论文代写

高壓脈沖液中放電混凝土破碎仿真分析

發布時間:2021-08-24 21:10 論文編輯:vicky
筆者認為在適宜的孔間距、邊(端)距條件下,在混凝土梁段承受沖擊荷載初期,在炮孔周圍出現范圍較小的環向壓應力波,此時,炮孔周圍尚未形成裂縫;隨著應力波向孔外擴展,炮孔周圍開始出現微小裂縫,但相鄰兩孔間應力波并未相交,應力波進一步擴展,相鄰兩孔間應力波相交,在應力波相交處,形成方向垂直于兩孔間連線的拉應力,以炮孔為中心的裂縫向四周進一步延伸,應力波相交處形成的拉應力達到混凝土梁段抗拉強度,混凝土梁段即將開裂,但此兩炮孔間裂縫并未連通,隨后,兩孔間出現縱向裂縫,且以炮孔為中心的裂縫基本延伸至混凝土梁段外側邊緣,相鄰兩炮孔裂縫進一步延伸至連通,以炮孔為中心向外延伸的橫向裂縫也延伸至混凝土梁段外邊緣,整個梁段被切分為若干碎塊,從而達到破碎效果。

第1章 緒論

1.1   課題來源及意義
高壓脈沖放電技術是一項新興技術,不僅在國防領域發揮著重要作用,在民用工業等領域也得到了迅猛發展。我國目前的建筑面積已經達到了近 600 億平方米,隨著經濟的發展,城市化的進程加快,每年新建和拆除的面積也在持續增加,我國每年城鎮建筑竣工約 20 億平方米,而每年約有 4.6 億平方米建筑將要面臨著拆除重建[1]。隨著人們對社會需求的改變,工程拆除的需求也將日益增大。人工拆除、機械拆除和爆破拆除是目前應用較多的拆除方式,其具體優缺點如下所示:
(1)人工拆除。人工拆除法主要是工人使用工具將建筑物或構筑物拆除、解體、破碎。拆除施工耗時長,易受天氣影響,拆除速度慢,且拆除操作需大量勞動力,高空作業還伴隨一定的危險性。因此,人工拆除的安全程度較低,適用于拆除施工現場較小的情況。
(2)機械拆除。這種方法是利用挖掘機、鶴嘴鋤、重錘等施工機械對建筑物進行解體。機械拆除方法比人工拆除效率高,作業時間短,不需要人員直接與作業現場聯系,安全性相對較好,但對場地要求較高,如道路寬度等。機械拆除對材料破壞較大,部分建筑材料無法進行回收利用。同時伴有揚塵和噪聲等環境污染[2]。
(3)爆破拆除。炸藥爆炸產生的沖擊荷載作用在混凝土結構上,使得混凝土內部產生拉應力,從而達到破碎建筑物的方法。可對爆破拆除的范圍、能量的大小進行控制,對可再利用的拆除物資損傷較大,揚塵較多[3]。爆破方法往往不能徹底的拆除,還需后續的人工或機械進一步施工。
高壓脈沖破碎技術在機械、建筑、冶金、開礦、化學、醫學、輕工業等工程領域中應用較廣,油層解堵、土體壓實、巖石破碎、體內碎石領域中高壓脈沖放電技術所發揮的效果顯著,該技術的主要特點包括以下幾點:
綠色環保。不同于機械、爆破等傳統破碎技術,高壓脈沖放電破碎技術噪音小、揚塵少、安全性高,比其他方法更適于密集型建筑物群拆除工作。
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1.2 國內外研究現狀及分析
1.2.1 國外研究狀況
1938 年,前蘇聯科學家 Л·А·尤特金[4]最先提出并開始研究在液體介質中高壓火花放電區域內的變化規律,為了提高沖擊波對物體產生的機械能,尤特金減小氣體和蒸汽層厚度,縮短放電持續時間,提高單個脈沖功率。實驗表明,脈沖電流越短,其波前越陡,幅值越高,則液電沖擊越短越強,其爆炸作用越劇烈,與此相反,脈沖電流越長,幅值越低,則液電沖擊越長,其破壞作用越弱。
1944 年,道克勞夫斯基提出了利用電容器將低功率電能儲存起來,當儲存達到某一值時,通過電容器對液體中放電,將高功率電能釋放出來,可在液體中形成沖擊波源。Л·А·尤特金通過了大量的實驗和理論研究,將液中放電現象稱為液電效應。通過電極將高功率電能釋放到液體介質中進行放電,電極之間的液體介質能量快速集聚,從而發生多種復雜的物理變化和化學變化。
20 世紀 70 年代,蘇聯的托木斯克理工大學[5]發現高壓脈沖放電產生的沖擊波可以擊穿巖石、混凝土等材料,受到莫斯科科學院高度重視,并進行科研研究,同時托木斯克理工大學將液電效應引入到油田開采工作,并取得較好的應用效果。
1986 年,B.M.  Hawrylewicz 等人[6]通過將高壓電瞬間導入到水中的實驗,發現了巖石在水中電裂的變化過程,在將水中通入高壓電的過程中可以產生的非常高的壓力,為破碎或分裂巖石創造了機會,實驗中為了削弱巖石的抗張強度并實現均勻定向劈裂,在測試樣品中鉆取的孔周圍開有缺口,對缺口的影響進行了理論分析,并與實驗數據進行了比較。
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第2章 高壓脈沖放電混凝土破碎基本理論

