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导语：在固体力学研究方向的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
千百年来，流体力学以其广泛的适用性形成了独有的科技魅力，随着时代的不断发展，科技的不断进步，在一代又一代流体力学研究者的努力下，流体力学的世界也越发精彩。
执著之树必结黄金之果
邵传平，中国计量学院流体检测与仿真研究所研究员，多年来，由他负责的课题组主要从事钝体旋涡脱落流动控制研究。
所谓钝体旋涡脱落流动是指：当流体以一定速度流过固定的钝物体，如风掠过桥梁、电视塔、电厂冷却塔、高楼等等固体时，会在物体两侧交替地产生旋涡脱落，旋涡的交替脱落使物体表面的流体压力发生周期性变化，从而产生作用于物体的交变力。当流体动力的变化频率与物体结构的固有频率接近时，会发生共振现象，使结构遭到破坏，除此之外，旋涡脱落还会增大流体阻力，产生噪音。
那么，该如何消减旋涡脱落造成的负面影响呢？这既是海洋、土木、水利、电力、航空等领域关注的问题，也是邵传平及其课题组一直致力于研究的对象。
自1998年以来，邵传平课题组先后主持国家自然科学基金项目“法拉第波与钝体尾流稳定性研究”，“涡激振动控制与减阻减振”、“尾流控制机理与方法研究”，“流向振荡柱体尾流不稳定性的控制”等的研究，取得了一连串的科研成果。
在静止钝体旋涡脱落抑制方面，自1930年代以来，人们针对不同的工程问题，提出了不少控制方法，但是这些方法都有局限性，应用范围小。在1990年，Strykowski-Sreenivasan提出在二维钝体下游一定位置放置一个很小的圆柱，可以抑制钝体后面的旋涡脱落，有很好的减阻和减振效果。虽然在当时，这个四两拨千斤的方法在业界掀起了波澜，但是很快，就有研究表明这种方法只有在很低雷诺数（低于一百）流动情况下有效，在工程中缺少应用价值。
邵传平课题组的研究有望弥补这一不足，他们经过反复研究，选择用小窄条作为控制件，取代小圆柱，对圆柱及方柱、板（各种攻角）等钝体的旋涡脱落进行抑制实验，证明在雷诺数高至十万时对所有这些钝体都有很好的抑制效果，并对每种钝体流动情况找出了有效抑制的控制件位置区域，以便于工程应用。
在强迫振荡柱体绕流的旋涡脱落抑制方面，邵传平课题组在国内外尚无研究先例的情况下，另辟蹊径，分别采用窄条方法、尾部喷射方法和隔离板方法对高雷诺数流向振动柱体尾流进行抑制研究，取得重要进展。研究表明，尾部喷射对非锁频和每种锁频旋涡都有抑制效果，找出了每种旋涡的有效喷射速度范围;窄条对非锁频和两种锁频旋涡具有抑制效果，最高可减阻30%，减小脉动升力60%以上，找出了各种旋涡脱落下窄条的有效位置区;而隔离板方法对非锁频和一种锁频旋涡有效果，找出了隔离板的有效位置区。
旋涡抑制机理与旋涡脱落生成理论密切相关。国际上关于静止钝体旋涡脱落的生成，经历了背压吸引论，到剪切层相互作用论，再到绝对不稳定性和尾流整体失稳论，正从猜测到理论逐步深化;而关于振动柱体旋涡脱落的产生机制，目前还处于探索阶段。
对此，邵传平认为，振荡柱体绕流存在两种旋涡脱落产生机制，除了上述的绝对不稳定性机制外，还存在信号放大机制。他们研究了高雷诺数湍流尾流中涡粘性对扰动波信号的影响，定义了扰动波的涡粘系数，并用实验数据分别求出了未加控制和施加控制以后的涡粘系数在振动柱体湍流尾流中的分布情况。将涡粘系数代入扰动波发展方程（稳定性方程）并求解，得到的结果是：未加控制时扰动放大的频率区域很宽，产生旋涡脱落的机会很大;而控制以后扰动放大的频率区域很窄，产生旋涡脱落的机会很小，从而明确了振动柱体旋涡脱落的产生和抑制机理。
上述成果发表在AIAA Journal，Journal of Fluids and Structures， Journal of Fluids Engineering， Journal of Visualization， Acta Mechanica Sinica， 及《中国科学》，《力学学报》，《力学进展》等杂志上，得到国内外同行的认可。
百尺竿头须进步
十方世界是全身
以往取得的成绩非但没有使邵传平就此功成身退，这些成果反倒使他对自己的专业产生了更加浓厚的兴趣，甚至为了研究工作不受影响，2008年，他离开了中科院力学所，进入了具有新建低速风洞、低速水洞和较好配套实验仪器的的中国计量学院工作，主要从事流动控制与植物流体力学研究。最近，邵传平开展了植物空气动力学仿生方面的研究，主持国家自然科学基金项目“树叶气动特性研究”。
近年来，人们越来越意识到风灾是对树木危害最大的非人为因素，远大于森林火灾造成的损失，因此树木风灾以及树木空气动力学方面的研究在国际上越来越受到重视。为此，邵传平把握时代脉搏，申请了国家自然科学基金面上项目“树叶气动特性研究”，希望通过研究可以更加的深入的了解多种常见树叶气动特性（包括形状重构）及影响参数，寻找树叶气动失稳（突然变形、振动）的临界条件及产生原因。另一方面，也希望可以了解人造树叶的气动特性，探讨树叶气动仿生的条件。
拿到这一课题，邵传平靠的不是运气。翻开他的履历，硕士期间，他的研究方向为水动力学，从事具有自由表面的粘性绕流研究;博士期间的研究方向为风工程，在导师孙天风教授指导下，从事多钝体压力分布，尾流场测量以及流动显示研究;博士后期间他从事海洋工程与流动稳定性实验研究;在中科院力学所任副研究员期间，他从事生物流体力学、微重力流体力学，以及流动控制等方面的研究工作，先后完成3个国家自然科学基金面上项目：“法拉第波及钝体尾流不稳定性的实验与数值模拟”，“涡致振动控制方法研究”，“尾流控制机理与减阻减振”;2008年，进入中国计量学院后，他主要从事流动控制与植物流体力学研究，主持在研国家自然科学基金项目“流向振荡柱体尾流不稳定性的控制”。
这些经历，使他对这一项目研究所需要的风洞实验设备非常熟悉，积累了丰富的流体实验研究经验。项目组自2009年以来，已先期开展了树叶气动特性的风洞实验研究，取得一些新的发现，为本项目的顺利进行打下了良好基础，同时为本项目研究目标指定了方向。
在硬件设施方面，邵传平所在的中国计量学院全力支持，除标配的风洞实验设备如热线风速仪、PIV、激光多普勒测速仪，电子压力扫描阀之外，学院在今年还购买了数字图像相关位移测量仪，定做了一台测量树枝和树叶瞬时升阻力的六分力动态天平，为流动控制实验和树叶气动特性测试提供设备。同时，课题组还与一家公司合作研制了烟线发生器、氢气炮发生器，分别用于风洞和水洞的流动显示实验。
在数值模拟方面，中国计量学院流体研究所已订购最新型的曙光工作站，能够满足流固耦合计算需要。
一切准备就绪，科研活动也得以顺利展开。
自世纪年代以后, 我国筑坝水平有突飞猛进的提高, 很多水工建筑物的规模已跃居世界第一位, 一些被世界坝工权威、专家定为“ 难以克服”的技术难题也已被相继征服, 我国已成为世界坝工建设的中心。随着西部大开发的发展, 许多世界级高难度的大型和超大型水利枢纽工程已开始或着手兴建, 为学科提出了一系列迫切需要解决的问题。50多年来, 已建的水工建筑物正经历着老化过程, 部分工程已处于病险期。水工结构与材料学科面临着崭新的机遇和严峻的挑战。
二、国内外发展现状和主要成果
一国外混凝土坝研究主要进展:由于综合国力和整体科技水平上的差距, 从国际上看, 欧美、日本各国的水利水电开发程度在世纪已经达到很高的水平, 在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。当前, 在发达国家, 高坝大库的兴建已不多见, 混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。然而, 拱坝、重力坝、碾压混凝土坝这几种高混凝土坝常用坝型, 以及胶凝砾石坝都是我国从国外引进的。涉及固体力学、混凝土力学、岩石力学、土力学的动静力本构关系和数值计算方法的原创性成果大多源于欧美国家。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。目前, 发展中国家的坝工建设正方兴未艾, 这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视, 国际上已提出了碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想, 巴基斯坦待建的Basha坝向300m级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。
三、近年来国内研究主要成果述评
（2）在PostProcessor窗口空白处点击右键，在弹出的菜单中选择Load Animation，进入动画模块.
