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航空学报 2023年第S2期44卷 138-148页

作者：叶致凡赵瑾李志辉孙向春文东升北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

在高超声速流动条件下,由于高温热化学非平衡效应及气固界面非均相化学反应等复杂因素,考虑防热材料气固边界化学反应过程对气动热环境影响的精细化数值预测十分困难。特别是针对烧蚀型热防护材料,由于在气固界面处会与非平衡来流发生... 详细信息

在高超声速流动条件下,由于高温热化学非平衡效应及气固界面非均相化学反应等复杂因素,考虑防热材料气固边界化学反应过程对气动热环境影响的精细化数值预测十分困难。特别是针对烧蚀型热防护材料,由于在气固界面处会与非平衡来流发生物理化学相互作用,产生热阻塞、质量引射等复杂壁面效应,严重制约了材料热响应及气动热环境的预测精度。对此,构建了一种热防护材料烧蚀过程的多尺度耦合计算方法,不仅能够获得基于材料烧蚀热化学反应动力学界面模型的烧蚀后退速率及外形瞬态变化过程,同时还可获得材料烧蚀产物及化学反应热边界对气动热/力环境的影响。首先对该多尺度耦合模拟方法的构建及原理进行了详细描述,然后以典型酚醛树脂基复合材料及钝头体外形为例,获得了其典型飞行工况下烧蚀后退速率及气动热环境计算结果,最后通过将计算结果与文献数据进行对比,验证了该多尺度耦合计算方法的有效性。本文构建的这种基于气固界面热化学反应模型的多尺度耦合模拟方法不仅适用于酚醛树脂复合材料研究,还可以拓展应用至其他防热材料及气动环境条件,为提高防热材料高温热响应及高超声速气动热特性的预测精度提供了一定的理论及方法基础。

关键词：热防护材料气固界面多尺度耦合计算反应分子动力学烧蚀

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考虑复杂荷载路径效应的砂土地基桩土相互作用研究

考虑复杂荷载路径效应的砂土地基桩土相互作用研究

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作者：乔静音东南大学

学位级别：硕士

桩-土相互作用分析是桩基承载性能研究的重要部分。桩-土系统的响应会随着荷载形式的变化而变化,尤其是在地震荷载作用下,荷载的方向与大小随时间持续转变,土体主应力方向不断发生旋转,大小也会不断变化。由此可见,复杂荷载路径下桩-土... 详细信息

桩-土相互作用分析是桩基承载性能研究的重要部分。桩-土系统的响应会随着荷载形式的变化而变化,尤其是在地震荷载作用下,荷载的方向与大小随时间持续转变,土体主应力方向不断发生旋转,大小也会不断变化。由此可见,复杂荷载路径下桩-土系统响应非常难以捕捉。此外,本质上地震荷载先使土体产生变形,进而带动桩发生运动。因此,场地响应分析是地震荷载作用下桩土相互作用研究的前提。有限元法（FEM）目前广泛应用于大型岩土工程模型的宏观力学行为模拟,在模拟桩基物理力学行为时具有较好的应用效果,但是在土的细观机理分析上存在局限性。砂土是一种典型的颗粒材料,离散元法（DEM）对细观颗粒的扭转与接触具有较好的模拟效果,可以准确模拟砂土颗粒的力学行为,而且DEM无需考虑复杂的本构方程即可捕捉土体的应力-应变特性,但当计算大规模工程模型时,DEM耗时过大,限制了其在宏观模型中的应用。因此,本文结合了FEM与DEM的优势,提出了一种适用于复杂荷载路径下场地响应的多尺度耦合计算方法,其基本原理是通过FEM模拟宏观模型的行为,用DEM作为代表体积单元（RVE）模拟FEM中单元高斯点的本构关系。根据场地响应计算结果,展开对复杂荷载路径下的桩土相互作用研究。本文的主要研究内容与结论如下:（1）在Linux系统下搭建了通用有限元软件ABAQUS与离散元软件LIGGGHTS的多尺度耦合计算平台,介绍了平台搭建的相关过程。同时,为了使耦合模型准确反映砂土的力学行为,针对LIGGGHTS离散元砂土试样的参数进行了敏感性分析。结果显示,离散元试样的计算精度与颗粒数量成正比。试样孔隙比随固结时摩擦系数、颗粒杨氏模量的增大而增大,但当摩擦系数超过0.5左右,或颗粒强度超过800 MPa～1000 MPa后,孔隙比趋于稳定。（2）利用上述多尺度耦合平台对单个高斯点的耦合计算模型进行了三轴压缩试验的模拟,并与基于DEM的三轴压缩试验模拟进行了对比。结果表明,耦合计算平台可以再现砂土的力学行为,模拟结果具有较高的准确性。（3）利用上述多尺度耦合平台进行了单向振动、双向振动下的场地响应的宏细观研究。双向振动目的在于模拟复杂的荷载路径。结果表明,该多尺度耦合计算平台可以较好地模拟剪切波作用下场地的宏观力学行为与细观组构变化,以此探讨了复杂荷载路径效应对场地响应的影响。（4）基于p-y曲线法原理与上述场地响应计算结果,在Open Sees中建立单桩-土弹簧模型,进行桩-土相互作用分析。结果显示,复杂荷载路径效应对场地响应与桩土相互作用有明显影响。结合场地响应的宏细观计算结果,复杂荷载路径效应可能会使场地沉降增加,桩顶加速度、桩身弯矩变大,动力响应增强。上述模型表明该FEM-DEM多尺度耦合计算平台基本可以较准确的捕捉复杂荷载路径下砂土的力学行为以及桩-土相互作用行为,为砂土地基的宏细观研究及桩-土相互作用分析提供了一种新的工具。