2.1 高壓脈沖放電破碎方法
脈沖放電破碎方法具有綠色環保等優勢,吸引了大量學者的關注,其中俄羅斯學者在脈沖破碎放電方面的研究較為深入,我國對于高壓脈沖放電的研究尚處在初步研究的階段。熔絲爆炸、液電效應和直接放電是脈沖放電的三種主要方式[30]。
2.1.1 熔絲爆破技術
圖 2-1  熔絲爆炸破碎結構
圖 2-1  熔絲爆炸破碎結構
如圖 2-1 所示為熔絲爆炸破碎結構[31]。準備進行爆破作業時,先將巖體進行鉆孔再將鉆頭放入,金屬熔絲纏繞在鉆頭底部,鉆頭通過導線連接電源,當通入高壓電時,熔絲在高壓作用下溫度升高變為等離子體,在孔內瞬間膨脹,將巖體破碎,該方法對于爆炸所需的熔絲消耗較大,難以實現在規模較大工程中快速多次的重復爆破,而且需要一定的孔徑提供爆炸所需的空間,因而對于應用熔絲爆破的研究目前較少[32]。
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2.2 高壓脈沖放電引起的沖擊壓力
高壓脈沖放電是一種新興的巖石破碎技術。高壓脈沖放電過程首先是通過電容器進行電能儲存,通道擊穿后,電容器向水中放電的電流可達幾十 kA 至幾百 kA[38]。由于通道中形成弧形的等離子體通道,通道內溫度快速升高,水中有氣泡產生,氣泡膨脹,沖擊波以沖擊壓力的形式作用到混凝土結構上,將電能最終轉化成機械能[39]。該高壓脈沖所釋放的沖擊波以球形向外輻射,在混凝土內部產生拉應力,當其超過最大抗拉強度時,結構開始產生裂縫。
2.2.1 沖擊壓力發展過程
先導和流注。高壓脈沖放電同時伴隨著先導和流注的產生,先導或流注的現象發生在預擊穿階段[40]。在氣體放電過程中,一般要經歷電子雪崩、流注、先導、主放電等四個階段[41]。放電過程中形成的等離子體是物體的第四態,是原子被激發后形成的電子與離子的混合物,共同組成等離子通道[42]。
水激波。通過電容器將低功率電能儲存起來,通過電極在水中進行放電,在高電流作用下,水中形成了大量高溫高壓等離子體[43]。高溫高壓下放電通道向外迅速擴張,再由于水介質的壓縮性很小,使得形成的水激波向外擴張。
氣泡脈動。將高功率電能通過電極導入水中時,電極周圍水分子汽化并伴有少量空氣摻入[44],隨后,氣泡不斷膨脹,達到某一值時,氣泡開始收縮,以此反復數次,在大氣壓強作用下達到平衡狀態,使混凝土構件被震裂[45]。
圖 3-1 LS_DYNA動力學分析流程圖
圖 3-1 LS_DYNA動力學分析流程圖
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第 3 章 基于 ANSYS/LS_DYNA 的混凝土構件非線性動力分析模型 ..................... 16
3.1 ANSYS/LS_DYNA 軟件 ....................................... 16
3.1.1 ANSYS/LS_DYNA 軟件介紹 .......................................... 16
3.1.2 ANSYS/LS_DYNA 基本求解過程 ................................ 16
第 4 章 仿真結果分析及施工建議 ............................. 25
4.1  混凝土試件模型.................................. 25
4.1.1  模型建立 ...................................... 25
4.1.2  單排鉆孔布置 ............................. 26
結論與展望 ............................................... 42