（3）选择DurabilityNodal Plots进入Compute Nodal Plot菜单，在Analysis中选择计算结果、在Flexible Body中选择对象柔体，右击Node to Add to ListPick Flexbody Node，在屏幕上选择需要追踪的节点并点击右键确定；继续在菜单中选择需要输出的应力或应变结果，按OK按钮确定.
（4）在窗口空白处点击右键，在弹出的菜单中选择Load Plot进入Plot模块，在下方Simulation中选择计算结果，在Result Set中选择FLEX_BODY_1_STRESS（假设柔体名字为FLEX_BODY_1并且输出应力结果），在Component中选择需要输出的节点，在Independent Axis中选择Time，按Add Curves即可得到节点应力随时间变化的曲线.
2如何生成Adams的MNF柔体文件？
ANSYS，Patran/MSC Nastran和Abaqus等均可生成MNF文件，本文以Patran/MSC Nastran为例.
（1）在Patran中选择FileImport，在弹出的菜单中设定Object为Model，设定Source为导入的几何类型，以Parasolid为例，在Parasolid Xmt OptionsModel Units中选择几何文件的单位，选择需要导入的几何文件并点击Apply按钮确定.
（2）对导入的几何体划分网格并赋予材料和属性，材料和属性应与Adams中的单位一致.
（3）选择AnalysisSolution TypeNormal ModesSolution ParametersAdams PreparationAdams OutputMNF Only，在Units中选择单位（单位应与Adams中一致），在Output Requests中选择GpStrain与GpStress.
（4）选择AnalysisSubcasesOutput Requests，在对话框中选择需要输出的结果.
（5）选择AnalysisApply输出bdf文件，打开MSC Nastran并提交生成的bdf文件即可得到MNF文件.
3为何Adams进行动力学仿真前需要进行静平衡处理？为使虚拟样机在自重作用下达到平衡位置，需要进行静平衡处理.在动力学仿真前进行静平衡的目的是使机构在平衡位置开始仿真，否则在仿真结果的初始阶段机构有一个趋于平衡的过程，该阶段的结果不精准，而达到静平衡后可直接在稳定阶段仿真.
4如何在Adams中删除传感器？
在模型空白处单击左键，保证没有任何对象被选中，选择EditDelete，在Database Navigator中选择需要删除的传感器.
5Adams与其他软件的联合仿真所需的文件有哪些？Adams可以与MATLAB，Patran/MSC Nastran或MSC Fatigue等联合仿真，所需文件如下：
（1）MATLAB.在Adams中打开Control插件，选择Plant Export即可输出MATLAB所需的m，cmd和adm文件等.
（2）Patran/MSC Nastran.通过Patran/MSC Nastran仿真可生成Adams所需的MNF柔体文件.
（3）MSC Fatigue.在AdamsPostProcessor中打开Durability插件，选择DurabilityMSC FatigueExport即可输出MSC Fatigue所需的DAC模态坐标文件；选择DurabilityMSC FatigueImport可导入MSC Fatigue计算生成的FEF疲劳结果文件.
6如何在Adams中通过函数定义方波？可以通过Adams中的STEP与sin函数嵌套实现，具体函数为
STEP（SIN（（1/T）*PI*TIME），t，A，t，A）
其中：T为方波的半周期；A为方波的幅值；t为方波从正、负幅值变到0的时间，t的取值应尽量小.
7如何使用Adams对离散点求导？Adams后处理模块PostProcessor可以实现对离散点求导.
（1）在PostProcessor中选择FileImportNumeric Data进入File Import菜单，右击File NameBrowse选择需要导入的数据，在Create中选择Measures，在Time Column Index中输入导入数据横坐标所在的列数，点击OK按钮确定；
（2）在Source中选择Measures，在Measure中选择刚才导入的数据，点击Add Curves按钮添加曲线；
关键词：连续体结构； 拓扑优化； 径向点插值方法； 简谐激励； 带惩罚的各向同性固体微结构模型； 优化准则方法
中图分类号：TB115.2 文献标志码：A
Topology optimization of continuum structures subject to harmonic excitation based on
meshless radial point interpolation method
ZHENG Juan, LONG Shuyao, LI Guangyao, DING Canhui
（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China）
Abstract： While using finite element method to perform topology optimization of continuum structures, there exists the continuous mesh reconstruction problem in dealing with mesh distortion and moving, and the numerical computation is not stable. The meshless Radial Point Interpolation Method (RPIM) is used to carry out the topology optimization of continuum structures subjected to a harmonic excitation. Taking the relative density of nodes as design variables and the dynamic compliance minimization of structures as objective function, the topology optimization model is established using Solid Isotropic Microstructures with Penalization (SIMP) model. The sensitivity analysis of the objective function is derived by the adjoint method. The optimization model is solved by the optimization criteria method. The classical 2D continuum structure topology optimization examples show that the method is feasible and efficient.
Key words： continuum structure; topology optimization; radial point interpolation method; harmonic excitation; solid isotropic microstructures with penalization model; optimality criteria method
0 引 言
连续体结构的拓扑优化设计是继结构尺寸优化和形状优化之后，在结构优化领域出现的一个富有挑战性的研究方向［1］，其优点是能在未知结构拓扑形状的前提下根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式，从而提出最佳形状设计方案.连续体结构拓扑优化本质上是一种0-1离散变量的组合优化问题.代表性的拓扑优化方法主要有均匀化方法［2］、变密度方法［3］和渐进结构优化（Evolutionary Structural Optimization，ESO）方法［4］等.
目前，连续体结构拓扑优化问题的相关研究主要针对静力问题，动态拓扑优化的研究进展较慢，大部分研究集中在结构基频最大化或以频率为约束的问题中.XIE等［5］基于ESO方法实现频率约束下的拓扑优化；彭细荣等［6］基于独立连续映射（Independent Continuous Mapping，ICM）方法建立在静位移及频率约束下，以重量最小为目标的连续体结构拓扑优化模型.对于结构动响应的研究涉及较少，石连栓等［7］采用拟静力法将结构惯性力极值作为静载荷施加在结构上，实现动、静载荷同时作用下桁架结构的拓扑优化；MA等［8］基于均匀化方法研究动态结构的拓扑优化问题；徐斌等［9］在ESO方法的基础上研究谐和激励下的连续体结构拓扑优化问题；JOG［10］研究周期载荷作用下的结构拓扑优化问题，从减振降噪角度定义新的动柔度全局指标；顾松年等［11］全面阐述结构动力学设计优化的研究背景和意义，对动力优化问题的性质、解的存在性等问题进行展望；彭细荣等［12］基于ICM方法，对强迫谐振动下结构拓扑优化问题建立以重量最小化为目标、位移幅值为约束的拓扑优化模型.
目前，连续体结构拓扑优化问题基本上都基于有限元法，在处理网格畸变及网格移动等问题时需不断重构网格，以解决与原始网格线不一致的不连续和大变形问题.同时，由于有限元法中单元网格的存在，常使结构拓扑优化中出现一些数值计算不稳定现象［1,13］，如中间密度材料现象、单元铰接现象、网格依赖性现象和棋盘格现象等.