关键词：有限元离散元多尺度耦合计算宏细观分析桩-土相互作用

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基于离散-连续耦合方法含软弱夹层隧道围岩宏-细观变形规律研究

基于离散-连续耦合方法含软弱夹层隧道围岩宏-细观变形规律研究

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作者：刘恒重庆科技学院

学位级别：硕士

随着交通基础设施建设重心逐步向中西部推进,各项隧道工程迫切兴建。西南地区的地形地貌复杂多变,隧道及地下空间工程建设常常面临软弱夹层带的挑战。软弱夹层带内岩体通常存在不连续结构面,如裂隙、节理等,夹层内岩石整体结构松散破碎... 详细信息

随着交通基础设施建设重心逐步向中西部推进,各项隧道工程迫切兴建。西南地区的地形地貌复杂多变,隧道及地下空间工程建设常常面临软弱夹层带的挑战。软弱夹层带内岩体通常存在不连续结构面,如裂隙、节理等,夹层内岩石整体结构松散破碎,充填有碎石、碎土及夹层泥等大量松散介质。含软弱夹层隧道施工时围岩受力比较复杂,尤其是当隧道穿越软弱夹层时由于施工扰动的影响,夹层内应力局部较集中,围岩应力释放较快,严重影响洞身围岩稳定性。本文以新燕尾山隧道工程为背景,采取隧道掌子面岩芯开展室内岩石力学试验获取岩石宏观力学参数,通过正交试验设计及多因素方差分析探讨岩石宏-细观参数之间的特定表达式。基于离散-连续耦合分析方法,利用PFC3D离散元软件和FLAC 3D有限差分软件实现数值耦合模拟过程,从宏观zone单元和细观颗粒流角度研究含软弱夹层隧道施工开挖过程中围岩宏-细观变形破坏规律,主要研究内容和结论性成果如下:(1)采取隧道掌子面岩石试样开展室内常规单轴压缩试验,得到砂岩试样的变形破坏特征及宏观力学参数(E、V、UCS、σ),通过“试错法”建立与室内试验结果相匹配的单轴压缩数值模型,采用PFC 3D对砂岩单轴压缩试验进行数值模拟研究,初步标定砂岩试样的细观参数(R、E~*、K~*、(?))。(2)采用正交设计试验,选取能够表征泥岩力学特征的宏-细观参数作为试验指标和因素开展泥岩单轴压缩数值模拟,并对正交试验结果进行敏感性分析。基于正交试验结果,利用多因素方差分析法量化分析宏-细观参数之间的影响规律,提出具体的细观参数标定方法。通过对新燕尾山隧道泥岩和砂岩进行细观力学参数标定,数值模拟结果与室内力学试验基本一致,验证了本文细观参数标定方法的可行性。(3)利用有限元(FLAC 3D)软件和离散元(PFC 3D)软件进行含软弱夹层隧道耦合数值模拟,分别研究软弱夹层不同宽度、倾角及倾向对隧道开挖围岩稳定性的影响,得到隧道拱顶、拱底、拱腰及掌子面的宏观位移应力变化规律及软弱夹层颗粒流的细观变形特征。隧道施工开挖引起的宏观zone单元位移应力变化规律主要集中在隧道拱顶沉降、拱底隆起及拱腰水平收敛,由于含软弱夹层特殊地质构造导致隧道在软弱夹层附近受力不均,开挖过程中产生较大位移变形量。细观颗粒位移变化规律主要集中在拱顶、拱底、拱腰及拱脚处,其中拱顶颗粒位移变化最为明显,有部分颗粒在开挖掌子面时产生逃逸现象,反映掌子面拱顶处的泥岩颗粒离散性较大,在隧道开挖时会随应力破坏而失去稳定性,从而导致隧道冒顶、塌方等宏观破坏。(4)根据多尺度耦合计算结果,随着软弱夹层宽度及倾向的增加,围岩的宏-细观变形规律愈加明显,均表现为宏观zone单元位移及应力值增加、细观颗粒逃逸位移及逃逸数目也随之增加。当软弱夹层宽度和倾向达到设计阈值时,宏-细观变形破坏规律最明显,软弱夹层宽度取值20m时,颗粒最大位移值出现在上台阶法开挖拱顶处,夹层颗粒与宏观围岩耦合交界位置,其最大沉降量为-26.31mm、最大主应力为4.11MPa;软弱夹层倾向取值70°时,颗粒最大位移值出现在上台阶法开挖右拱肩处,最大沉降量为-6.44mm、最大主应力3.49MPa;随着软弱夹层倾角的减小,围岩的宏观位移及应力值随之增加,细观规律表现相同,当软弱夹层倾角取15°时,隧道宏-细观变形破坏规律受夹层影响最大,拱顶沉降量-19.38mm、最大主应力4.14MPa。由于施工开挖扰动,隧道掌子面应力释放迅速,导致耦合交界面处颗粒-颗粒及颗粒-墙体之间接触力键破坏,颗粒间产生较大位移变形,随着施工步深入逐渐演变为围岩宏观位移变形。

