分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-09-08
摘要：Phase field model (PFM) is an efficient fracture modeling method and has high potential for hydraulic fracturing (HF). However, the current PFMs in HF do not consider well the effect of in-situ stress field and the numerical examples of porous media with stress boundary conditions were rarely presented. The main reason is that if the remote stress is applied on the boundaries of the calculation domain, there will be relatively large deformation induced on these stress boundaries, which is not consistent with the engineering observations. To eliminate this limitation, this paper proposes a new phase field method to describe quasi-static hydraulic fracture propagation in porous media subjected to stress boundary conditions, and the new method is more in line with engineering practice. A new energy functional, which considers the effect of initial in-situ stress field, is established and then it is used to achieve the governing equations for the displacement and phase fields through the variational approach. Biot poroelasticity theory is used to couple the fluid pressure field and the displacement field while the phase field is used for determining the fluid properties from the intact domain to the fully broken domain. In addition, we present several 2D and 3D examples to show the effects of in-situ stress on hydraulic fracture propagation. The numerical examples indicate that under stress boundary condition our approach obtains correct displacement distribution and it is capable of capturing complex hydraulic fracture growth patterns.
分类： 力学 >> 生物力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：旨在探究青年大学生跑者下肢关节等速肌力与跑步过程中关节刚度的相关性。招募34名男性业余跑者,采用三维动作捕捉系统和测力跑台、等速肌力测试系统测量10和12 km/h跑速下的膝和踝关节刚度; 60°/s和180°/s角速度下的膝和踝关节屈伸肌群峰值力矩(peak torque,PT)。使用经过Benjamini-Hochberg法校正后的皮尔逊相关系数分析膝关节等速PT与膝关节刚度; 以及踝关节等速PT与踝关节刚度之间的相关性。结果发现:60°/s和180°/s角速度下的膝关节屈肌向心/离心收缩PT与膝关节刚度呈中-高度正相关; 60°/s角速度下的踝关节背屈肌离心收缩PT与踝关节刚度呈中-高度正相关; 膝关节伸肌和踝关节跖屈肌PT与膝和踝关节刚度均不存在显著相关性。据此,具备更强的膝关节屈肌和离心踝背屈肌力量的业余跑者在跑步过程中表现出更大的膝和踝关节刚度。
分类： 力学 >> 流体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：本研究讨论(大气)湍涡的动力和结构。在Taylor-Proudman定理下,强涡量受扰能整轴刚移产生强涡动黏性,使黏性力参与平衡,地转可被分离时可形成Sullivan涡解。定理所需约束条件使涡解常仅存于高涡量区,在扰动中因护刚区现象而呈涡带。涡的实际结构与2个参数定量相关并受判据函数制约。某些湍流结构及电磁波由此可定性和定量解释。