无网格方法是近年来迅速发展起来的一种新型数值方法，采用基于点的近似，可彻底或部分消除网格，不需要网格的初始划分和重构，不仅可以保证计算精度，而且可以减小计算的难度.目前，已提出多种无网格法主要有无单元Galerkin方法 ［14］、光滑质点流体动力学方法 ［15］、再生核粒子法［16］以及无网格局部Galerkin法［17］等，但利用无网格方法对连续体结构进行拓扑设计优化的研究较少，且均为静力问题的研究.ZHOU等［18］基于再生核粒子法研究线弹性结构拓扑优化问题，选择高斯点的密度为设计变量，但需引入数值稳定性方法消除棋盘格现象；郑娟等［19］将无网格径向点插值方法(Radial Point Interpolation Method，RPIM)引入到连续体结构拓扑优化中，选择节点的相对密度为设计变量，有效克服棋盘格现象；CHO等 ［20］基于再生核粒子法研究非线性几何结构的拓扑优化问题；杜义贤等［21］利用无单元Galerkin法对柔性机构进行拓扑优化研究.与有限元法不同，无网格法中使用的近似函数大多不具有插值特性，因此在基于Galerkin法的无网格中对边界条件的处理比较棘手，LIU等［22］提出的无网格点插值方法则较好地解决了这个问题.点插值方法的插值函数具有Delta函数性质，可很方便地施加本质边界条件，不足之处在于计算插值函数时矩阵易奇异.实际上，带有多项式的径向点插值法可有效解决点插值法中遇到的奇异性问题.
本文基于RPIM对简谐激励下的连续体结构进行拓扑优化设计.选取节点的相对密度作为设计变量，以动柔度最小化为目标函数，基于带惩罚的各向同性固体微结构（Solid Isotropic Microstructure with Penalization，SIMP）模型［23］建立简谐激励下的连续体结构拓扑优化模型，采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式，引入灵敏度过滤技术得到清晰的拓扑优化结果，利用优化准则法对优化模型进行求解，通过经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明该方法的可行性和有效性.
1 RPIM的动力学基本理论
1.1 RPIM的形函数
在径向点插值法中，计算域用一系列点离散，每个点都有一定的影响域，某给定点处的位移通过对该点的影响域中其他点处的位移进行插值得到.设二维域僦械娜我缓数ux，可用径向基和多项式基的线性组合表示为
ux=ni=1Rixai+mj=1Pjxbj=
RTxa+PT(x)b(1)
式中：Rix为径向基函数（Radial Basis Function,RBF）；ai为Rix的系数；Pjx为坐标xT=x y的单项式;bj为Pjx的系数;n为RBF的项数;m为多项式基函数的项数.为保证能取得较好的稳定性，通常取mn.在二维问题中，一般采用线性基PTx=1 x y.
5 结 论
将RPIM成功引入到简谐激励下的连续体结构拓扑设计优化中，并对二维线弹性结构进行拓扑优化设计.在优化过程中，以节点相对密度为设计变量，以结构动柔度最小化为目标函数，基于SIMP模型建立结构拓扑优化数学模型，利用无网格方法和优化准则法求解优化模型.通过算例讨论不同激励圆频率下的拓扑优化结果.结果表明，利用RPIM对简谐激励下的连续体结构进行拓扑设计优化可行、有效.
参考文献：
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关键词：地表塌陷；冲击地压；充填采矿法；地压管理.
1 概述
矿山采矿和选矿的生产过程中，所排放的“三废”对周围的土壤、地下水文和地表水域造成了严重污染。因地下开采的采空区引起的地面沉降、塌陷、滑坡、地裂缝及泥石流等灾害也日益增加。
充填法是随着工作面的推进用充填料充填采空区进行地压管理的采矿方法，充填体起到支撑围岩、减少或延迟回采后的空区及地表的变形或位移。充填材料使用选厂排放的尾砂作充填骨料，降低充填成本的同时减少选厂排尾对周边环境造成的污染和危害。
2 充填法特点及使用条件
由于充填采矿法的不断改革和发展，单从技术可能性来看，几乎所有赋存条件的矿床都能够用充填采矿法开采，但是，不同的充填方法特点和使用条件不同，现对目前所应用比较先进的充填法做一总结。
2.1阶段空场嗣后充填采矿法
阶段空场嗣后充填采矿是以矿岩自身稳固性和嗣后一次性充填矿房的充填体的有机组合来控制采场地压。将阶段划分为一步矿房和二步矿房，先回采一步矿房，回采结束后用强度较高的充填料充填，再回采二步矿房，回采结束后用强度较低的充填料充填。阶段空场嗣后充填采矿具有回采工艺简单、效率高、成本低等空场采矿法的优点，同时又具有与嗣后一次充填矿房相结合的灵活性，能大幅度提高充填效率，降低充填成本，消除回采和充填工艺相互制约的关系，将空场法回采和矿房充填有机的结合，可显著地提高矿石回采率和综合回收率。阶段空场嗣后充填采矿适用于矿石和岩石稳固及中等稳固以上的厚大连续规整矿体，这种采矿法由于无残留采空区，当地表或围岩需要保护时，该法应为首选。
本钢歪头山铁矿的后备矿山花岭沟地下矿初步设计采用了分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，充填材料采用选厂尾砂作为骨料、普通硅酸盐水泥作为胶结材料。花岭沟铁矿的年产量为150万t/a，每年综合利用选矿厂尾砂约80万t，将很大程度改善选厂排尾问题和对周围环境的污染。
2.2窄分段分采空场法
窄分段分采空场法的特点：沿矿脉走向划成窄分段，并以此分别开掘凿岩天井，然后从凿岩天井向两侧的极薄矿脉内穿凿炮孔，以分采薄矿脉，剔除围岩。在该类型矿体的开采中，采用窄分段分采空场采矿法与传统的采矿法相比有以下优点：比现行一般留矿法的矿石贫化率低，可进一步降低采、选费用，提高金属回收率，改变目前矿山计算和确定矿脉最低可采品位、可采厚度的界限，以扩大可采矿量范围，充分利用地下有限的资源。这种采矿充填法适用于大量的急倾斜、矿岩不稳固、厚度薄的回采难度大的矿脉。
2.3进路充填采矿法
该采矿方法采用巷道式掘进方法，用矿山先进的采矿设备进行凿岩出矿，技术成熟、可靠、采用隔一采一的回采方式，各工作面回采技术参数与安全性不受矿体厚度的影响，采场数量多，盘区生产能力大，单位面积内的回采强度大。进路充填采矿法适用于深度较大，矿体的地质成因与开采技术条件都会发生较大改变，无论是矿床的成因、矿岩的稳固性，还是品位、厚度等都与上部矿体不同，开采技术条件比较复杂的矿山。
3 充填体的综合作用机理
3.1充填体力学作用机理
充填体充入采场后改变了采场帮壁的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，围岩的强度得到很大提高，从而增强了围岩的自支撑能力。因此，充填体不仅起到支撑作用，更重要的是提高了围岩的强度和承载能力。
3.2充填体结构作用机理
通常岩体中的断层、节理裂隙将岩体切割成一些力结构体。这些结构体的组成方式决定了结构体的稳定状况。当地下开采破坏了岩体原始的结构体系，使其本来能够维持平衡的承受载荷发生变化。因此，导致围岩的连锁破坏。当充填体充入到采场中，尽管充填体的强度低、承载时变形大，但是它可以起到维护原岩体的结构作用，使围岩能够维持稳定和承受载荷。这就是说，充填体在一定的条件下，具有维持围岩的结构作用，可以避免围岩结构系统的突变失稳。
3.3充填体让压作用机理
由于充填体变形远比原岩体大，因此，充填体能够在维护围岩系统结构体系的情况下，缓慢让压，使其围岩地压能够得到一定的释放，对围岩起到一种柔性支护的作用。
充填体的支护作用，主要在于对围岩的限制作用和与围岩的共同作用。即一方面充填体以对松脱岩块的滑移施加侧压、支撑破碎围岩、限制空区围岩移动等多种方式来组织和限制围岩发生变形和位移，达到对围岩的限制作用；另一方面充填体与围岩按变形协调理论共同承担载荷，改善采场周围岩体的应力分布和状态，提高围岩自身的承载能力，共同维护采场的稳定性。
4 充填采矿法的发展趋势
