù)制裂紋的擴(kuò)展路徑與預(yù)制裂紋位置的夾角大致為70°。(3)基于本文所提出的“單雙鍵”計(jì)算模型,本文分析了在單軸壓應(yīng)力以及雙軸拉應(yīng)力作用下層狀巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂問題,研究了裂紋傾角和應(yīng)力比對(duì)于裂紋擴(kuò)展路徑與擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)不同的裂紋傾角和應(yīng)力比都會(huì)對(duì)裂紋的擴(kuò)展路徑和狀態(tài)產(chǎn)生影響;通過對(duì)三層層狀巖石的裂紋擴(kuò)展路徑與擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的分析,發(fā)現(xiàn)層狀巖石中沿層理方向的原生裂紋是主要的起裂部位,且裂紋聚結(jié)主要集中在中部巖石層區(qū)域,并向著試件端部和兩側(cè)傳播。最后,通過改變加載方式,分析含有單一預(yù)制裂紋的特定頁巖材料預(yù)制裂紋起裂時(shí)間以及起裂時(shí)所需的荷載大小分別為10μs和7 MPa。(4)基于本文所提出的“單雙鍵”計(jì)算模型,研究了彈性模量、熱擴(kuò)散系數(shù)、裂紋數(shù)目、邊界溫度對(duì)于層狀巖石材料瞬時(shí)熱傳導(dǎo)行為的影響,認(rèn)為裂紋數(shù)目、邊界溫度均會(huì)對(duì)層狀巖石材料的瞬時(shí)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生一定的影響,同時(shí)也初步進(jìn)行了熱-力耦合條件下層狀巖石材料熱傳導(dǎo)行為的研究,得出了在熱-力耦合條件下影響物質(zhì)點(diǎn)位移的主要因素為應(yīng)力的作用。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P618.13
【圖文】：

4.1.2 近場動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析本算例選用近場動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型中物質(zhì)點(diǎn)的非局部鄰域半徑為 =2 mm，節(jié)點(diǎn)間距為 x 0.5 mm。圖4.3展示了在相同的條件下，本數(shù)值模擬結(jié)果與Yang和 Jing 試驗(yàn)結(jié)果裂紋擴(kuò)展路徑和狀態(tài)的對(duì)照�？梢钥闯�，本數(shù)值模擬結(jié)果與已有試驗(yàn)結(jié)果具有良好的吻合性，由此可以得出結(jié)論：近場動(dòng)力學(xué)方法在研究巖石材料動(dòng)態(tài)破壞方面具有很好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也說明上文所構(gòu)建的近場動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型的有效性和準(zhǔn)確性。表 4.1 巖石板的力學(xué)參數(shù)[76]E (GPa) G(J/m2) ρ(kg/m3)28.12 30 2620

38（c）m=4， x 0.33 mm 4.5 收斂中不同節(jié)點(diǎn)間距在 60 μs 時(shí)刻時(shí)的裂紋擴(kuò)展路徑和 收斂，選取非局部鄰域的半徑 =2 mm，因此選取不同晶格常數(shù)值，在這里節(jié)點(diǎn)間距分別選為 x 0. 8 mm， ，則對(duì)應(yīng)的晶格常數(shù)值分別為 m=2.5，m=4，m=5。預(yù)載為 8.5 MPa，分別截取在 60 μs 時(shí)刻下三種情況下的

4 層狀巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂分析 4.6 所示。根據(jù)圖 4.6 可以觀察到，當(dāng)非局部鄰域內(nèi)>4），裂紋不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)間距的進(jìn)一步增加而發(fā)生改變 4.6（c）的裂紋擴(kuò)展路徑非常相似，這意味著在這兩相似的。為了兼顧計(jì)算成本和計(jì)算效率，這里采取m=

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本文編號(hào)：2745106