节理岩体中爆炸效应的离散元数值模拟及实验研究

岩体中爆炸效应的研究主要包括爆炸产生的振动效应和岩体的鼓包运动规律。其力学过程十分复杂，研究的主要困难在于定量描述岩体的结构性质、爆源形式及其与周围岩体相互作用的规律等。在工程应用上关系到如何提高爆破工程的效率，减少爆炸引起的危害及降低对爆炸工程的制约。开展上述相关课题的研究，不仅具有重要的工程意义，也是爆炸力学的前沿工作。 本文取得的主要成果如下： 1. 独立开发了具局部块体细化功能和块体可变形功能的多尺度可变形离散元软件，通过波的传播试验以及与商用软件计算结果的比较，验证了该程序的可靠性和数值计算精度。 2.改进了集中装药和柱状装药的爆源模型，建立了适合爆源附近岩体结构的多尺度计算模型，加强了块体离散元在岩土中爆破分析的实用性。 2.给出了块体离散元中弹簧断裂与能量损耗的关系，并用数值模拟方法得到了岩体中爆源周围细小结构面对爆炸能量衰减的影响规律、爆腔压力的脉动特征，模拟得到了不同岩体材料性质、岩体结构对爆破鼓包运动的规律。 3.实验成功了一种探测地质体结构的方法－可控爆源，这种爆源把炸药放在水中爆破，减少了爆源周围岩体结构对岩体中爆炸波的影响，使得爆炸载荷更为准确，已有的实验结果表明：采用新的爆源能够获得重复性很好的振动图形。 4.通过模型试验和数值模拟研究了弱面结构对爆破振动的影响，给出了弱面附近质点振动的放大效应，通过研究振动衰减规律确定了一定厚度的软弱夹层对爆破振动的衰减系数，为爆破地震波探测地质体结构提供了新的认识和数值研究工具。 5.用可变形块体离散元模型分析得到了茅坪滑坡体上的地质参数和主要的地层结构，给出了材料的弹性模量和泊松比。

电子封装中的不流动芯下材料力学性能和封装可靠性的研究

可控坍塌芯片互连（C4）技术可以实现高速、高密度、小外形的封装，因此日渐得到关注和发展。本文针对发展新一代c4技术所面临的不流动芯下材料的机械性能问题，采用具有不同填充颗粒含量的不流动芯下材料，通过对材料的机械性能的测试和分析以及有限元模拟，初步揭示了不流动芯下材料变形行为的特点，填充颗粒含量对芯下材料机械性能的影响，以及芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的颗粒沉积对封装可靠性的影响。首先在差示扫描量热仪（DSC）、热一力学分析仪（TMA）上对材料的固条件、热膨胀系数、玻璃化转变温度进行了测试，接着又在六轴微型试验机上对材料在不同温度和应变率下的应力一应变行为进行了测试。测试结果表明，所用材料的固化条件和玻璃化转变温度可以满足不流动芯下材料的性能要求，材料的热膨胀系数高于芯下材料理想的热膨胀系数值，材料中填充颗粒含量、温度、应变率等对材料的应力一应变行为有重要的影响。为了解芯下材料中填充颗粒含量对机械性能的影响，对不同颗粒含量材料在各测试温度和应变率下的杨氏模量、屈服强度和流动应力进行了对比和分析。结果表明，在各测试条件下，芯下材料的杨氏模量基本随着颗粒含量的增加而升高；温度较低时，材料的屈服强度随颗粒含量的增加而升高，但是，较高温度时，材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量的增加呈现先升高后降低再升高的变化趋势。为理解芯下材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量非单调变化的行为，采用广义Eshelby等效夹杂法对含颗粒试样在单轴拉伸时试样内的应力分布进行了分析，并用纳米硬度计对材料纳米尺度的性能进行了测量。应力分析的结果表明，不流动芯下材料的SiO2填充颗粒的加入会在基体里引起应力集中，应力集中系数随着颗粒含量的增加先升高后降低，试样内的应力集中有使材料屈服强度降低的趋势。纳米硬度计的测试结果表明，芯～卜材料内形成了性能介于颗粒Z基体之间的界面相，界面相的形成有使芯下材料屈服强度提高的趋势。芯下材料屈服强度随着填充颗粒含量的非单调的变化是应力集中和界面效应藕合作用的结果。温度和应变率是影响芯下材料机械性能的重要因素。为刻画温度和应变率的效应，采用Pe化yna模型描述材料的应力一应变行为。结果表明，Per叮na模型可以拟合材料应变率相关的应力一应变行为，描述不流动芯下材料应力一应变曲线的基本趋势，对材料在测试范围外的行为给出较合理的预测，并且Perzyna模型可以很方便地用于ABAQUS中，这将易于工业应用。最后，采用商用有限元程序AB AQus分析了芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的填充颗粒沉积对C4封装可靠性的影响。结果表明，在芯片／基板的缝隙中填入芯下材料可以显著延长可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命，提高封装可靠性，可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命随着芯下材料中填充颗粒含量的增加而增长；芯下材料中填充颗粒在C4封装基板侧的沉积将导致封装焊点的热疲劳寿命缩短，而颗粒在芯片侧的沉积则可使焊点的热疲劳寿命稍稍延长。