充填采矿法在地下采矿中一直发挥着重要的作用。不断完善充填工艺技术及开发经济可靠、来源广泛新型充填材料是采矿技术的重要发展方向之一，今后充填工艺技术的研究方向可在以下几个方面开展进行。
4.1开发研制新型充填材料，降低充填材料成本并且方便采购或制造。研发能够替代充填胶结材料中的普通硅酸盐水泥，降低充填成本；利用城市垃圾作为充填料来充填采空区，不仅有助于城市固体垃圾的消除，而且有助于矿山采空区隐患的治理，是一种有效的环境综合治理方法。
4.2继续研制与现有工艺配套的高效充填设备，在提高充填作业机械化、自动化程度的同时，促进充填工艺进一步改造，全面实现充填参数自动连续检测、分析与控制，确保充填料配比和搅拌质量达到设计标准；加强在数字化、智能化充填方面的科学研究，实现信息化、智能化的充填信息管理系统。
4.3研究完善深井充填工艺。由于地表或近地表矿产资源的不断开发和日益枯竭，矿山的开采方向必然是向深部矿体发展，这将给充填工艺提出更严格的要求，如充填体的强度，充填管路的设计，充填工艺，充填体流体力学，管道磨损严重等技术难题。因此很有必要对这些技术问题进行综合研究，以满足深井开采的需要。
5 结语
随着科学技术的进步，充填法已成为高效采矿方法之一，并且具有安全、回采率高、对地表生态环境破坏较小等一系列不可替代的优点。虽然充填技术存在一些弊端和不足，但是它正朝着机械化、自动化、智能化的方向发展，其前景是非常值得期待的。
参 考 文 献：
[1]王新民，肖卫国，张钦礼。深井矿山充填理论与技术[M].中南大学出版社。2005：10-14；
[2]焦辉。矿山充填技术的现状及其展望[J].采矿技术，2001，1（1）：20-21；
【关键词】有限元；塔式起重机；疲劳
中图分类号：TH21文献标识码： A
一、前言
随着我国塔式起重机行业的不断壮大，2塔式起重机的疲劳问题引起了人们的重视。我国在此方面取得成绩的同时，也存在一些问题需要改进。在科技不断发展的新时期，需要我们加强对基于有限元的塔式起重机疲劳的研究。
二、塔式起重机概述
塔式起重机是一种广泛应用于建筑、矿山、工业等领域的施工机械。塔机工作时各机构频繁地起动或制动，这将引起结构强烈的振动和冲击，并产生持续的衰减振动，其振动严重影响塔机的工作性能，会导致结构疲劳破坏。
塔式起重机是一种风险性大、事故率高的机械设备。金属结构是塔机的主要组成部分，决定着塔机的工作安全性和可靠性。在塔机事故原因中，近一半的事故是由于金属结构损伤破坏引起的。因此，如何避免和及时发现并排除塔机的故障或隐患，使塔机具有感知和信息处理能力，对故障和安全隐患进行自动报警，从而提高其运行的可靠性，一这已成为业内非常关注的焦点问题。
三、有限元法的形成
在工程技术领域内，经常会遇到两类典型的问题。其中的第一类问题可以归
结为有限个已知单元体的组合。我们把这类问题，称为离散系统。第二类问题通
常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性力
学问题，热传导问题，电磁场问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常是无
限小的单元，这类问题称为连续系统。尽管已经建立了连续系统的基本方程，由
于边界条件的限制，通常只能得到少数简单问题的精确解答。对于许多实际的工
程问题，还无法给出精确的解答。为了解决这个困难，工程师们和数学家们提出
了许多近似方法。在寻找连续系统求解方法的过程中，工程师和数学家从两个不
同的路线得到了相同的结果，即有限元法。有限元法的形成可以回顾到二十世纪
50年代，来源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对结构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来看，桁架结构等标准离散系统与人为地分割成有限个分区后的连续系统在结构上存在相似性。
四、疲劳的分类
1、疲劳可以从不同的方向进行研究，根据不同方向可以对疲劳进行以下分类：
2、疲劳分析流程
国内外大型企业在过去强度设计方法的基础上，都在努力降低产品重复工作的概率以及设计成本、周期；保证产品初始阶段设计应力分布均匀以及应力集中点合理规划；增加产品抗疲劳能力、可靠性以及市场竞争力；尤其是近年来，疲劳破坏发生的几率不断增加，给工作人员的安全与施工单位的经济预算造成了隐患，使得疲劳设计概念深入人心，成为目前国际上最重要的先进设计方法之一，国际上的知名企业已经在这个研究方向迈出了很大一步，对疲劳分析流程的把握与研究不断加深，其产品可以在计算符合要求的情况下，不断减轻重量，提高使用率，增加了其国际竞争力，其产品在中国市场上占有很大的份额，对国内公司造成了很大冲击，在这种背景下，国家投入资金，使得科研人员，尤其是大学老师在这方面开展了很多的工作，通过疲劳理论、软件以及国外参考文献的学习，对疲劳的研究工作不断进步，在产品的初始设计阶段，已经开始运用这一理论，但是基础知识，如材料试验性能的更新缓慢，这就对疲劳使用要素S-N曲线公式的使用造成了障碍，使得研究工作难以进行下去或不准确。
另外一项重要计算要素一载荷谱的获取，在物理样机试验数据缺乏的情况下，则需要采用虚拟样机设计方法，可以不用生产实际的产品，研究人员可以在ADAMS中进行典型工况下刚柔耦合模型的建立，进而仿真整机工作流程，得到载荷一时间历程曲线。要用到的S―N曲线等等材料信息可以直接从FATIGUE标准库中获得，或者从试验数据中获得S-N曲线，再修正S-N曲线，最终可以进行疲劳分析。
工程设计师常用的有限元软件为ANSYS，三维建模软件为Pro／E，ADAMS刚柔耦合整机模型中的柔性体模型所需的结果文件可以通过有限元分析及三维结果文件导入，所以本文进行动力学仿真分析获得疲劳计算所需的结构危险部位及载荷谱。
疲劳分析流程要求三方面的信息：几何信息、载荷信息和材料特性。材料参数(如S-N曲线等等)可根据国内外标准从试验中直接获得，也可以从材料手册或FATIGUE软件材料数据库中获得。具体的分析流程见下图：
3、疲劳分析流程的具体步骤如下：
（1）首先根据整机各部件工程图纸，在软件ANSYS中建立研究对象的有限元模型，尽量符合实际，同时提取应力一时问历程曲线及数据的位置用壳单元建模，添加载荷及约束条件，进行分析求解，得到应力云图，观察应力集中区域及应力分布情况，这样就可以找出有限元模型的危险位置，也可以动力学仿真以后观察危险区域内所有点的应力一时间历程曲线及数据，通过ANSYS输出模块导出模态中性文件mnf，注意动力学仿真的加载点要在模态中性文件mnf中选中，再导出，在三维软件Pro／E中建立整机刚性较大的部件模型，再导出中性文件Xt。
（2）通过ADAMS的导入模块，在ADAMS的整机动力仿真模型中读入刚度小、整体变形较大以及需要观察应力一时间变化的柔性部件的模态中性文件mnf，生成相应的柔性体，并读入刚性大、整体变形小以及不需要观察应力一时间变化的刚性体部件Xt，在ADAMS中建立刚柔耦合模型，并通过ADAMS建模功能模拟一些特殊功能的部件，如弹簧等等，通过各种约束副连接各部件，模拟实际的连接功能，最后在ADAMS分析模块中进行动力仿真，提取危险点生成的应力一时间历程文件a，sc。
（3）在FATIGUE中读入应力一时间历程文件asc，通过FATIGUE载荷谱模块生成dac载荷谱，载荷谱中包括了多个应力级，每个应力级又包含应力幅及该应力级的循环次数，最后还要结合各种工况的概率进行载荷谱合成；这时要考虑S．N曲线公式，S-N曲线公式的初步确定要参考材料设计手册，同时还要考虑其他因素，如载荷加载的影响，表面处理系数，部件焊接位置的尺寸系数，最后得到修正的S-N曲线公式；最后疲劳损伤累积理论的选择也是重点，目前有四种疲劳损伤累积理论，比较符合实际且工程实践应用最多的是线性疲劳损伤累积理论，最后通过合成的载荷谱、修正的S-N曲线公式以及理论计算寿命。
五、建议
