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            基于3D打印技術的巖體復雜結構與應力場的可視化方法

            2016-7-4 01:27| 發布者: admin| 查看: 868| 評論: 0

            摘要:   準確表征與直觀顯示固體復雜的內部結構與應力場是眾多工程技術領域內科學家和工程師長期追求的目標, 也是解決諸多工程實際問題的基礎和關鍵. 例如, 石油、天然氣和礦業工程領域中, 高效安全地開采儲層中的石油、 ...
              準確表征與直觀顯示固體復雜的內部結構與應力場是眾多工程技術領域內科學家和工程師長期追求的目標,  也是解決諸多工程實際問題的基礎和關鍵.  例如,  石油、天然氣和礦業工程領域中,  高效安全地開采儲層中的石油、天然氣、煤層氣和礦物資源依賴于對地下儲層結構及地應力場的準確認知與科學描述地質與環境工程領域中,  解決廢棄物地質處置、CO2地質封存、地熱利用、水資源保護、有害溶質的運移和擴散等重要問題取決于對地質結構及地應力環境的準確把握[6~11];

                土木與水電工程領域中,  壩基、庫岸邊坡和地下硐室圍巖的穩定問題與地下巖體結構及圍巖應力場的分布演化規律密切相關[12~15];  機械與制造工程領域中 ,  評估與預測復雜工件的機械性能、安全性及使用壽命需要準確地掌握和表征工件的復雜結構、內部缺陷、裂紋擴展和應力場變化規律[16~19].  然而 ,  實現上述目標面臨眾多困難與挑戰,  其中一個關鍵難題是,  對絕大多數工程而言,  所關注的工程對象的復雜結構、應力場以及對其表觀現象起控制作用的內部物理力學過程“看不見、摸不測遙遠的未知星球,  甚至可能更高.

                這已成為制約相關工程技術與基礎理論取得突破的瓶頸.實際上,  地下巖體介質的內部結構與應力場分析的問題,  人們已開展了大量研究,  但主要集中在通過各種實驗和分析手段獲取工程所需要的巖體物理力學性質,  并根據這些性質的變化來間接地反映介質內部結構特征及其影響[20~25].  由于理論建模與計算的困難,  以及無法直觀準確地顯示和定量表征巖體介質的內部結構以及對表觀物理力學行為起控制作用的內稟機制,  如巖石孔隙/裂隙的空間形態、孔隙連通狀態、毛細管壓力、孔壁應力分布、裂隙起裂、分叉和匯聚機制、裂隙尖端應力特征、流體滲流、孔隙或裂隙結構對滲流機制的影響、滲流與應力相互作用等,  人們難以準確地把握巖體復雜多變物理力學行為的內在規律與實質,  因而不得不面對依據有限采樣樣本獲得的巖體物理力學性質離散性大、適用性差、難以準確預測的尷尬局面,  每次工程建設都要依賴于大量采樣樣本的測試結果,  周期長、花費高且難以廣泛應用.值得重視的是,  數值模擬為人們開辟了一條直觀顯示和定量分析巖體復雜結構與內在物理力學過程的途徑,  由于具有定量、直觀、可控、可重復、可預測和低成本等優勢,  數值模擬已發展成為解決實驗或理論方法無法克服的難題的有力工具[26~31].

                然而,  由于計算模型簡化造成的幾何模型與巖體真實結構之間的偏差、網格覆蓋模式、單元接觸與分離、求解算法、材料參數選取、本構關系確定、計算規模與效率等一系列問題未得到圓滿解決,  特別是計算結果難以得到實驗或現場驗證,  以及巖體復雜結構與物理力學行為的數值分析引發了大量的爭議或質疑.  如何構建準確反映巖體真實結構的計算模型、解決模擬計算中的關鍵問題和有效地驗證數值計算結果成為推動地下深部巖體物理力學行為數值分析方法發展的關鍵.近年來,  CT 成像成為獲取和識別固體復雜內部組成與結構信息的有力工具[32~35],  人們利用 CT 成像以及數字重構算法建立了表征巖石真實結構的 3D 數字模型[36~41],  使利用數值模擬手段定量研究地下巖體介質復雜的內部結構、應力場、能量場、滲流場及相關內稟機制成為可能[42~48].  這些是以往實驗室宏觀實驗或現場實驗所難以實現的.