陶瓷晶须增强铝基复合材料初始段性能预测

本文利用挤铸造方法结合热压的方法制备了Al_(18)B_4O_(33)w/Al和SiCw/Al复合材料，实现了对增强体取向的调整。利用SEM在位观测、MTS宏观拉伸等实验方法研究了复合材料的细观结构、细观损伤演化规律和材料的宏观性能。通过理论分析、数值计算，结合实验的方法，定量地讨论了材料性能和其微观结构参数之间的关系，定性地总结了短纤维增强金属基复合材料的细观损伤演化规律。经过分析和实验，阐明了热挤压对短纤维增强金属基复合材料增强体空间取向性（取向密度）的影响；讨论了在短纤维增强金属基复合材料中宏观应变和基体、增强体应变的关系；并且进一步研究了密排、多取向群体短纤维增强体的应变，在材料处于弹性和塑性阶段的演化规律；提出了利用增强体轴向应变和材料宏观应变在该方向的分量之比值λ_f来描述增强体增强效果，给出了λ_f在材料承载过程中的演化规律；总结了短纤维增强金属基复合材料的性能（弹性模量）和晶须空间取向之间的关系；利用修正了的混合定律比较好地预测了短纤维增强金属基复合材料的弹性模量；并且进一步预测了短纤维增强金属基复合材料的弹塑性性能。