由于实际工作载荷与设计时所承受载荷的不同，塔机的设计寿命与实际的工作寿命也会不同，甚至会产生很大偏差。如果把还能继续安全使用的塔机强制报废，不仅会给企业造成巨大的经济损失，而且会给国家造成严重的资源浪费，但是让不能继续安全服役的塔机继续工作，就会给企业职工人身安全带来严重的隐患，甚至造成机毁人亡的惨剧。为了判断在役塔机还能工作多久，我们要加强基于有限元分析软件ANSYS及疲劳分析软件的方法来估算它的剩余寿，为合理安全地使用塔机以及制定塔机检测相关规则提供参考，为起重机设备管理人员的安全检测与维护提供参考。
六、结束语
综上所述，在科技不断发展的时期下，我们要加强基于有限元的塔式起重机疲劳研究，确保塔式起重机正常使用。
参考文献
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测
1.引言
多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。二十世纪六十年代，激光器得以发明。激光的出现大力地促进了各个学科的发展。由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应
3.光外差
在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
4.光路模式
4.1 参考光模式
图2所示是参考光模式，激光经分光镜分成两束光，其中一束是弱光用作参考光，另一束是强光用作照射光束，它们聚焦到测量区。光电检测器接受参考光，同时接受另一束照射光束经过粒子散射在同一方向上的散射光，它们在光电检测器件中进行光外差，从而得到多普勒频移。为了使参考光和散射光强度基本相近，必须使参考光减弱。通常参考光束和照射光束的光强比为1：99左右，这里可以用中性滤光片来减弱参考光，或者选择合适的分光镜的分光比来实现。参考光模式的光学单元具有结构紧凑、调节方便和使用灵活的优点。
4.2 单光束-双散射模式
单光束-双散射模式一般用得较少，它没有明显的优点，但是可以用它来接收两个互相垂直平面的两对散射光，同时测量两个速度分量，而旋转双孔光阑到任意角度，可接收测量平面上任意方向的两个速度分量。
4.3 双光束-双散射模式
5.多普勒信号处理
如图5所示是激光多普勒测速系统图，光学系统测量运动物体，产生多普勒频移信号，光电检测器完成信号的收集及光电转换。但是，实际上接收到的多普勒信号很小且存在噪声，所以信号要进行放大和滤波等处理。根据多普勒信号的特点，已研制出多种信号处理系统，如：频谱分析仪、频率跟踪器、计数型处理机、F-P扫描干涉仪、滤波器组、光子计数相关法、快速傅里叶变换[5]。
其中，频率跟踪是目前性能较优，在国内外使用最广泛的信号处理机，其最大优点是可用于信噪比较低的场合，同时可以得到实时速度信息。频率跟踪法是应用一个闭环负反馈信号跟踪系统实现信号的连续实时测量，其原理如图6所示。多普勒信号首先经过滤波、放大电路后，滤掉低频信号，获得信噪比较高的纯净的多普勒信号，然后输入到频率跟踪电路，由其中的压控振荡器输出瑞引出方波频率信号，由高线性F/V转换电路转换为线性模拟电压，再由A/D转换。
6.激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒测速具有许多优点，它广泛地应用于空气动力学和流体力学，用来测量风洞、水筒、水工模型、射流元件等各场合中流体的流场分布和有关的物理参量，它也适用于边界层流体的测量和二相流的测量。近来，已能测量亚音速、超音速喷气流的速度，所以被用来研究喷气过程、燃烧过程，为燃气轮机、气缸、锅炉、原子能反应堆等方面的设计研究提供了实验数据和测试结果[6]。激光多普勒速度计已从科研的实验室进人工厂现场，如测铝板、钢板的轧制速度，固体粉末输送速度，天然气输送以及控制棉纱、纸、人造纤维的运动速度以提高产品质量。结合其他技术，还可以扩大测速仪的用途，同时测量浓度，或者振动等其他物理参量。现在，激光多普勒测速技术已逐渐在国民经济各部门得到实际应用，并取到了良好的效果。这一技术本身也正在不断地深入发展，以适应迅猛发展的科学研究与生产的需要。
7.结论
阐述了激光多普勒测速技术的基本原理，介绍了三种光路模式和多普勒信号处理方法，最后总结了该测量技术的应用领域。激光多普勒测速技术已经发展到能够成功地进行大部分速度测量的水平。光学、电子学以及其它有关技术方面的改进促进了激光多普勒测速技术的进展。以后，激光多普勒测速技术应该朝着提高信号质量和从噪声信号中更加准确地提取信息的方向努力，并且使之变得更简便、更易于操作。
参考文献
[1]Yeh，Y.and Cummins，H.Z.Localised fluid-flow measurements with a He-Ne laser spectrometer.Appl.Phys.Letter.1964，176-178.
[2]沈熊.激光多普勒测速技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2004：23-26.
[3]孙渝生.激光多普勒测量技术及运用[M].上海科学文献出版社，1995.
[4]A new approach to flow-field measurement-A view of Doppler global velocimetry techniques.R.W.Ainsworth，S.J.Thorpe，and R.J.Manners.Int.J.Heat and Fluid Flow，Vol.18，No.1.February 1997.
[5]Recent developments and applications of laser Doppler vibrometry to cultural heritage conservation.Enrico Esposito.Conference on Lasers and Electro-Optics Europe.2005.
关键词:调节阀;流线;流速;粘性底层;紊流核心
中图分类号:TU992文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0030-04
一、存在的问题
安阳钢厂用带式压滤机对高炉煤气循环洗涤水所产污泥进行脱水。由于机宽只有两米,且此循环水浓缩倍数较高,虽pH值在一范围内变化,但仍时而呈酸性,时而呈碱性,因此阀门开大污水溢溅到设备主支架和轴承内,都对这些部位造成严重腐蚀,即使水体有时呈中性,但因浓缩倍数高,析出的盐分以结垢方式贴附于其上,造成严重的垢下腐蚀,且轴承磨损加大; 还由于絮凝剂浓度和污泥品质不稳定, 导致处理效果有时不理想, 部分污物透过滤网落入集水斗中, 造成排水不畅和污泥外溢泄漏, 所以,其进料管上安装过的旋塞阀、蝶阀、闸阀这三种手动阀门,均在小开度下工作。使用期间,频繁发生阀门堵塞现象,造成药剂等浪费和设备的无功磨损,阀门需经常操作调节,其寿命大大缩减,因此常被更换。
二、问题分析
(一)此污泥介质概况
高炉煤气循环洗涤水污物成分复杂,不溶解固形物含量高,浊度、色度高,经絮凝沉淀浓缩后,此种污泥粘度大、流动阻力大,常为粘塑性非牛顿流体。由于此种污泥的成分、含量和絮凝剂浓度均在变化,使得其粘性及相关参数也在改变,所以此种流体流动状态应属于非均匀且非恒定流。为了有助于理论分析,先将其视为均匀恒定流。
(二)圆管内牛顿、粘塑性流体的流动及实际流速分布、流动特性
牛顿流体流动状态有层、紊流两种。此性质对高含水率污泥也适用,实际中,流体在管或渠道内流动,层、紊流均可能发生。其速度分布如图1所示:
从图中可看出,层流状态下流体中心处即轴心流线上速度最大,越接近边壁速度越低;紊流状态下流体中心处即紊流核心区轴心流线上速度最大,且两种状态下边壁处速度均为零。粘性底层的速度分布由边壁向紊流核心区逐渐增大,在紊流核心区的边界处达到最大。
粘塑性流体在管内流动时有一固体核心,在此核心内无相对运动,靠近边壁则有速度梯度,可视为粘塑性流体流动时的粘性底层。如图2所示:
(三)对三种阀门堵塞原因的初步分析
