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并列切角方柱风致干扰效应的大涡模拟研究

哈尔滨工程大学学报 2024年第3期45卷 599-606页

作者：李方慧张智博张特范佳红尚靖淳黑龙江大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150080

针对并列切角高层建筑间的干扰影响问题,本文采用大涡模拟方法研究雷诺数22 000的均匀流场下并列切角(切角率10%)方柱的干扰效应。基于模型的网格收敛性分析及模型准确性验证,对比分析不同间距比下并列切角方柱的气动干扰效应和流场分布... 详细信息

针对并列切角高层建筑间的干扰影响问题,本文采用大涡模拟方法研究雷诺数22 000的均匀流场下并列切角(切角率10%)方柱的干扰效应。基于模型的网格收敛性分析及模型准确性验证,对比分析不同间距比下并列切角方柱的气动干扰效应和流场分布,并探寻风压干扰效应的影响规律和形成机理。结果表明:对于并列切角方柱,平均阻力系数主要呈放大效应,脉动升力系数主要呈减小效应。在并列切角方柱处于小间距(B/L=1.2)时,由于风与壁面的相互作用,产生风压力,风压力与方柱表面力叠加,对正压区域产生加强效果,表现为放大效应,对负压区域进行削弱,出现减小效应;当B/L=1.5时,结构干扰最剧烈,其中相邻立面后流场的切角处放大效明显,干扰因子最大值为2.58;当B/L≥4.0时,除相邻立面外的其他立面与切角干扰效应趋于消失;当B/L=8.0时,相邻立面仍然存在28%的放大效应。

关键词：并列切角方柱大涡模拟均匀流场气动干扰效应流场分布风压干扰效应阻力系数放大效应

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碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

煤炭学报 2024年第2期49卷 1183-1198页

作者：刘春生程硕刘延婷徐鹏刘若涵郝鑫黑龙江科技大学机械工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学电气与控制工程学院黑龙江哈尔滨150022

刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩... 详细信息

刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩石破坏准则的基础上,根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件,扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏),给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述,基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法,构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型,并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比,破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割,且多以拉剪耦合破坏为主,而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时,摩擦力转变为破岩助力,楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状,岩粉细观形态呈类多面体和类球状,刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比,与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加),表明姿态倾角增大,刀具齿刃碾挤压作用减弱,楔面挤压产生粉尘能耗增加,与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律,理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性,其平均误差分别为8.46%和9.55%,验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

关键词：碟盘刀具截割姿态破岩模式应力耦合破坏破碎特征

加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1414-1431页

作者：张保勇赵国建高霞吴强黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~... 详细信息

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体加卸载应变渗透率

LAZ811合金水冷凝固工艺设计与组织性能研究

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铸造 2024年第6期73卷 872-876页

作者：王威浦丽莉霍雨晗黑龙江工程学院材料与化学工程学院黑龙江哈尔滨150050

对LAZ811合金水冷凝固模具与工艺进行了探索,主要包括熔铸工艺分析、水冷模具的结构设计及浇注参数的确定,并制备出了LAZ811合金铸锭。结果表明:真空感应熔炼+氩气保护,合理的水冷模具结构能够使合金快速凝固,有效防止铸锭内部缩孔及缩... 详细信息

对LAZ811合金水冷凝固模具与工艺进行了探索,主要包括熔铸工艺分析、水冷模具的结构设计及浇注参数的确定,并制备出了LAZ811合金铸锭。结果表明:真空感应熔炼+氩气保护,合理的水冷模具结构能够使合金快速凝固,有效防止铸锭内部缩孔及缩松的形成,并获得组织细小、拉伸性能优良的镁锂合金材料,并适用于类似合金的生产。

关键词： Mg-Li合金铸锭真空感应熔炼水冷模具晶粒细化

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煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

煤炭学报 2024年第2期49卷 720-738页

作者：吴强张保勇黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤... 详细信息

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为:(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物分解,有助于水合物的稳定存在。需要注意的是,瓦斯水合固化技术防突的可靠度仍需大量重复试验验证,以建立普适化的数据库。综合现有研究结果,对水合固化防突研究目前仍存在的局限性与挑战进行了讨论,并且给出了进一步的研究方向。

关键词：煤与瓦斯突出瓦斯水合固化含瓦斯水合物煤体力学性质离散元

Ti-45Al-8Nb-xHf合金组织性能与高温氧化行为

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钢铁钒钛 2024年第5期45卷 91-97+115页

作者：王威黑龙江工程学院材料与化学工程学院

采用氩气保护真空感应熔炼工艺制备了Ti-45Al-8Nb-xHf （x=0.5、1.0、1.5、2）合金，利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、万能试验机等研究了合金显微组织、压缩性能和抗氧化性能。结果表明，H... 详细信息