关键词：隧道工程软弱夹层岩石力学试验细观参数标定多尺度耦合计算

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断层破碎带控制下隧道围岩开挖的三维力学响应研究

断层破碎带控制下隧道围岩开挖的三维力学响应研究

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作者：万国庆重庆交通大学

学位级别：硕士

目前,随着交通基础设施的迅速发展,我国公路桥梁与隧道修建数量与日俱增,围岩中所含的不良地质也越来越复杂,特别是在隧道修建过程中,其中断层破碎带等一些不良地质层对隧道施工的安全性具有重要影响,断层破碎带因其复杂的地质成因和物... 详细信息

目前,随着交通基础设施的迅速发展,我国公路桥梁与隧道修建数量与日俱增,围岩中所含的不良地质也越来越复杂,特别是在隧道修建过程中,其中断层破碎带等一些不良地质层对隧道施工的安全性具有重要影响,断层破碎带因其复杂的地质成因和物理力学特性,在开挖过程中极其容易引起安全事故,因此研究含断层破碎带下隧道的开挖围岩变形规律对指导施工具有重要意义。本文采用物理模型试验与耦合数值模拟相结合的方法,探究了断层破碎带及其因素对隧道开挖的影响,研究的主要内容及结论如下:（1）研究了含断层破碎带下围岩的稳定性及其对施工的影响,说明了研究的必要性,并结合目前所普遍采用的研究方法,通过对比,总结研究现状;（2）根据相似理论,以V级含断层破碎带围岩为研究对象,通过室内试验确定模型试验相似材料及配比,利用自主设计的模型试验箱,结合目前所流行的数字散斑拍照技术和压力传感器等测试方法,开展含断层破碎带隧道开挖的物理模型试验,并分析试验采集数据,得出了开挖过程中的围岩变形规律和应力监测结果,在隧道开挖过程中,掌子面附近应力存在3个典型变化阶段,应力集聚区、前方应力弱集聚期及后方应力释放区;对于掌子面附近位移,也存在掌子面挤出变形、先行位移和后行位移3个时空演化特征,这与应力变化相对应;（3）根据连续-离散的计算原理及各自的优点,提出了基于连续-离散的多尺度耦合模拟方法,并以FLAC3D及PFC3D程序为实现平台,分析了耦合的可行性和合理性;选取了Hoek-Brown强度准则作为连续体本构模型,选取线性平行黏结模型作为离散单元模型;（4）通过数值模拟,对比分析了模型试验结果,其规律与模型试验基本相同,进一步分析了隧道开挖并穿越断层破碎带过程中的围岩变形规律,说明了断层破碎带对隧道开挖的作用效应及断层破碎带上下的非连续特征,通过数字散斑技术,得到了围岩开挖过程的全场应变与位移,并分析了其分布特征;（5）在多尺度耦合计算方法的基础上,探究了断层破碎带对隧道开挖影响的不同因素,分别研究断层破碎带倾角、倾向、宽度变化下的隧道开挖变形规律;通过连续-离散的多尺度耦合计算方法,建立了不同变量下的数值耦合模型,总结了断层破碎带不同倾角、倾向及宽度下的隧道开挖影响结果,其中,不同倾角和倾向下,大致分布为以30?和150?时对隧道开挖影响较大,90?时最小,随断层破碎带宽度变化时,断层破碎带宽度越宽,影响越大,但其总体影响趋势变缓。综合以上规律性的研究,可对实际工程遇到断层破碎带时提出指导性建议,在遇到断层破碎带时可以清楚的知道周围围岩在开挖过程中的应力分布特征及围岩变形情况,从而采用有效的支护措施避免施工事故的发生。

关键词：隧道工程断层破碎带模型试验数字散斑拍照多尺度耦合计算

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