由于各自的结构和流量特性不同,所以旋塞、蝶、闸阀在操作性、对流体的控制和过流性能等方面都各有所长。全开启度下,除蝶阀阻扰相对速度较大的主流区程度深,且过流断面被阀板分为形状均非圆形的两部分外,旋塞阀和闸阀理论认为都能使流体顺畅通过,流谱均匀平直无变化。但在小开度下,如图3所示,这三种阀的节流口结构形式虽不同,但均偏离原管路中心较远且其形状较原上游管路均匀流处过流断面形状改变过大,使得此段流谱弯曲波动、疏密程度改变剧烈又严重,流动均匀性遭到破坏,流速大小、方向及分布发生很大变化,这其中包括上游管路内均匀流的轴心流线也受很大程度干扰;加上节流口都对流体产生节流作用,致使流量减少,上游管路内均匀流的流速下降, 且流体在通过节流口之前的急变流处压力先稍有上升,这使其流速稍有下降,但紧接着压力很快下降,流速很快上升,对于旋塞阀、闸阀(图3 a、b)而言,此处有死水区和大团旋涡产生,死水区污物沉积,而旋涡封闭曲线的不规则,使得旋涡内微团线速度差异较大,速度小之处污物易发生沉积,当死水区和旋涡区沉积物足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,会有大小不等、相对较密实的部分污泥块被冲掉并带到形状不很理想的节流口,易使其堵塞;对于蝶阀(图3 c)此时有部分绕流的特征,在阀板上游流线出现分岔点(即驻点),此点流速为零,污物在此处与阀板之间易于沉积,当沉积物体积足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,可能会出现较大块或整块污泥团沿阀板斜面滑向相对靠下游且形状不很理想的一节流口,若这时此节流口被堵塞,流体只能从另一侧节流口通过,之后的堵塞过程基本类似于前两者。另外,即便是牛顿流体通过节流口时,由于节流口形状改变过大、不很理想,面积急剧变化、流通面积缩小,流速相对升高,压力相对下降,易产生阻塞流。所以实际情况便是这三种阀门频繁堵塞。
三、类似泄空(或称放空)模拟试验
(一)试验前提及概述
由于我所在工作地点通过实际生产已确认旋塞阀和蝶阀用于污泥调节不合适,目前只用闸阀,所以此试验只是通过类似的方法定性模拟闸阀和污泥阀泄空时的过流情况。因我的经济、居住条件及其它因素有限,所以此试验在家中进行。
(二)试验器具、理论依据概述、测试方法过程及结果
实际生产中,污泥经楼顶浓缩罐从底端出口排出,其排泥管与压滤机进料管均为DN120无缝钢管,调节阀安在立管上,与浓缩罐底端出口高差约4.2m。本类似试验采用三截两端平齐,无毛刺,长度为492±1mm,?准50×2mm白色PVC管,实测外径51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明内壁光滑平直无褶皱内径52mm,外径53mm塑料管;将底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置开不同形状的小过流口,这是为了模拟阀门在小开度下工作时过流情况。所得试验用平直管总长为572±1mm。污泥介质以当地素土均按自然堆积状态下以不同土水体积比例混合制成;其中,以土: 水约为1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明显粘塑性流体待征的污泥介质为模拟高炉全开污泥量很大的情况,以土∶水约为1∶5～4所混合的较稀的仍保有牛顿流体特性的污泥介质为模拟高炉全检修污泥量极少的情况。混合时捡出其中粒径相对较大的石块,只留一部分小砂粒,以此来模拟实际中由于结垢或较硬积泥块对过流的影响。
试验所依理论由流体力学可知,相同材质、内壁粗糙度、内径、长度且竖直放置的管子,其内装满相同流体介质,虽放空过程中压力水头逐渐减小,但初始压力水头相等,填装流体介质体积相等,泄空时沿程阻力也相等,所以当底端泄空过流口形状和位置不同时,即便是相同的过流面积,也会因局部阻力,过流方式等不同,造成流量不等,从而泄空时间各不相等。所以此试验是以一手按堵住出流口并将管竖直托放平稳,一手向管内装满所配污流体介质,准备就绪,突然放开泄空过流口,另一人同时快速按下秒表,当堵塞或流完时再快速按下秒表,以这种计时的方法测定各自的泄空时间。测试结果见表1:
从表中可看出:当介质为粘塑性流体,模拟污泥阀以中间开圆小孔的泄空方式,所用时间最短,且稳定均匀,说明以此方式过流,水力条件好,污介质过流速度快且过流能力稳定;当圆孔开在贴近管壁一侧,泄空时间也稳定均匀,但时间加长较明显,说明其水力条件不是太好;模拟闸阀的单侧弯月形泄空过流口,其时间已明显加长且极易堵塞很不稳定。当流体中虽有污杂物,但仍为牛顿流体时,以中间开圆孔的泄空方式,所用时间依然较短且稳定均匀;单侧贴近管壁开圆孔,所用时间较稳定均匀但有所加长;单侧弯月形泄空过流口,所用时间变化幅度大,极不稳定,当过流面积为第一个的两倍时,其最短时间也未达到第一个所用时间的一半,况且有时所用时间已超出第一个的最长时间。试验结束后通过下端透明管观察节流口上游积泥情况:中间开圆孔时,其节流口上游四周有一圈连续的积泥且高度基本一致,内侧曲面虽不平整完美但基本为沙漏状;单侧出流的圆孔或弯月形孔,积泥集中在一侧且有一个最高点,此处基本与过流口正对,其余以最高点对称向两边降低。
(三)对此类似模拟试验的个人见结
此试验所配污流体介质虽只是实际中连续变化不定的所有情况中的两种,但我认为有一定的代表性;对试验用管的加工和制作虽力求精确,但由于我制作能力、技术水平有限,仍存在一定误差,且受其它各种条件限制,所以本试验有局限性,只是一次定性的有助于分析问题的辅试验,仅供各位读者、前辈和同行参考。
四、相关理论依据、解决方法及设计方案
(一)理论依据
根据牛顿惯性定律可知,物体动静状态下皆有此性质,流体介质也一样,所以当流体经过一段足够长直的圆管后,已具有一定惯性,理论上可认为其流动状态、速度分布等已确立,属于流体在圆管内的流动情况。这之后,当流体通过一调节阀,若此阀开度较小,这时会由于节流口形状改变过大,流通面积急剧缩小,过流位置偏离原管路中心较远,且由于惯性的存在,本要以流谱平直、流速分布均匀又对称的方式顺畅通过,却受很大程度阻碍和干扰,流谱急剧弯曲、疏密程度改变很大,原上游管路均匀流的轴心流线偏离中心较远、弯曲猛烈,均匀又对称的流速分布被破坏、发生剧烈的重新分布,易产生阻塞流。加上流体流经不论尺寸为几形状为何的物体时,在边壁处总有无法完全消除的低流速区或粘性底层,当为牛顿流体,发生层流或紊流处在水力光滑区时,边壁的粗糙度被低流速区或粘性底层所淹没,所以较高流速区或紊流核心基本不受粗糙度阻力影响,但低流速会使污物较易沉积,这会让过流通道变窄以致过流能力下降,当有部分沉积物受主流扰动或冲刷等影响而脱落时,可能会使下游节流口发生堵塞而丧失过流能力;当紊流处于水力粗糙区,边壁受到冲刷,粘性底层变薄,污物不易沉积,但粗糙度伸入紊流核心,使其脉动加剧、受阻增大,这也可使过流能力下降;当为粘塑性流体,因其固有的流动特性,使得粘性底层对固体核心的影响基本类似于牛顿流体紊流状态下的情况,因此有上、下临界设计流速在阀门全开时的相关文献参考数值,但当阀门开度不同时,常难满足要求。且流体经过节流口前后会发生旋涡、空化、水锤、死水区和二次流等水力现象,其中死水区和旋涡有利于流体中较重杂质或污物的沉积,且沉积污物有一定的密实度和稳固性,便会在与主流接触一侧形成一个较为稳定的曲面,其形状依节流口形状和偏离管中心位置的不同而不同,这一现象对于污介质流体而言不会被完全消除,但可被利用。所以,解决这一问题的方法是:使阀门在调节过程中尽量使原管路内的轴心流线不偏离中心,让流体流经阀门时,不论阀门开启度大小,总令最大流速所在流线及其邻域能从阀门的中间通过;还要尽可能的保证流体流经阀门时,节流口形状接近圆形这一水力最优断面;并尽量减小主流与阀芯或由阀芯所构成过流通道的接触面积,以便减少与阀芯有关且会出现的低流速区或粘性底层对过流能力的影响;并且利用污泥这一实际流体在死水区和旋涡处沉积有一定密实度和稳固性的污物能形成较稳定过流接触曲面这一现象,使得实际流体在通过小开度的此污泥阀节流口时能在其上游形成自然的同心渐缩流。
