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关键词： 深井   矸石-聚合物胶凝充填材料   充填开采   地表沉陷   充填系统设计  

摘要： 充填开采可有效解决因“三下”开采引起的地表沉陷等环境问题,是煤矿绿色开采的重要技术途径。充填材料及其力学性能对煤矿高效生产有着重要影响,是行业关注的热点问题之一。本文将矸石、天然砂、硅酸盐水泥、聚丙烯酸酯乳液和水混合搅拌制备矸石-聚合物胶凝充填材料,结合新巨龙矿1303N-1充填工作面地质条件,综合运用现场实测、实验室实验、理论分析、数值模拟等方法,研究了矸石聚合物的物理力学特性,分析了充填开采地表沉陷下沉特征,以地表允许的移动变形量为约束条件,确定了合适的矸石聚合物材料配比,并初步设计了采用该材料进行充填开采时的充填系统。主要研究成果如下:（1）获得了新巨龙煤矿掘进矸石破碎后针片状颗粒含量和粒径级配特征,明确了采用矸石、天然砂、硅酸盐水泥、聚丙烯酸酯乳液和水等制备矸石-聚合物胶凝材料料浆的合理配比,测定了矸石-聚合物胶凝充填材料料浆塌落度范围（180～210mm）和初凝、终凝时间范围（分别为90～120min、180～200min）,明确了矸石-聚合物胶凝材料因配比变化引起其微观结构表面Si O2晶体量的差异性。（2）测定了龄期、矸石粒径、水胶比、砂胶比、聚灰比等的改变引起（共12组配比、216个试件）材料试件抗压、抗拉和抗剪强度变化的规律:养护时间3d、7d、28d内,养护时间越长,矸石-聚合物强度越大;在粒径级配范围内,粒径越大,矸石-聚合物强度越高;当水胶比为0.5时,固结体强度最大;砂胶比大于2:1时,矸石-聚合物强度反而降低;最佳的聚灰比为0.25～0.3。龄期越短,潮湿环境条件对试件耐久性的降低影响越明显。（3）结合矸石-聚合物胶凝充填材料的力学性能和充填工作面“基岩薄,厚冲积层”的地质特征,基于弹性地基梁理论,分析了充填材料强度与地表移动变形的定量关系,通过数值模拟确定了有效控制地表移动变形时的充填体强度、充填率等主要参数值,并以此为约束条件明确了合理的配比范围为:矸石粒径为10～13.2mm,水灰比为0.5,砂胶比为2:1,聚灰比为0.25～0.3。（4）基于上述研究提出了充填系统设计原则,初步构建了以材料制备系统、充填系统、监测监控系统为主要组成的矸石-聚合物胶凝充填材料充填系统,确定了料浆管道输送的流速、管径等参数,结合工作面生产条件,明确了主要硐室的布置方式与合理的断面尺寸。研究成果可为新巨龙煤矿充填开采提供参考。本篇论文有图56幅,表12个,参考文献115篇

关键词： 氧化石墨烯   粉煤灰   水泥基注浆材料   分子动力学模拟   破碎岩石  

摘要： 水泥基注浆材料的力学性能及其流动性是影响岩石工程中破碎岩石加固效果的关键因素,对维护破碎围岩体的结构稳定性至关重要。然而,目前对水泥基注浆材料强度与流动性之间关系的研究并不完善。为此,本文首先通过试验研究了氧化石墨烯-粉煤灰改性水泥基注浆材料的力学性能和流动性能;其次,结合分子动力学模拟手段,揭示了氧化石墨烯对水泥基注浆材料的增延机理;然后通过实验得出改性水泥基注浆材料的最佳配比,并将其对破碎岩石注浆加固后的力学性能进行分析。获得的主要结论如下:(1)采用场发射电子显微镜和压汞法同时结合力学试验,研究了氧化石墨烯-粉煤灰改性水泥基注浆材料的力学强度和微观结构特征。结果表明:氧化石墨烯改变了水化产物的形貌,降低了水泥基注浆材料的孔隙率,增强了水泥基注浆材料的抗压、抗拉和剪切强度;而粉煤灰的存在,弥补了氧化石墨烯对注浆材料流动性带来的影响,使得浆体具有更出色的流动性能的同时,节约了水泥材料的用量;通过试验得出两者最佳比例,即粉煤灰结合0.08 wt.%的氧化石墨烯去代替20%的水泥材料,在不影响注浆材料力学性能的条件下,不仅降低了水泥材料的用量,提高了粉煤灰废渣的利用率,而且增强了浆体的流动性。(2)建立了含氧化石墨烯的水泥基注浆材料微观分子模型,在原子尺度上研究了氧化石墨烯对C-S-H凝胶在微观拉伸作用下力学行为的影响,阐述了延迟材料断裂失效和增强材料的延展性的机理。模拟结果显示,氧化石墨烯的存在大大提高材料的延展性,在结构断裂处起桥接作用的氧化石墨烯对材料的延展性起决定作用。由于桥接氧化石墨烯的存在,使得材料结构断裂所需的能量增加和外界对系统做功增大;相反未桥接的氧化石墨烯却使二者减小,桥接的氧化石墨烯数量对模型断裂能有较大影响。(3)采用最佳的氧化石墨烯-粉煤灰掺加比例改性水泥基注浆材料,将其加固破碎岩石,分析了改性注浆材料对加固破碎岩石的力学性能。研究发现:氧化石墨烯-粉煤灰改性水泥基注浆材料中氧化石墨烯的存在不仅提高了破碎岩石的抗压强度和弹性模量,而且降低了试样在初始压密阶段的声发射计数和幅值,有效抑制了荷载作用下试样微裂纹的产生与扩展,使试样在破坏时仍保持了较好的完整性,提高了韧性;而从破裂面微观形貌和分形特征上看,氧化石墨烯的存在使得破裂面结构保持较好的完整性,降低了破裂面的分形盒维数,即降低了破裂面损伤劣化的程度,提高了试样抵抗荷载的能力。该论文有图53幅,表21个,参考文献129篇