第4章 仿真結果分析及施工建議


4.1 混凝土試件模型
4.1.1 模型建立
對混凝土梁及混凝土柱沿縱向布置的炮孔,兩孔間的裂縫開展由仿真模型中的兩個孔進行模擬,對混凝土板縱橫兩方向相鄰兩炮孔間的裂縫開展情況簡化為四個炮孔進行模擬,以孔徑 50mm 孔間距 400mm 截面尺寸 600mm×800mm的混凝土梁為例,沿縱向布置的單排炮孔如圖 4-1 a)所示模型進行模擬;沿縱向布置的雙排炮孔如圖 4-1 b)所示模型進行模擬;沿縱向布置的三排炮孔如圖 4-1 c)所示模型進行模擬,沿混凝土梁頂面垂直向下鉆孔孔深取為梁高的三分之二,其剖面圖如圖 4-1 d)所示,鉆孔中液體通過流固耦合的方法進行耦合計算[75]。
圖 4-1  模型示意圖
圖 4-1  模型示意圖
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結論與展望

結論
本文應用仿真軟件 ANSYS/LS_DYNA 對高壓脈沖放電碎石技術進行深入數值模擬分析,得出主要結論如下:
1.  混凝土梁、板、柱構件統一選擇 50mm 孔徑,邊(端)距 250mm,孔間距 400mm,孔排距 400mm 為最優方案。相同間距下隨著孔徑的增大,破碎效果越來越好,對于 30mm、50mm、70mm 孔徑,當孔間距為 400mm 時裂縫均連通,同時考慮到施工效率的影響、施工工具的限制以及破碎效果,優選孔徑為50mm。因此孔徑達到 50mm 孔間距達到 400mm 時,混凝土梁、板、柱鉆孔間及鉆孔到混凝土外邊緣裂縫均連通,達到破碎效果。
2.對于混凝土梁,當梁寬小于等于 500mm 時采用單排布孔形式,當梁寬在500mm~900mm 之間時采用雙排布孔形式,當梁寬在 900mm~1300mm 之間時采用三排布孔形式,當梁寬在 1300mm~1700mm 之間時采用四排布孔形式。
3.對于混凝土板選取孔間距與孔排距均為 400mm,經模擬分析計算可達到預期破碎效果。
4. 對 于 常 規 尺 寸 下 的 混 凝 土 柱 , 當 截 面 尺 寸 為 400mm×400mm 、500mm×500mm 時,混凝土破碎效果較好,當截面尺寸大于 500mm×500mm 時,裂縫未延伸到混凝土外邊緣處,需進行多排孔布置。
參考文獻(略)
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