                盡管如此,  如何實驗驗證基于三維重構模型的巖體物理或力學性質數值分析的準確性與可靠性仍是世界范圍內科學家面臨的重大挑戰.應力凍結技術是定量分析復雜固體三向應力場的有效方法,  它利用光彈材料的應力凍結特性,  即升溫環境下外載所引起的應力等差線或等傾線條紋在溫度恢復室溫時可以被“凍結”記錄下來的性質,  通過 光 測 實 驗 提 取 和 分 析 空 間 中 任 一 點 的 應 力 狀態[49~51].  隨著光測力學實驗技術的發展 ,  固體三維應力凍結法在光彈材料性質、模型制備、三向光測理論、條紋拾取與分辨分析、自由表面應力測定等方面取得較大的發展[52~55],  成為直觀和定量分析固體結構復雜應力場的方便、經濟和有效的途徑.  然而,  三維光彈分析中傳統的模型制備方法,  主要是通過制作模具后澆注成型,  再輔以手工或機加工進行修整.這不僅需要解決許多鑄型工藝難題,  而且模具費用高、制備周期長.

               更重要的是,  對于復雜的固體結構,利用傳統方法制作三維光彈模型時,  不得不省略那些復雜的局部特征,  導致在應力或變形分析中出現失真.  特別是對于固體內嵌復雜結構,  傳統方法難以制備.  例如,  內部含有孔隙或裂隙的地下巖體介質(如圖 1 和 2 所示),  現有方法和技術難以制備其光彈性模型.  這已成為無法通過三維應力凍結法直觀顯示復雜固體結構內部應力場以及驗證其數值分析可靠性的瓶頸難題.近年發展起來的 3D 成型(也稱 3D 打印)技術使得快速制作復雜三維固體模型成為現實.  這項技術以數字模型文件為基礎,  采用粉末狀(或液態)光敏樹脂、陶瓷或金屬材料,  利用激光快速固化技術,  逐層噴涂(類似傳統激光打印)堆疊累積的方式來構造三維固體[56~60].



               目前該技術已迅速在工業設計、機械制造、醫療、汽車、航空航天、建筑設計與施工等領域得到應用.  就其應用的成型材料之一光敏樹脂而言,作者研究發現,  與傳統的光彈材料——環氧樹脂相比,  光敏樹脂材料具有相似的成分構成、光彈性和應力凍結特性,  這從理論上保證了利用光敏樹脂和 3D打印技術制作復雜固體結構光彈模型以及開展三維應力凍結實驗的可行性.

               因此,綜合應用 3D  打印技術和三維應力凍結法將為實現固體復雜結構與內部三維應力場的定量表征與可視化以及驗證數值模型分析的可靠性提供極具前景的發展道路.本文以采自地下 490  m 深處的天然裂隙煤巖為例,  嘗試采用三維重構、3D 成型、三維應力凍結等方法和技術,  研究煤巖體內部復雜的裂隙結構與應力場的定量表征與可視化的方法,  意在為探索地下巖體復雜的孔隙/裂隙結構、地應力及開采引發的結構演化、滲流、應力-滲流相互作用等“看不見、摸不著”的物理力學過程或機制的定量描述與可視化方法提供參考和途徑.著”,  屬于典型的“黑箱”問題.  例如,  上述一系列工程問題涉及的巖體介質,  它深埋于地下,  其內部復雜的孔隙/裂隙結構、由地應力及開采應力引發的結構演化與形變、流體滲流、應力-滲流相互作用等物理力學過程或機制,  在現有的方法和技術條件下,  難以準確地獲知與定量表征,  現場探測的技術難度大、成本高、可靠性低.  從某種程度上講,  其難度不亞于探

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