可压平面混合层稳定性分析及数值模拟

可压平面混合层是包含复杂多时空尺度运动的非定常流体力学部问题，具有深刻的理论意义和广泛的应用背景。针对该问题所涉及内容的多面性，本文的目的是，基于高精度、高分辨率数值算法的构造、发展和数值行为分析，采用线性稳定性分析和直接数值模拟方法。从理论和计算两方面集中研究压缩性效应、粘性效应、初值效应以及燃烧反应放热效应等对可压平面混合层早期稳定性行为和大尺度拟序涡结构非线性演化的影响。以混合层已有研究成果的分析和综述为开端，论文主体共包括四部分：第一部分是可压平面混合层时间/空间模式数值线性稳定性分析。实现了高精度对称紧致差分格式（SCD）对可压粘性扰动线性稳定性边值问题的求解，对导出的线性和非线性离散特征值问题，提出了两个高效局部解法。研究涉及二维/三维扰动波、无粘/粘性扰动波、特征函数和特征值谱、第一/第二模态、超声速快/慢模态、速度比和密度比等。验证了对流Mach数Mc为一个合理的压缩性参数。指出压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波的波数（频率）和增长率呈相拟的抑制作用，且时间模式稳定性分析结果在许多方面是可信的。从随机和线性扰动场出发，采用高精度五阶迎风紧致和六阶对称紧致混合差分算法（UCD5/SCD6）对可压平面混合层的稳定性特征进行了直接数值模拟，揭示了初始主导线性扰动与一些实际涡结构非线性作用形态间的内在关联，印证了线性稳定性分析方法的合理性和有效性。第二部分是高精度迎风紧致差分格式（UCD）时空全离散数值行为分析。导出了其一维/二维一般色散表达式。研究表明，UCD格式在高波数区具有内在的全离散耗散和色散特性；其数值群速度的快/慢特征可因CFL数不同而改变；在稳定CFL数下简单附加人工粘性可强化UCD格式在高波数区的耗散量；提高时间精度可放宽稳定CFL数限制；UCD格式的二维全离散色散介质中存在三个不同性质的数值波，其全离散稳定性由数值声波主控。第三部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对空间发展可压平面混合层的直接数值模拟。通过亚谐扰动波的个数和扰动频率的控制，捕捉到了基频涡的饱和、一次和二次对并等现象，显示了大尺度涡结构与入中初始扰动方式之间的内在联系。利用参数Mc观察了压缩性效应对大尺度涡空间演化及其相互作用的影响。第四部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对非预混扩散火焰化学反应平面混合层的直接数值模拟。研究指出，放热效应可抑制和延迟涡的形成，使基频涡卷拉伸甚至丧失，混合层Reynolds 应力ρu'v'和流向速度波动关联项u'v'下降，以致涡结构与外流动量交换和标量输运减少，脉动输运能力被削弱，从而混合效率、产物生成率和混合层增长率下降，放热主要通过膨胀效应和斜压效应来抑制大尺度涡的演化。

粘弹性材料界面裂纹的瞬态响应和散射研究

本文研究粘弹性材料界面裂纹对冲击载荷的瞬态响应和对广义平面波的稳态散射。相对于已有广泛研究的弹性材料裂纹瞬态响应和稳态散射问题，本文的研究有三个突出特点：1）粘弹性材料；2）界面裂纹；3）广义平面波入射。粘弹性材料界面裂纹对冲击载荷的瞬态响应和对广义平面波的散射尚无开展研究，本文在弹性材料相应问题的研究基础上，首先开展了这一问题的研究。对于冲击载荷下粘弹性界面裂纹的瞬态响应问题，利用Laplace积分变换方法，将粘弹性材料卷积型本构方程转化为Laplace变换域内的代数型本构方程，从而可以在Laplace变换域内象处理弹性材料的冲击响应一样，将相应的混合边值问题归结为关于裂纹张开位移COD的对偶积分方程，并进一步引入裂纹位错密度函数CDD （Crack Dislocation Density），将对偶积分方程化成关于CDD的奇异积分方程（SIE）。用数值方法求解奇异积分方程得到变换域内的动应力强度因子数值解，最后利用Laplace积分逆变换数值方法得到时间域内的动应力强度因子的时间响应。理论分析考虑了两种裂纹模型，即Griffith界面裂纹和柱面圆弧型界面裂纹。考虑的载荷包括反平面冲击载荷和平面冲击载荷。对于平面冲击载荷，通过对裂尖应力场的奇性分析，首次发现粘弹性界面裂纹裂尖动应力场奇性指数不是常数0.5，而是与震荡指数一样依赖材料参数。针对反平面冲击载荷给出了一个算例，计算了裂尖动应力强度因子的时间响应，并与弹性材料的结果作了比较，发现粘弹性效应的影响不仅使过冲击峰值降低，而且使峰值点后移。粘性效应较大时，过冲击现象甚至不出现。关于粘弹性界面裂纹对广东省义平面波的散射问题，首先研究广义平面波在无裂纹存在的理想界面的反射和透射，再研究由于界面裂纹的存在而产生的附加散射场。利用粘弹性材料的复模量理论，可将粘弹性材料的卷积型相构方程化成频率域内的代数型本构方程。类似弹性平面波的处理，在频率域内将问题最终归结为关于裂纹位错密度CDD的奇异积分方程。数值方法求解奇异积分方程即可得到频率域内的散射场，并进而得到裂尖动应力强度因子和远场位移型函数和散射截面。理论分析考虑了两种裂纹模型：Griffith界面裂纹和柱面圆弧型界面裂纹。研究的入射波有广义的SH波和P波。对于广义平面P波入射的情况，通过对裂尖应力场的奇性分析，同样发现粘弹性界面裂纹裂尖动应力场奇性指数不地常数0.5，而是与震荡指数一样依赖于材料参数。对柱面裂纹散射远场的渐近分析，发现远场位移和应力除含有几何衰减因子外，都含有一个材料衰减速因子。散射截面由于材料衰减因子的存在也成为依赖散射半径的量。为了使散射截面仍有意义，文中提出一种修正办法。对Griffith界面裂纹，给出了一个广义平面SH波入射的算例；对柱面界面裂纹，给出了一个广义平面P波入射的算例。计算了不同入射角和入射频率下裂纹的张开位移和动就应力强度因子，并分析了其依赖关系。求解奇异积分方程的数值方法和Laplace积分逆变换数值方法是本文的基本数值方法。本文对这两种方法作了大量的调研和系统的研究。在对比分析的基础上，对现有的各种方法从原理，适用范围，计数效率，优势及特点进行了归纳总结。并尝试了奇异积分方程的最新数值方法--分片连续函数法，证实了其适用性和方便性．