分类： 力学 >> 流体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
基于Fluent采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数Re=3 900条件下错列布置三圆柱体结构群三维绕流问题进行了数值研究。为验证数值方法的正确性,选取单圆柱体工况来进行相关参数的验证,发现结果吻合较好。随后,重点分析了间距比(L/D)此关键参数对错列布置三圆柱体结构群流致特性的影响。相关结果表明:在小间距比范围内(1.5≤L/D≤2.0),中下游圆柱的平均阻力系数显著小于单圆柱工况结果; 当间距比为3.0工况下,上游圆柱的时均压力系数分布与其他间距比工况结果存在较大差异性; 小间距比工况下(L/D=1.5),柱体群尾流区存在显著的偏斜流态; 三圆柱系统的边界涡通量分布特性表明,顺流向涡主要从中游圆柱表面产生,随后进入流场中并发生变形与拉伸。
分类： 力学 >> 振动与波 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
随着油气资源需求不断增加,水平井应用越来越广泛,水平井钻柱的横向振动将直接影响钻井效率和钻柱安全。与直井不同,水平井存在造斜段和水平段,钻柱的初始变形和受力条件更加复杂。为了准确分析水平井钻柱的横向振动,文章综合考虑三维井眼轨迹、钻井参数和钻柱与井壁接触等参数,基于Lagrange方程建立了水平井钻柱非线性动力学特性数学模型,采用有限单元法对模型离散并求解,并选取四川某水平井实际参数进行验证,最后讨论了钻压、转速和扶正器对水平井钻柱横向振动的影响。研究结果表明:在钻进过程中,直井段钻柱横向振动较小,造斜段和水平段钻柱横向振动较大,越靠近钻头处,横向振动越大; 钻压对水平段和造斜段钻柱横向振动有较大影响,钻压越大,该段钻柱横向振动越大,而直井段钻柱受钻压影响很小; 在文章分析条件下(转速为30～120 r/min),全井段钻柱横向振动无明显变化; 扶正器可以限制水平段钻柱的横向位移,且扶正器安装位置对其有很大影响。文章所提出的模型也适用于复杂结构井钻柱动力学特性研究,研究成果为水平井钻井提效和钻柱安全提供理论指导。
分类： 力学 >> 振动与波 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
混凝土密肋式锥面网壳是通过将圆锥面等分成密肋平板后,再由其在谷(脊)线处交汇形成的新型空间结构。为掌握该类结构的稳定性,在弹性稳定分析的基础上,采用弧长法进行几何非线性分析。并讨论矢跨比、边梁刚度、初始几何缺陷等因素对结构承载力的影响。结果表明:结构薄弱部位主要为谷线跨中与密肋平板交汇处; 屈曲失稳具有壳体结构的特征,在跳跃失稳后承载力急剧下降; 矢跨比的增大会降低结构极限承载力; 因边梁作为主要传力构件在增大其刚度时,能有效提高结构整体刚度; 脊(谷)线梁刚度和屋面板板厚的变化对提高结构整体稳定贡献较小; 增大密肋梁刚度会有效增强结构抵抗失稳能力; 初始几何缺陷对结构极限承载力影响较小,将幅值L/300作为结构可接受的最大初始缺陷。对此类结构进行稳定承载力公式的拟合,发现其误差在工程精度可接受的范围之内。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
采用数值模拟的方法,讨论和对比了平壁面、固定波形壁面和运动波形壁面上的双马赫反射中的激波结构和流场特点。计算结果表明,固定和运动波形壁面对气流的压缩效应使其在壁面处加速和减速时马赫杆发生明显的变形和卷曲。壁面的压缩在波后会产生曲面激波和脱体激波,使得上游流场中的激波相互作用更为复杂。与平壁面相比,固定波形壁上的压力和密度明显升高,而运动波形壁上的压力和密度随运动频率的增加而减弱。
分类： 力学 >> 振动与波 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：在近期石墨烯的力学实验中,发现其在有限变形的条件下应力应变本构关系是非线性的。石墨烯卷曲形成碳纳米管,大管径单壁碳纳米管的应力应变关系,在理论上和石墨烯一致。在本研究中,基于石墨烯的非线性本构关系,建立了新的单壁碳纳米管的Euler-Bernoulli梁模型。之后对两端铰支的情况,使用Galerkin方法和多尺度法研究单壁碳纳米管在均布载荷作用下的静力弯曲和受迫振动问题。结果显示,在静力弯曲时,本构中的非线性项对碳纳米管起到了刚度软化的作用。在受迫振动时,本构中的非线性项改变了振幅分岔点的位置。因此本构中的非线性项对碳纳米管力学性质的显著影响不容忽视。
分类： 力学 >> 振动与波 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
