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基于近场动力学岩石材料的动态断裂与瞬时热传导分析

2020-12-08阅读(365)

基于近场动力学岩石材料的动态断裂与瞬时热传导分析

论文摘要

岩石材料作为一种天然材料,内部含有大量方向各异的原生裂纹,研究这些原生裂纹的聚集、扩展以及分叉进而导致岩体的破坏失稳对于岩体工程来说是非常重要的。同时近年来随着中国经济的快速发展以及对于环保能源的需求,页岩气作为一种清洁、高效的能源,目前已经成为全球非常规油气资源勘探开发领域的“新宠”。随着21世纪初北美“页岩气革命”的成功兴起,页岩气的战略地位逐渐被人们重视,而中国对于页岩气的开采还处于起步阶段,因此具有很好的发展前景。但近年来采用基于连续性假设的一些数值计算方法,例如有限元、边界元、有限差分法以及无网格方法和基于不连续假设的离散元方法、非连续变形分析方法等在处理含有预制裂纹这种既具有连续性特点又具有非连续性特点的岩石材料时,存在一定的自身局限性。本文采用的近场动力学方法（Peridynamics,简称PD）,可以避免在处理不连续性问题时所遇到的奇异性难题。本文采用近场动力学方法来研究岩石材料的动态断裂与瞬时热传导行为,通过对研究成果的整理分析得出以下结论:（1）为了更加准确得到含有预制裂纹岩石材料的裂纹扩展路径与扩展状态,本文在已有的理论基础之上将物质点间的“键”进行进一步的区分,提出了“层内键”和“层间键”的“单双键”计算模型,以更加合理的方式来处理不同材料层中材料性能参数对于裂纹扩展的影响。通过将数值计算结果分别与已有试验结果和运用传统数值方法所得结果进行对比分析,从而验证“单双键”模型在研究层状岩石材料动态断裂以及瞬时热传导方面的准确性和有效性。（2）基于本文所提出的“单双键”计算模型,文中对层状岩石材料进行了收敛性分析并得出了合理的晶格常数值（m（28）4）;同时对含有预制两垂直裂纹岩石材料的裂纹扩展路径进行了分析,发现在冲击荷载作用下,预制裂纹的扩展路径与预制裂纹位置的夹角大致为70°。（3）基于本文所提出的“单双键”计算模型,本文分析了在单轴压应力以及双轴拉应力作用下层状岩石材料的动态断裂问题,研究了裂纹倾角和应力比对于裂纹扩展路径与扩展状态的影响,发现不同的裂纹倾角和应力比都会对裂纹的扩展路径和状态产生影响;通过对三层层状岩石的裂纹扩展路径与扩展状态的分析,发现层状岩石中沿层理方向的原生裂纹是主要的起裂部位,且裂纹聚结主要集中在中部岩石层区域,并向着试件端部和两侧传播。最后,通过改变加载方式,分析含有单一预制裂纹的特定页岩材料预制裂纹起裂时间以及起裂时所需的荷载大小分别为10μs和7 MPa。（4）基于本文所提出的“单双键”计算模型,研究了弹性模量、热扩散系数、裂纹数目、边界温度对于层状岩石材料瞬时热传导行为的影响,认为裂纹数目、边界温度均会对层状岩石材料的瞬时热传导产生一定的影响,同时也初步进行了热-力耦合条件下层状岩石材料热传导行为的研究,得出了在热-力耦合条件下影响物质点位移的主要因素为应力的作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题的背景和研究意义
  •   1.2 近场动力学理论的国内外研究现状
  •     1.2.1 国内研究现状
  •     1.2.2 国外研究现状
  •   1.3 岩石材料的研究现状
  •   1.4 本文主要研究内容
  •   1.5 本章小结
  • 2 近场动力学理论
  •   2.1 近场动力学理论简介
  •     2.1.1 近场动力学的基本理论
  •     2.1.2 近场动力学理论“键”的失效判据
  •   2.2 近场动力学理论的数值计算方法
  •   2.3 近场动力学理论的收敛性分析
  •   2.4 本章小结
  • 3 层状岩石材料的近场动力学数值模型
  •   3.1 层状岩石材料动态破坏过程的计算模型
  •   3.2 层状岩石材料物质点间点对力函数的构键
  •   3.3 层状岩石材料瞬时热传导模型
  •     3.3.1 近场动力学热传导控制方程
  •       3.3.1.1 通过单个“温度键”的PD热通量
  •       3.3.1.2 节点x处的近场动力学热通量
  •       3.3.1.3 微热导函数
  •     3.3.2 层状岩石材料热-力耦合控制方程和数值方法
  •   3.4 本章小结
  • 4 层状岩石材料的动态断裂分析
  •   4.1 数值验证
  •     4.1.1 计算模型的建立
  •     4.1.2 近场动力学数值模型计算结果与已有实验结果的对比分析
  •   4.2 层状岩石板裂纹动态扩展的收敛性分析
  •     4.2.1 计算模型的建立
  •     4.2.2 收敛性结果分析
  •   4.3 层状岩石板Kalthoff-Winkler模型受冲击荷载分析
  •     4.3.1 计算模型的建立
  •     4.3.2 数值计算结果分析
  •   4.4 预制双斜裂纹层状岩石板受单轴压应力分析
  •     4.4.1 计算模型的建立
  •     4.4.2 数值计算结果分析
  •   4.5 单一斜裂纹层状岩石板受双轴拉应力分析
  •     4.5.1 计算模型的建立
  •     4.5.2 数值计算结果分析
  •       4.5.2.1 不同应力比对裂纹扩展路径与扩展状态的影响
  •       4.5.2.2 裂纹倾角对裂纹扩展路径与扩展状态的影响
  •       4.5.2.3 单一裂纹双轴拉应力作用下的扩展规律
  •   4.6 层状岩石板的动态破坏分析
  •     4.6.1 计算模型的建立
  •     4.6.2 数值计算结果分析
  •   4.7 应力施加在预制裂纹表面的裂纹扩展分析
  •     4.7.1 计算模型的建立
  •     4.7.2 数值计算结果分析
  •   4.8 本章小结
  • 5 含有预制裂纹页岩板热传导分析
  •   5.1 数值验证
  •     5.1.1 计算模型的建立
  •     5.1.2 近场动力学数值模型计算结果与经典解析解的对比分析
  •   5.2 预制交叉裂纹页岩板的热传导收敛性分析
  •     5.2.1 计算模型的建立
  •     5.2.2 收敛性结果分析
  •   5.3 不同因素对页岩材料热传导的影响
  •     5.3.1 瞬时热传导的位移
  •     5.3.2 边界温度的影响
  •     5.3.3 裂纹数目的影响
  •     5.3.4 热扩散系数的影响
  •     5.3.5 弹性模量的影响
  •   5.4 热力耦合状态下页岩材料热传导行为
  •     5.4.1 计算模型的建立
  •     5.4.2 数值计算结果分析
  •   5.5 本章小结
  • 6 主要结论和展望
  •   6.1 主要结论
  •   6.2 论文创新点
  •   6.3 研究存在的不足和后续展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 作者个人简介
  • 作者攻读硕士学位期间科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 王振宇

    导师: 程站起

    关键词: 层状岩石材料,近场动力学,单双键计算模型,裂纹扩展状态,瞬时热传导

    来源: 郑州大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 地质学,石油天然气工业

    单位: 郑州大学

    基金: 国家自然科学基金(11472248)

    分类号: P618.13

    总页数: 107

    文件大小: 9284K

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