非均匀脆性介质破坏的非平衡非线性统计演化

在白以龙小组已有工作的基础上，利用他们提出的简化的耦合斑图模型，几种可能的应力重分配模型在该论文中得到了进一步的讨论。通过不同的应力重分配模型，我们发现了该类演化过程中的三个一般规律，这些规律对于类似的动力过程的预报（例如，非均匀介质的破坏）提供了线索。首先，我们采用系综统计的方法，对相同宏观参量的大量样本的强度分布作了考察，结果表明：宏观强度的统计结果可以非常好的拟合为Weibull分布，且其Weibull模数与系统的大小、应力重分配的方式以及细观单元的强度分布相关。其次，在模拟过程中，对演化过程中的能量释放、损伤事件的统计发现，它们存在标度行为，而且这一标度主要归因于灾变点附近的损伤事件。这一现象表明这一转变具有某种临界特征。最后，对于我们模型中的动力学过程，我们发现了灾变预报的线索。从样本演化过程 中的能量释放规律来看，我们发现有两件事是有意义的：一是辨别出主破坏的发生点（在这一时修，系统中的大部分能量得到释放）；另外，给出转变点（整体稳定转化为演化诱致灾变）的预报。对前一个问题，我们通过考察系统在GS和EIC段的应力损伤涨落特征可以给出回答，通常，在EIC段的最大应力涨落（通常出现在主破坏过程中）比在GS过程中的最大应力涨落高一个数量级，根据这一差异，可以设立一个应力涨落的警戒值来判断系统所处的演化状态。对于后者，受到地震预报中采用的加卸载响应比（LURR）的启发，我们通过对系统中的外回转应力或损伤单元施加一个微增扰动，然后，根据系统在扰动前后释放的能量和相应的扰动，就可以得到临界敏感系数，临界敏感系数在灾变点附近迅速增加，在灾变点之迅速下降到1附近-我们称这一特征为临界敏感性。不同的应力重分配模型下得到了类似的现象，由此看来，对于 类似的动力学过程，临界敏感性是一个一般的特征。这一特征可能为我们对非均匀脆性介质的破坏提供线索。