关键词： 点阵材料   激光选区熔化技术   Ti6Al4V合金   后处理   力学性能  

摘要： 点阵材料是如金属晶胞周期性排列的一种具有严格孔隙率和孔径约束的新型多孔材料,拥有轻质高强的特点以及优异的功能特性,被认为是最有应用潜力的结构-功能一体化材料。由于其包含数量众多且复杂的孔结构单元,使用传统制造技术难以精确制备。采用金属粉床增材制造技术,如激光选区熔化（Selectivelasermelting,SLM）技术,给传统制造技术赋能,可精确控制具有复杂内部孔结构（包括孔结构大小、形态与分布）点阵材料的快速成形,尤其适合个性化制备广泛应用于生物植入领域的Ti6A14V合金点阵材料。然而,SLM技术成形Ti6A14V合金点阵材料存在显微组织紊乱与表面粘附粉末等问题,制约了其进一步应用。本文针对以上难题开展了相关研究:首先,以F2CCZ结构（具有垂直支柱的面心立方结构）为研究对象,采用数值分析与实验研究相结合的方法探究SLM技术成形不同长径比Ti6A14V合金点阵材料的力学性能;随后,根据载荷环境对F2CCZ结构进行优化,为低密度高强度点阵结构的设计奠定基础;最后,采用不同后处理方式对其显微组织与表面状态进行综合调控。主要结果如下:（1）采用梁单元分析法,解析了 F2CCZ结构在外加载荷条件下的力学特性,并建立了杆件长径比与弹性模量和屈服强度之间的本构关系。（2）确立了 SLM技术成形点阵材料的支柱直径是其与设计模型之间误差来源的首要因素:随着支柱直径的减小,其尺寸误差随之增大;其次,当支柱直径一定时,随着长径比的减小,其尺寸误差亦会增大。（3）点阵材料的压缩与拉伸强度均随着长径比的减小而增加;优化结构的压缩强度较原始结构增加了 295.81%,而密度仅增加了 79.21%。（4）SLM技术成形点阵材料的显微组织是由含有高密度位错的针状α'马氏体组成,其高密度位错对强度贡献的占比可达29.73%;经双重固溶+时效热处理后其显微组织由针状α'马氏体（宽度<1 μm）转变为α+β片层组织,且存在多尺度的α板条（宽度为:400 nm-10μm）与β纳米颗粒,可同步提高点阵材料的强度与韧性。（5）预化学抛光微弧氧化双重表面改性技术在去除点阵材料表面粘附粉末、改善延性的同时还保证了其承载能力,其中预化学抛光微弧氧化处理5min时试样的比强度甚至高于未处理试样,达到了 134.65 MPa/（g/cm3）。