(二)过流情况示意图及相关初步分析说明
从图中可看出:当阀门全开(图4 a),从理论上讲流体能顺畅通过,流谱均匀平直无变化。小开度下(图4 b),由于多个阀瓣所围成的节流口形状在任何开度下均接近圆形这一水力最优断面,且其中心与管路中心重合,这可确保节流口上游管路均匀流处的轴心流线不发生偏离和弯曲的顺畅流过,也可确保其邻域内流谱发生很小弯曲较顺畅的流过;还可使节流口上下游急变流流场中除轴心流线的其它流线对称地向中心收缩或以中心放散,形成以轴心流线为对称轴,分布对称的急变流流谱,这样能使主流的波动很小,流动的均匀性虽受一定程度干扰,但并未遭完全破坏,流速的分布仍然保持对称;其效果应是:虽然流通面积急剧缩小,流速升高,压力下降,但节流口形状接近圆形,水力条件较为理想,且过流位置较原管路中心无偏离,所以构成阻塞流的条件不完整。再由于阀瓣的阻挡节流作用,使得节流口前后的急变流周围形成难以避免的死水区和旋涡,此处易沉积污物,但其具有一定的密实度和稳固性,尤其在节流口上游产生沉积物的堆积,形成较稳定的过流接触曲面;当在某一较小开度下,流量稳定,主流的波动很小且冲刷也不致将堆积沉积物破坏,此时就会以图4 c中所示虚线为边壁,形成自然的同心渐缩流,大大降低了由旋涡产生的不利影响。还由于阀瓣的结构形状和运动方式,使得主流经过节流口时,与其所接触的面积很小,从而大大减少了与阀芯有关且会出现的低流速区或粘性底层对主流的影响。最终要达到的目的是:此污泥阀在不同开度,不同流量下,均能令实际污介质流体顺利通过,不易发生堵塞现象。
(三)设计方案示意图及动作原理
设计方案示意图如图5所示:
动作原理:蜗杆1受力矩作用,绕轴转动,带动齿轮块2,在图5所示时,做顺或逆时针转动,2的转动带动直齿轮3及在其下端固定的阀瓣4在同一位置,做绕直齿轮3所在柱体轴线的转动;在开启状态下阀瓣4的曲线边一侧朝向流体,曲线是为了使阀门在动作调节时,阀瓣所构成的节流口边界接近圆形,并且在全开状态下,曲边所构成的圆与内管5的外径所在圆,在如图5所示时,其两者垂直纸面的投影完全重合,也就是全开状态下过流断面为圆形。另外每一个阀瓣的上、下表面均为光滑的斜面,这是为了让阀门在动作调节时,使阀瓣之间不会出现理论上所讲的贯穿现象,即不互相碰撞;并且还可使其与主流的接触面积大大减小。
此污泥阀已构想完毕, 但尚未造出实际物体,对于易堵塞介质流体, 目前所采用的办法是选择可调性最佳、最理想的孔形,是在所有开度时,能成为方形或等边三角形。所以此阀门设计的过流孔形不仅所有开度时,均接近圆形且位置始终在管路中央,保持不变,因此,此污泥阀的设计核心思想及初衷应是较为合理和正确的,应能解决污介质流体易在阀门处堵塞这一实际问题;并且此解决方法和设计方案的合理性和可行性已得到理论上的证明,并注册了专利,已获证书。
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（黑龙江科技大学研究生学院，哈尔滨 150022）
（Postgraduate School，Heilongjiang University of science and Technology，Harbin 150022，China）
摘要：地下岩体在开采之前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态的，当掘巷道或者进行回采工作时，就破坏了原来应力的平衡状态，使岩体内部应力重新分布，具体表现在巷体周围的煤、岩体产生移动、变形，直到煤和岩体内部形成新的应力平衡状态为止。在煤的开掘过程中，由于采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分配，为了防止围岩变形遭到破坏，需要对围岩进行支护和加固。本文就大断面煤层沿空巷内支护加固技术进行研究，以便为煤矿在开采过程中积累一些技术和经验。
Abstract： Before underground rock mining， because the stress caused by the weight and structure are in equilibrium， when excavating the roadway or carrying out mining， the balance of the original stress will be destroyed and the internal stress of rock will be redistributed， whose specific performance is that the movement and deformation of the coal and rock around the roadway happens until the new stress equilibrium of coal and rock shaped. In the process of digging coal， due to the concentration and redistribution of roadway surrounding rock caused by extractive activities， in order to prevent the destruction and deformation of surrounding rock， the support and reinforcement of surrounding rock is necessary. In this paper， the large coal section gob gateway support reinforcement technique is studied to accumulate the technology and experience in the coal mining process.
关键词 ：大断面煤层；巷内支护；支护加固
Key words： large coal section；support in mine gateway；support reinforcement
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0155-03
作者简介：曹剑锋（1992-），男，山东临沂人，黑龙江科技大学在读研究生，研究方向为采矿工程。
0 引言
在大断面原煤开采过程中，由于各种应力在不断的发生变化，给原煤的掘进工作带来很大的难度，因此在原煤开采过程，首先要对开采过程中各个阶段出现的应力进行认真分析，及时发现那种用力在起着关键的作用，之后针对各种应力的性质，及时采取支架进行加固，使原煤在掘进工作顺利、安全地进行。本文就大断面煤层沿空巷内的各种应力进行分析，针对各种应力及时的采用支架进行科学加固，保证采矿生产的高产、稳产。
1 巷道岩应力的状态
地下原岩体处于复杂的受力状态，它不仅受到上部岩层引起的自重应力，还可能受到地壳中的地质结构应力、膨胀应力以及温度应力的多种应力作用，但主要受到上覆岩层的自重力和结构运动作用力。
1.1 自重力 岩石体内的原始应力是岩石的自重引起的，从岩石某一点的应力状态，先把岩体看成是一个半无限体，即：上部以地面为界（如图1）。如果假定在地表以下的深度为z，任意取一小立方体岩块，从图中我们进行分析，这一小块立方体受到三向受力状态，它在上覆岩层重力作用下，作用在这个单位立方体上所受到的应力有垂直应力δz和水平应力δx、δy。通过计算得出地壳岩体的自重应力，一般其垂直应力总是大于水平应力，即：原岩体中任何地方的水平应力均等于垂直应力的25-43%。
1.2 结构应力 煤矿井下的岩煤中经常会出现断层、向斜和背斜等地质结构，这些地方的岩体均有裂缝，采动时易造成其破碎。这都是由于岩体内部地质作用的结果。显然这些地质构造区都曾经有过压缩和拉伸的剧烈的应力变化。例如：岩体受到地质作用，而形成的应力超过该处岩层的强度，则岩层可能产生错动。仅有断裂而不会发生错动，则岩体中形成结构裂缝。