纳米晶体微观结构与力学性质的分子动力学模拟

纳米晶体材料是由尺度在1-100nm的微小颗粒组成的体系.该文应用分子动力学结合Finnis-Sinclair多体势函数模拟了纳米晶铜的微观结构和单向拉伸变形,以及纳米铜晶粒的结构与扩散性质,并采用了局部晶序分析、晶向分布函数等多种手段,对它们的结构进行了分析.研究了晶粒尺寸的变化对它们的影响.对纳米晶铜的微观结构的模拟表明：随着晶粒尺寸的减小,纳米晶体的晶界结构变化并不明显,而晶粒内部的晶格畸变加剧,导致其结构的无序度明显增加,并且晶粒内部结构和晶界结构的差别也越来越小;晶粒内部的原子的平均能量明显升高,但界面原子的平均能量变化很小.由于受晶格畸变和晶界比例增加的影响,纳米晶体的密度小于单晶的密度.对纳米晶粒的结构与扩散性质进行了分子动力学模拟的结果显示：随着晶粒尺寸的减小,晶粒表面层包含的原子比例迅速增加,表面层的原子平均能量上升,而晶粒内部的保持不变,但不仍然要高于相应单晶体的值,而表面层的厚度基本为一常数.纳米晶粒的扩散系数随着它的尺寸的增加而迅速减小,虽现指数衰减关系.这种减小主要是由于晶粒的表面层原子比例的减小和这些原子的能量降低有关.表面原子的扩散在晶粒的扩散中占主导的地位.

高频感应等离子体风洞的流场研究

高频感应等离子体风洞适合于基础研究特别是用于防热材料的催化特性的研究，本文用实验测量和数值模拟了该风洞的温度场和速度场。温度场是用OSA （Optical Spectrum Analyzer）进行光谱分析得到的，同时用水冷总压和静压探针对风洞的流场进行测量得到了速度场的空间分布。数值模拟采用完全二维的高频感应等离子模型，我们通过求解相关的能量方程、流体动力学方程和电磁场方程得到了相应的温度场和流场。比较了数值模拟结果与实现测量结果，并给出了不同运行参数下的典型数值结果。

砂质海底管土相互作用的有限元分析

海底管线的稳定性是保证油气输送管道正常运行的关键。本文通过研制开发计算管土相互作用的有限元程序，对管土相互作用进行数值模拟，分析管道在自重和环境荷载作用下在砂质海床中的沉降发展，分析影响土体对管道的侧向阻力的各种因素，以便为管道稳定性设计提供参考。采用二维非线性有限元计算技术，计算管道在自重、静水压力和环境荷载的作用下土体的静态响应，以土的临界破坏状态作为管土系统的稳定性的极限状态，分析管道－土体这一对类似挡土结构－土体力学系统在临界状态时的相互作用。通过对计算结果的分析和有关文献试验结果的比较，证明了该程序基本上能够正确地完成关于土的非线性特征、管道自沉降的发展过程和管土系统的相互作用等数值模拟任务，从而为深入研究管土的非线性相互作用和管土相互作用对管道的在位稳定性的影响提供了思路和有力的分析工具。

双晶晶界在高温下的热稳定性的分子动力学研究

晶界结构在高温下的热稳定性问题是一个长期争论而又未能解决的问题，其争论的焦点是：在远低于熔点的温度下，晶界结构是否发生了可观察到的无序化，即是否存在一个远低于熔点的结构转化温度。为了能澄清这一争论，本文系统地研究了晶界结构的热稳定性。为了消除相互作用势的影响和系统误差，本文首先采用Morse势和经验多体势分别对铝、铜单晶的熔化过程进行了分子动力学模拟。在平衡态下，通过计算表征结构无序化的静态结构因子、径向分布函数和单晶原子位形图，获得了铝、铜单晶的熔点，结果表明：多体势计算的铝和铜的单晶熔点更接近实验值。因此，采用经验多体势应用分子动力学方法分别模拟了铝、铜Σ3、Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33六种对称倾侧双晶晶界晶界结构由有序向无序转化的过程，计算了平衡态下的表征结构无序化的静态结构因子、径向分布函数和晶界原子位形图并将多体势获得的铝、铜单晶熔点作为晶界结构转化温度的约化熔点，获得了铝、铜Σ3、Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33六种对称倾侧双晶晶界结构的转化温度和熔点，结果表明：1．Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33五种对称倾侧双晶晶界均在远低于单晶熔点温度时，晶界结构发生了可观察到的无序化，而且双晶晶界结构的转变温度相差不大，双晶晶界熔点也低于单晶熔点。2．Σ3晶界在温度远低于熔点时，其晶界结构没有发生可观察到的无序化；Σ3晶界的转化温度与单晶熔点接近。所以，可以认为Σ3晶界不存在转化温度。这是由于Σ3晶界为共格孪晶，具有较低的能量。综上所述，除Σ3共格孪晶外，在远低于熔点温度下，晶界结构发生了可观察到的无序化，即：存在一个远低于熔点的转化温度，此时其静态结构因子约为0.5左右；晶界结构的熔点均低于单晶熔点，此时其静态结构因子约为0.15左右。从全文模拟结果可以看出，静态结构因子、径向分布函数、晶界原子位形图三种方法在确定晶界的结构转化温度和熔点时，静态结构因子是最有效、最准确的定量方法。