关键词： 机织复合材料   剪切预变形   渗透率   拉伸性能   压缩性能   低速冲击  

摘要： 先进航空发动机风扇叶片的复合材料化已经成为趋势,三维角联锁机织复合材料由于其具备高比刚度、高比强度、出色的抗冲击性能、良好的抗疲劳性能以及优异的结构可设计性等优势,成为航空发动机风扇叶片优选材料之一。由于叶片具有复杂的弯扭耦合形态,难以直接通过机织成型工艺织造出满足外形要求的三维角联锁机织物。因此,在其固化成型之前需多次加载来改变其外形使其达到要求。而多次加载会引起其力学性能发生改变,但由于这些改变引起其力学性能改变问题的复杂性,其改变机理或原因到目前为止还没有给出。因此,本文提出通过多次加载使三维角联锁机织物产生拉伸与剪切预变形,以实现目标构型复杂外形方面的要求,进而本文先后开展了三维角联锁机织物的拉伸和剪切预变形行为、剪切预变形对织物渗透率的影响规律以及剪切预变形对其固化件力学性能影响等方面的研究工作。首先,对三维角联锁机织物在多次单轴拉伸和多次相框剪切载荷作用下的变形行为进行了测试分析,对比分析了三维角联锁机织物的拉伸预变形行为和剪切预变形行为。进而为了便于其固化成型,分析研究了剪切预变形对三维角联锁机织物渗透率的影响规律。进一步结合实验测试结果,模拟分析了含几种典型剪切角的三维角联锁机织物的渗透率,验证了仿真模型的正确性。基于实验结果给出了三维角联锁织物在剪切变形下渗透率的经验公式,其预测结果与实验结果吻合较好。其次,设计并制备了不含剪切预变形和含剪切预变形(20?剪切角)两种不同的三维角联锁机织复合材料板。针对这两种复合材料板开展了准静态载荷下的单轴拉伸实验和单轴压缩实验,分析了剪切预变形对三维角联锁机织复合材料经向刚度和强度的影响。同时根据试样破坏后的宏观、微观形貌,讨论了剪切预变形对三维角联锁机织复合材料的静态破坏模式的影响。并且结合三维数字散斑应变测量系统(DIC)获得的应变场分析了破坏过程,揭示了剪切预变形对三维角联锁机织复合材料破坏机制的影响规律。再次,建立了考虑剪切预变形的三维角联锁机织复合材料非正交单胞模型,并施加周期性边界条件,以抛物线屈服准则作为基体的破坏准则,Puck准则作为纤维束的破坏准则,编写了可与ABAQUS联合使用的VUMAT子程序。采用数值模拟方法分析了三维角联锁机织复合材料在经向拉伸和压缩载荷作用下的刚度和强度,通过与实验结果对比分析,验证了有限元分析模型的正确性。进而利用该有限元模型研究了三维角联锁机织复合材料经向刚度和强度以及纬向刚度和强度随剪切预变形角度的变化规律。最后,对剪切预变形对三维角联锁机织复合材料抗冲击特性的影响进行了研究。开展了不含剪切预变形和含剪切预变形(20?剪切角)两种类型的三维角联锁机织复合材料板的落锤冲击实验,分析了剪切预变形对两种类型试件的初始刚度、最大冲击接触力和能量吸收率影响。通过观测试件表面冲击形貌分析了剪切预变形对损伤扩展方向和试件冲击面凹痕深度的影响。进一步建立了考虑损伤耗能的理论分析模型,预测的最大冲击接触力变化趋势与实验结果一致。

关键词： 弹性材料   材料力学  

ISBN: (纸本)9787030692955

摘要： 本书结合轻质新颖结构分析与设计前沿需求，利用固体力学基础分析方法，系统介绍了拉胀固体的弹性行为、应力集中、断裂、破坏、疲劳、接触与压痕、热应力、弹性稳定性、振动，以及弹性波在其中的传播、透射和反射；细述了典型拉胀梁、柱、盘、球体、平板及壳的力学行为与特性；分析了拉胀固体的剪切变形；讨论了半拉胀固体和拉胀复合材料的力学性能等，为拉胀类功能化新颖超材料或超结构的设计及工程应用提供了理论与分析方法参考。 本书可供铁路、航空、航天、汽车、机械、材料领域的高年级本科生、研究生、教师及相关从业人员使用。

关键词： 材料力学   塑性材料   组合变形   纵横弯曲  

摘要： 材料力学教材中讲解了四种基本变形和包含两种基本变形的组合变形。杆件受轴向压力可能发生压缩和失稳两种变形。材料力学的研究对象是杆件,刚度较小的杆件受轴向压力作用产生的弯矩将干扰横向力产生的弯曲变形强度,因此,本文列举一个简单的例子分析包含纵横弯曲的组合变形问题,为塑性材料工程应用提供一个理论校核方法。

关键词： MDSolids   轴向拉伸   梁的内力   应力状态   压杆稳定  

摘要： 针对材料力学课程概念较多、内容抽象的特点,通过几个典型例题详细介绍了MDSolids软件在材料力学教学中的应用。教学实践表明,MDSolids以其强大的可视化功能,能够有效地提高材料力学的教学效果。

关键词： 充填开采   充填材料   膨胀剂   抗压强度  

摘要： 为了推动膨胀剂材料在充填开采中的应用,针对目前我国煤矿矿井常采用的2种充填材料膨胀剂,本文对膨胀剂开展了胶结充填体强度试验研究。首先进行3种充填骨料、2种膨胀剂以及固定料浆浓度为76%的试验方案进行设计。然后对充填骨料添加不同质量的膨胀剂,并对不同膨胀剂浓度的胶结体进行强度试验,获得了不同配比下胶结充填体的强度。最后,根据膨胀剂对充填材料强度和固结性影响,对比分析了2种膨胀剂。结果显示,CaO、MgO充填体强度均能满足我国大部分矿山充填体设计强度。由此可见,新型膨胀剂充填材料可以替代早期水泥骨料类充填材料,能在煤矿矿井推广应用。

关键词： 材料力学   有限元分析   ANSYS  

摘要： 本文采用有限元分析软件ANSYS建模,分析了矩形截面简支梁在集中力、集中力偶和均布载荷三种载荷作用下的应力分布特点。仿真结果与理论分析相符,可以在《材料力学》理论及实验教学中起到有效的补充作用。