构造应力的特点：①地壳运动以水平为主，因此结构应力也以水平应力为主，总的来讲，地壳运动以挤压运动为主，所以水平应力以压应力占绝对优势。②构造应力分布很不均匀，在地质构造变化比较剧烈的矿区，最大主应力的大小方向往往有很大的变化。③岩体中的结构应力具有明显的方向性，通常两个方向的水平应力值是不相等的。④水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍或者几十倍，而且往往浅部的倍数比深部大，因此在浅部开采时，构造应力比自重应力更加重要。⑤构造应力在坚硬的岩层中出现一般比较普遍，在软岩层中储存构造应力很少。
有时利用巷道在原岩应力场作用下的变形特点，通过井下巷道进行大量的观察和调查，也可以初步判断岩体中原岩应力的特点，以及有无构造应力的影响，简单判断如下：
①静水应力场与非静水应力场的判断。对于单一水平巷道，在排除岩石中裂缝性影响后，如果顶板和两帮的破坏程度相同，而且破坏的剧烈程度与平巷在平面中方位无关，则可认为岩体中的应力基本接近于静水应力状态。反之如果方位不同单一水平巷道的周边上，岩石破坏程度不同，而且破坏主要发生巷道顶板或者巷道两帮，这种情况说明岩体中的应力呈非静水应力状态分布。
②最大构造应力作用方向的判断。如果已经确定应力呈非静水状态分布，则进一步确定应力作用在接近垂直的方向。为此对未支护的巷道，如暗井、溜煤眼等进行调查和研究，如整个周边岩石稳定性相同，则最大主压应力方向可能是垂直的，否则最大主压应力是水平的。
2 大断面煤层沿空巷内支护加固设计原则
2.1 空巷道内支护设计方法
在采矿工作中，支护的设计是一项最重要的环节，对充分发挥支护体的最大能力和巷道的安全具有很重要的意义，主要分成以下几方面。
2.1.1 比拟法 此种方法就是在以前工程设计的基础上，通过运行后对出现的问题进行技术完善，经过积累的生产过程中的实际经验，设计者重新对工程进行设计。其优点是比较实际、简单，应用的范围比较广。但是定性设计，不能把支护结构、支护的一些参数和安全性很具体地体现出来。
2.1.2 理论计算法 通过各种应力的特点，进行大量理论计算，以及模拟实验，得到了大量的理论数据，根据这些理论数据进行设计。采用此种方法的缺点是由于影响参数的因素很多，很难计算准确，因此此种方法只能作为参考。
2.1.3 持续改进设计法 此方法是借鉴国外煤矿的一些先进的设计特点，结合我国煤矿设计的实际总结出的设计方法，此设计方法的意义在于对空巷道内支护设计不是一次就结束的，而是一个不断持续改进的设计过程，对已经设计完成的工程要不断对过程信息进行收集、分析、反馈，从而对原设计的合理性进行重新研究分析，对不合理的部分进行科学的变更，使设计不断完善。
2.2 沿空巷道支护的原则
2.2.1 要充分掌握巷道岩应力状态，正确判断各种应力作用的方向，将围岩的变形、移位和裂缝等控制在有效的范围内，保证巷道围岩的完好性。
2.2.2 要对提高大断面利用率有利。在设计过程中既要有效控制巷道围岩的变形和裂缝，又能够极少占用巷道空间使巷道断面的利用率得到极大的提高。
2.2.3 要对安全生产有利。要按照巷道岩石力学进行科学设计，同时在开采过程中要对巷道围岩的应力情况时时进行观察和分析，防止巷道围岩产生早期破坏的现象，保障巷道围岩的支护的安全，确保生产人员、设备的运输通畅，有利于安全、稳定的进行生产。
2.2.4 低成本、高效率。对于巷道围岩支护设计，在实际应用过程中需要的成本很高，因此设计人员在设计时，一方面要科学、安全、适用，又要减少不必要的浪费，尽量降低开采的固定资产的投入。
2.2.5 对巷道的快速掘进有利。巷道的快速掘进是当前各煤矿开采作业的一大特点，使得原煤开采作业的连续性更加强，因此巷道支护设计要尽量简单、适用，尽量不在支护环节耽误生产。
2.3 大断面煤层沿空巷内支护设计原则
对大断面煤层沿空巷内支护设计原则是两个方面，一方面要及时加固锚杆预紧力，时时增加支护体间结合力，减少煤围岩沿锚杆方向的移动和变形，要有超前意识；另一方面，要对支护面积适当加密，减少危险巷道围岩的变形和移动，具体体现在以下几方面。
2.3.1 在设计时，要对采矿的地质结构进行详细的调查和研究，要根据具体结果准确设计支护方案，做到一次性支护成功，否则巷道围岩一旦出现变形和移动再做补充支护，支护效果就要受到一定的影响。
2.3.2 对大断面煤层沿空巷内的支护设计，在设计时就要进行高强度设计，以保证在生产期间安全使用，有效防止在期间发生变形和移动现象。
2.3.3 在巷道开挖时，要及时的进行支护，达到支护和围岩间的应力平衡，否则就会产生巷道失稳的现象，造成支护失败。
2.3.4 根据高预应力和预应力的扩散原理对大断面煤层沿空巷进行支护设计。锚杆支护的重要指标是预应力，是区别分主动支护和被动支护的关键参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正主动支护，才能真正发挥支护的作用，因此在设计时，要尽可能地加大锚杆支护的预应力，以防止巷道围岩的早期变形，同时还要通过其它构件的作用如：托板、带钢、锚网等真正实现锚杆的预应力扩散，扩大预应力的控制面积，使锚杆支护整体钢性更强，达到联合支护的作用。
2.3.5 对已变形的巷道采用非对称控制原理进行设计。在对变形的巷道采用非对称支护或者支护结构非对称的力学理论进行有效的支护，将巷道的变形控制在可控的范围内。
2.3.6 大断面煤层沿空巷支护要采用可缩性原理进行设计。由于大断面煤层沿空巷的初始应力较大，开采后产生的松动圈比较大，同时，围岩的变形量也较大，所以支护时的设计结构要有一定的可缩性，以适应大断面变形大的特点，防止设计的支护结构在围岩应力平衡前遭到破坏，导致支护的失败。
3 主要支护件的作用
最常用的支护件有以下几种：锚杆、锚索、钢带及金属网。
3.1 锚杆：大断面煤层沿空巷道在掘进或者在掘进稳定后，两个帮的移动量一般控制在100-500毫米，受本工作层超前支撑压力的影响，巷道围岩变形剧烈，在这个掘进阶段，围岩变形主要以破裂煤岩体裂缝等弱面产生错动变形为主。锚杆支护以其抗拉及抗剪作用阻止破裂煤岩体岩弱面错动，提高锚固体力学的作用。
3.2 锚索：锚索支护的作用就是为顶板提供一个固定的支点，以减少巷道顶板跨度的作用。
3.3 钢带的作用。钢带是锚杆之间联系的纽带，对保证围岩的完整性、提高巷道围岩的整体支护效果起到最关键的作用。
3.4 金属网：主要是防止巷道局部遭到破坏使整个巷道失稳。
4 结论
①由于大断面巷道的断面比较大，因此不能只依赖支护结构进行支护，要将巷道围岩组合在一起，形成整体结构，形成较稳定的承载结构，发挥围岩的承载能力，使大断面煤层沿空巷均匀受力变形。②大断面煤层沿空巷与围岩在变形过程中，最强烈的是两帮，而维持两帮的稳定的是小煤柱。如果小煤柱的承载能力小，强度低，在掘进过程中一旦发生变形，所有的应力都转移到两帮，使两帮所受力急剧增加，变形增大，巷道围岩支护难以维持，使巷道支护失败，因此小煤柱的强度和承载力很关键。③在实际开采过程中，大断面煤层沿空巷在各种应力及回采时超前支撑力的共同作用下，会发生一定的变形，在正常的情况下巷道围岩是允许发生一定限度的变形，大断面煤层沿空巷道在采用高强度锚支护的同时，具有一定的变形能力，使巷道围岩的应力得到一定的释放，能够更好地防止支护结构在高支承压力作用下遭到破坏，使巷道围岩失稳。
5 结束语
大断面煤层沿空巷内支护加固工作是原煤掘进过程中最为重要的环节，因此在设计过程中要根据具体的地质结构、应力变化等进行科学设计，在施工过程中，要熟练作业，加强掘进连续性，做到高产、稳产，同时在作业中，技术人员还要不断的总结经验，深入基层认真分析巷道围岩的各种应力情况，及时对巷道围岩进行科学支护，使原煤的掘进工作顺利、安全的进行。
参考文献：
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