针对索式吊运这类欠约束系统的摆动规律分析,综合采取理论建模及可视化仿真相结合的方法,研究索式吊运系统的动力学特性。利用达朗贝尔原理建立索式吊运系统的动力学模型,其中不仅考虑了水平运动和升降运动对系统运动状态的影响,也将钢索质量考虑在内,提高了模型精确度。采用龙格库塔法对模型进行降阶数值求解,并基于ADAMS软件的动力学仿真进行了验证。基于动力学模型和数值计算,研究了水平运动、升降运动及系统参数对摆动的影响规律。结果表明:所建立的动力学模型和数值计算准确,可用来研究索式吊运系统的运动规律和控制策略; 吊点在运动过程中系统摆幅受吊点初始加速度、加速度突变和升降运动速度影响较大,初始加速度过大或加速度突变,升降速度越大,摆幅越大,升降速度使摆幅随时间呈指数式增长; 停止后摆幅与停止时吊重速度、加速度和系统频率有关,速度越大,摆幅基数越大; 加速度越大,加速时间越长,摆幅增幅也越大; 钢索长度和吊重质量决定系统固有频率,不影响系统运动过程中的摆幅; 吊点加速规律对摆动影响的研究,可用来指导吊运系统设计与控制。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
水泥土材料在剪切破坏过程中常会产生剪胀现象,但目前基于Mohr-Coulomb强度理论的恒定剪胀角模型不能正确表达水泥土材料在变形破坏过程中的非线性体积变化行为。因此,根据不同水泥掺入比和围压条件下的水泥土三轴压缩试验,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立了能同时考虑单轴抗压强度、平均应力和等效塑性应变影响的剪胀角模型,并运用有限元技术进行了数值模拟验证。结果表明,水泥土三轴试验的应力-应变曲线呈软化型,水泥土发生破坏后会伴随着明显的体积膨胀。水泥土的剪胀行为通常用剪胀角来量化,考虑平均应力和等效塑性应变影响的剪胀角模型能够合理表达水泥土在峰后的非线性体积变化行为,模拟结果与试验结果具有较好的一致性。而将剪胀角取为恒定值会出现高估或低估剪胀效应的情况,不能正确反映水泥土峰后的非线性体积变化规律。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
本研究基于层合结构理论,提出了复合材料层合结构等效热膨胀系数预测模型。该模型既适用于对称铺设层合结构,也适用于反对称层合结构的等效热胀系数预测。同时,以碳纳米管增强复合材料层合结构为研究对象,针对反对称角铺设类型,对其等效热胀系数进行计算。计算结果显示,由于层间拉伸-弯曲-剪切耦合效应的影响,采用特定的铺设角度如(35/-35)3T,(55/-55)3T,碳纳米管层合结构能够在整体上呈现负热膨胀特性。这不但拓展了该类结构的服役工况,也为负热膨胀结构设计提供新的设计思路。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
为了研究沥青混合料的强度参数和断裂性能,在边界效应理论基础上,预制切口偏中距离的影响,引入等效峰值载荷换算公式,得到了一种改进边界效应模型。在5℃的条件下开展了不同偏中距离的三点弯曲试件AC-13级配沥青混合料断裂试验,采用扩展有限元法对同样尺寸的三点弯曲试件进行了模拟,通过载荷位移曲线验证了数值模型的可靠性。将试验与数值模拟获得的峰值载荷代入到改进模型推导了沥青混合料的抗拉强度和断裂韧度,最后利用模型结果反演拟合得到偏中距离对峰值载荷的影响曲线。结果表明,本研究模型推导和反演结果均与试验结果接近,证明改进边界效应模型不仅克服了原有模型无法应用在复合型断裂试件的局限性,还为沥青混合料的弹脆性断裂性能确定提供了一种预测方法。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
射孔冲击下固井水泥断裂行为与破坏失效模式是煤层气井井筒固井水泥环整体防护亟待解决的关键问题。以聚乙烯醇纤维固井水泥为对象,本研究利用霍普金森压杆装置对水泥试样进行高应变率加载,获取材料在4级应变率下裂缝扩展及破坏模式信息。研究表明:冲击荷载下纤维固井水泥断裂失效过程包括受压变形、裂缝起裂、裂缝扩展、裂缝贯通4阶段。纤维水泥的断裂速率范围在137.93～513.37 m?s-1间,存在应变率提升纤维水泥断裂速率增大的规律; 纤维水泥冲击破坏形式包括张性劈裂、剪切破坏及混合破坏3类; 随应变率增大,冲击下纤维水泥由剪切向混合式、劈裂式破坏过渡,材料粒度变细、破坏程度加剧,破坏机制由塑性破坏过渡为半脆性破坏。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
古塔多为高耸结构,长期受高压应力作用下内部具有损伤缺陷,致使结构可靠性降低,需对古塔结构进行受压性能评定及加固方法研究。以陕西省西安市兴教寺玄奘塔底部结构为原型,按缩尺比例1/8砌筑2个子结构模型,对受压破坏后的子结构模型进行角钢围箍约束。通过古塔子结构模型受压试验与数值计算,分析加固后古塔受压力学性能与破坏机制,研究围箍约束对古塔受压性能的影响,并进行了参数拓展分析。结果表明:采用角钢约束后塔体边缘处受拉破坏形式发生变化,受拉破坏范围减小,结构的整体性增强,受压承载力和变形能力提高; 数值计算结果能较好模拟古塔模型受力性能与破坏特征,模型极限承载力计算值与试验值误差在14%以内; 增加角钢厚度和宽度都对塔体承载力有提高作用,对轻微损伤古塔加固时可增大角钢厚度,对损伤严重古塔加固时可增大角钢横截面宽度,以增强塔体抗裂性能与极限承载力。为古塔结构的安全性评定和加固提供参考。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