吸湿特性对胶体颗粒自组装过程的影响

光子晶体的独特性质使得人们有可能实现对光子的操控，从而实现电子时代向光子时代的转变。光子晶体最重要的两个因素是周期性和构成周期性的材料的介电常数差。光子晶体的制备方法有很多种，胶体晶体模板法在制备成本和效率上具有明显的优势，因而得到研究者的重视。而在胶体晶体干燥过程中产生的裂纹破坏了胶体晶体的周期性，从而制约了这种方法在光子晶体制备方面的应用。 本文从如何利用微球吸湿性来研究胶体晶体自组装过程中裂纹的影响。主要从两个方面来进行研究：微球的表面吸湿改性及改变衬底的吸湿性。利用乳液聚合法获得了单分散性好的、不同粒径的聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸共聚微球。系统地考察了软硬单体配比、丙烯酸用量、乳化剂和引发剂的用量对微球的粒径和形态的影响。利用垂直生长法生长聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸Poly（St-BA-AA）微球薄膜，通过改变外界湿度条件，测得薄膜的反射光谱，得到Poly（St-BA-AA）的吸湿性结论。同时结合测得的微球的傅里叶变换红外光谱，即FITR谱图结果，得出聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸共聚微球的特殊性能以及新的应用前景。 本文还从改变衬底的吸湿性出发，提出通过利用微球的吸湿特性来采用与胶体微球“同胀同缩”衬底来影响裂纹的形成的原理，制备了一系列的吸湿性材料及其薄膜，包括聚丙烯酸钠薄膜、含聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和高吸水树脂薄膜、含双丙酮丙烯酰胺（DAAM）的水性涂料薄膜、含DAAM苯丙乳液薄膜。讨论了这些材料的吸水性能及成膜性能的影响因素。然后，以含DAAM的水性涂料薄膜及含DAAM苯丙乳液薄膜作为衬底，控制生长环境温度为55℃、相对湿度为30%，利用垂直生长法制备聚苯乙烯（PS）胶体晶体。利用光镜照片分析了吸水性衬底对薄膜裂纹情况的影响，从机理上分析了裂纹产生的原因，同时这种方法还为系统地研究吸水性衬底对胶体晶体生长过程中产生的裂纹的影响提供了新的思路。

气相爆轰波马赫反射的实验和数值研究

爆燃和爆轰是自然界中普遍存在的两种自然现象。在一定条件下爆燃完成向爆轰的转变，爆轰形成以后会出现典型的胞格结构，在爆轰波传播过程中遇到障碍物时会发生马赫反射。对这些现象的理论和实验研究在工程和科学上都有着重大的意义。在本文的实验研究中，采用爆轰激波管和烟熏膜技术对可燃气体DDT过程及爆轰波马赫反射问题进行了研究。在不同初压和楔角的情况下进行了系统的实验，得到了清晰的胞格结构图象和三波点轨迹图象。在本文的数值模拟中采用了简化的二阶段化学反应模型，整个化学反应过程被分为两个阶段：诱导反应阶段和放热反应阶段。该模型采用两个无量纲参数α和β来表示化学反应的进程。初始时刻两个参数值都为1，诱导反应开始时α的值由1逐渐减小到0，进入放热反应阶段β的值逐渐减小直到化学反应达到平衡。本文采用了全新的数值方法CE／SE对可燃气体的DDT过程和爆轰波马赫反射问题进行了数值模拟。CE／SE方法是一种在概念和方法上都和以往不同的数值方法。该方法具有构造简单、分辨率高等优点，同时格式保证了在局部和全局均满足时空意义上的守恒律。本文的研究结果表明：爆轰波遇到楔面会发生类似冲击波的正规反射和马赫反射现象。在不同楔角和初压条件下，反射前后爆轰波的胞格尺寸、形状等性质都会有明显的差别。同时三波点迹线与楔面的夹角也会有相应的变化。这些结果对于深入理解可燃气体的DDT过程和爆轰波的马赫反应射机理有重要价值。最后需要提出的是我们把全新的CE／SE方法推广到带有化学反应的流动计算中，计算结果表明这种推广是成功的。