采用氩气保护真空感应熔炼工艺制备了Ti-45Al-8Nb-xHf （x=0.5、1.0、1.5、2）合金，利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、万能试验机等研究了合金显微组织、压缩性能和抗氧化性能。结果表明，Hf元素含量的增加能够保持和细化合金显微组织，延缓高温下组织的转变，使合金抗压强度和压缩率分别提高到1923 MPa和25.7%，升幅30%以上，具有显著强化效应。合金在1 000℃氧化时具有稳定TiO2+Nb2O5的氧化亚层，以平直界面氧化生长，氧化扩散层尺寸稳定小于85μm，氧化质量呈线性变化，氧化速率曲线下降并最终达到稳定氧化阶段。适量Hf的添加有利于强化合金的力学性能和高温抗氧化性能。

关键词： Ti-45Al-8Nb-xHf 力学性能显微组织抗氧化性

柔性边界三轴压缩条件下含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2691-2710页

作者：高霞王楠楠秦程张保勇蒋静宇吴强黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律,对饱和度80%的煤样进行围压12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先,考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响,选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型,... 详细信息

为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律,对饱和度80%的煤样进行围压12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先,考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响,选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型,分别构建了刚性边界和柔性边界的含瓦斯水合物煤体双轴数值模型。其次,通过与室内试验结果(偏应力−轴向应变曲线、体积应变−轴向应变曲线、内摩擦角、黏聚力以及试样破坏模式)对比,验证了数值模型的可靠性,并发现柔性边界能更好地反映试样轴向应变−偏应力特征、剪胀特性以及强度特性。基于所建数值模型,从试样内部位移场、力学平均配位数、平均孔隙率、接触力链以及水合物黏结破坏角度揭示围压和边界条件对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质的影响规律。结果表明:①随着围压的增大,刚性边界的破坏型式多表现为单斜面剪切破坏;柔性边界的破坏型式由单叉型剪切破坏转变为单斜面剪切破坏。②随着围压的增加,2种边界的力学平均配位数均呈增大趋势,平均孔隙率均呈减少趋势,试样更密实,试样强度增加。③随着围压的增加,颗粒间法向接触力继续增加,试样强度增加,分布在轴向附近的法向接触力随之增大,而在水平向附近的法向接触力变化较小,竖向与水平向法向接触力差异越明显,各向异性更突出;在峰值强度处,随着围压从12 MPa增加到20 MPa,柔性边界法向接触力增加了54.50%,刚性边界法向接触力增加了45.70%。④在不同围压和边界条件下,试样产生张拉和剪切2种不同破坏形式,试样内部起裂主要以水合物和煤间剪切裂纹为主导;随着围压的增大,2种边界内部剪切裂纹数量呈逐渐减小趋势。研究结果从细观尺度上揭示围压对含瓦斯水合物煤体强度变形破坏等宏观力学特性的影响机制。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体离散元三轴压缩试验围压柔性边界

不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

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煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 21-34页

作者：祝威高霞张保勇吴强黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 黑龙江科技大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150022

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应... 详细信息

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明:(1)含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2)当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3)能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4)围压16、20MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5)煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

关键词：煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体三轴压缩试验能量特征

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基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化

哈尔滨工程大学学报 2024年第1期45卷 62-69页

作者：王萌刘峰田震杨松源哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

为提高耐压柱壳的设计效率和结构性能,本文基于多学科设计优化思想,进行了耐压柱壳多学科设计优化的学科分解,确定了耐压柱壳多学科优化设计的设计参数,明确了设计变量间的耦合关系,设计了耐压柱壳参数化分析流程,进行了设计变量灵敏度... 详细信息

为提高耐压柱壳的设计效率和结构性能,本文基于多学科设计优化思想,进行了耐压柱壳多学科设计优化的学科分解,确定了耐压柱壳多学科优化设计的设计参数,明确了设计变量间的耦合关系,设计了耐压柱壳参数化分析流程,进行了设计变量灵敏度分析。在利用响应面模型建立了具有较高拟合精度耐压柱壳近似模型的基础上,以质量排水量比和极限载荷为目标函数,建立了基于协同优化方法的耐压柱壳多学科多目标优化模型,在确定了系统层和学科层的优化求解方法基础上,设计了基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化框架,进行了优化的求解工作,得到了优化方案。与初始方案的对比表明:所得到的Pareto解集中,部分方案在2个目标函数上均得到了优化,验证了优化框架的有效性。

关键词：耐压柱壳设计参数耦合关系参数化分析流程近似模型目标函数协同优化方法多学科多目标优化优化框架

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