制备了一种多壁碳纳米管改性天然橡胶复合材料,制备过程中通过加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改善碳纳米管在橡胶基体中的分散性能,降低了碳纳米管含量的渗流阈值,更有效地构建导电网络。通过实验研究发现复合材料的拉伸强度和刚度随碳纳米管含量增加而上升; 材料的电阻/应变敏感因子在碳纳米管含量4%时最高; 材料在循环载荷作用下,电阻和应变保持同步变化,并在一定循环次数后达到稳定,表现出高灵敏、高稳定的响应特性,证明该复合材料适用于大变形构建的应变监测与传感。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
主要利用ANSYS有限元模拟软件,以金属磁记忆检测原理和力磁理论为基础,对不同相对深度的环焊缝裂纹缺陷进行静力学分析并进行力磁耦合,得到不同管道运行压力和不同裂纹相对深度下的磁感应强度信号; 利用环焊缝裂纹磁场强度梯度值K形成的李萨如图形封闭曲线面积,对裂纹磁信号进行了定量分析,找到了封闭区域面积与裂纹相对深度之间的关系。结果表明:此方法可定量的对裂纹缺陷相对深度进行表示,对磁记忆检测定量分析的研究具有良好的实际运用价值。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
采用精确解析求解方法研究石墨烯片(GPL)增强功能梯度梁的非线性屈曲及后屈曲力学行为。研究中假定GPL均匀地分布在梁的每一层,但其重量分数沿厚度方向呈梯度或均匀变化,导致结构的物性参数沿厚度方向连续梯度变化,并根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到材料的等效物性参数。同时基于Euler-Bernoulli梁理论和Von-Kármán非线性应变位移关系由能量变分法获得石墨烯片增强功能梯度梁的非线性控制方程,对此方程进行精确解析求解获得临界载荷、屈曲模态以及后屈曲变形的解析表达式。并进行参数研究分析了GPL的重量分数、几何形状及尺寸和分布方式对该复合材料梁非线性屈曲和后屈曲的影响。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
采用精确解析求解方法研究石墨烯片(GPL)增强功能梯度梁的非线性屈曲及后屈曲力学行为。研究中假定GPL均匀地分布在梁的每一层,但其重量分数沿厚度方向呈梯度或均匀变化,导致结构的物性参数沿厚度方向连续梯度变化,并根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到材料的等效物性参数。同时基于Euler-Bernoulli梁理论和Von-Kármán非线性应变位移关系由能量变分法获得石墨烯片增强功能梯度梁的非线性控制方程,对此方程进行精确解析求解获得临界载荷、屈曲模态以及后屈曲变形的解析表达式。并进行参数研究分析了GPL的重量分数、几何形状及尺寸和分布方式对该复合材料梁非线性屈曲和后屈曲的影响。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：严格极限平衡法满足所有的平衡条件,通常计算精度较高,但不能保证所有条块界面上均不违背摩尔-库仑准则,也不能保证充分发挥其抗剪强度,因此在理论上既不是下限解、也不是上限解,且计算结果一定程度上依赖于条块间作用力关系的假设。将安全系数作为设定值,以滑面正应力为未知变量,将水平地震力影响系数作为目标函数,根据边坡整体的水平力平衡条件,建立目标函数表达式; 再根据边坡局部力平衡条件及条块间接触面、滑动面上的破坏准则建立不等式约束条件,根据边坡整体的竖向力与力矩平衡条件建立等式约束。目标函数及约束条件构成标准线性规划数学模型,应用单纯形法可以精确得到设定安全系数下的使边坡达到极限平衡状态的最大与最小水平地震力影响系数。通过迭代求解,得到既定水平地震力影响系数下的基于严格极限平衡的边坡安全系数上下限解答。算例计算结果表明,这种安全系数上下限解范围一般小于5%,且条块间作用力不违背破坏准则且充分发挥抗剪强度,因此计算结果更可靠,且理论上更为严密。
分类： 力学 >> 固体力学 提交时间： 2023-06-21 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要：
U型槽内填土地基上条形基础的极限承载力是工程实践中的一类重要问题。为合理确定其理论计算方法,基于塑性极限分析上限定理及Hill机构,结合U型槽结构对称性特征,提出了填土地基两种潜在破坏模式,建立了填土地基承载力与4个独立变量之间的内外功率平衡方程,考虑破坏机构的几何与运动学约束条件,通过Matlab程序编制优化算法,实现了该极限承载力的非线性规划求解。实例分析表明,填土地基承载力随U型槽相对宽度的增大而呈非线性减小,当该相对宽度达到一定值后,U型槽填土地基等效于半无限土体; 黏性填土时相关变化特征均与无黏性填土时相似; 随着U型槽相对宽度逐渐减小,填土破坏模式逐渐向槽内回缩,破坏机构中对数螺线区与被动区界面逐渐由速度连续过渡到速度间断,对数螺线中心均位于条形荷载边界点上。
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