低渗油田“层内爆炸”增产技术的小尺度模拟实验研究

本文是关于低渗油田增产技术的室内模拟实验研究的论文。我们对井内爆炸采油、核爆采油和高能气体压裂进行全面调研以后，吸取了井内爆炸采油的教训，借鉴了高能气体压裂的成功经验，提出了低渗油田“层内爆炸”增产技术。该技术是利用水力压裂技术的现有设备，将适当的炸药压入岩石裂缝，再用适当的方法起爆，从而在岩石裂缝周围产生大量裂缝，在不会对储层产生不利影响也不会毁坏井筒的前提下，达到提高采取收率并增产油气的目的。首先，建立了圆管点火实验装置、小尺度模拟实验装置和平板点火实验装置；然后利用实验装置进行了“层内爆炸”用特种火药和特种炸药配方的探索。通过实验我们至少找到了一种“层内爆炸”用药品的配方，并且在小尺度模拟实验装置中实现了“层内爆炸”基本过程的模拟实验，从而证实“层内爆炸”思路正确，原理上可行。接着，建立了爆燃推进的模型，并在恒稳推进和不可压缩简化条件下得到几组算例，这些解在物理上是合理的。通过计算我们得知爆燃恒温推进的条件是苛刻的，需要多个参数的匹配。通过本人硕士论文的工作，证实了低渗油田“层内爆炸”增产技术在原理上的可行性。但因为“层内爆炸”过程中牵涉到多个特征尺度，因此并不能从小尺度向大尺度简单地推广，下一步工作是建立中大尺度模拟实验装置，考察在中大尺度条件下“层内爆炸”的可行性，为现场实际应用作充分的实验准备。

非均质材料损伤破坏的数值模拟软件开发及强韧化机理研究

本文针对平面链网模型与空间链网模型，发展了模拟非均质材料的数值软件，旨在分析材料的损伤破坏特征，寻找材料细观结构同宏观力学行为之间的相互联系，探讨材料强韧化机理以及评估材料的力学性能。采用可视化技术设计的具有交互式功能的图象用户界面，能根据具体材料对象构造特定材料模型来分析其力学行为与服役能力。初步结果表明，无论是材料弹性阶段的性质还是损伤演化阶段材料中裂纹的萌生、扩展、汇集和材料的最终失效等现象都与已有的理论结果及试验结果符合得很好。另外，本文还对材料的强韧化机理作了探索。

线性压电材料的有限元分析

本文利用线性压电学理论，编制了线性压电材料四结点等参有限元程序，进行了校核，并对PZT-5A材料压电智能元件和压电材料标准断裂试进行了计算，计算包括：①采用实际工程应用的压电智能元件尺寸，计算了元件的压电响应；并针对元件内部电极尖端区域容易引起破坏的现象，计算了该区域的奇异应力、应变场及电场。②计算了加力和加电两种情况下压电材料标准断裂试件应力强度因子影响系数F_I和电位移强度因子影响系数F_D。裂纹面边界条件采用D-P条件，试件包括紧凑拉伸标准试件和三点弯曲标准试件。③应用Lagrange乘子法将Parton裂纹边界条件加于有限元程序中，计算了上述两种标准断裂试件的F_I和F_D，计算结果与采用D-P裂纹边界条件的计算结果有很大差异。