在爆破工作中, 炮孔堵塞的效果对爆破工作的效果与安全有很大的影响, 为了提高爆破效果、降低爆破成本, 确定炮孔堵塞的最佳长度很有必要。结合爆轰波理论和理论力学, 采用理论分析与LS-DYNA数值模拟相结合的办法, 进行炮孔堵塞长度对爆破效果影响的研究, 并通过现场进行验证。研究结果表明: 炮孔深度在0.6~1.4 m时, 最佳的炮孔堵塞比例为0.38~0.54, 且随炮孔深度的增大而减小, 炮孔深度在1.6~2.4 m时, 最佳的炮孔堵塞比例为0.36~0.38; 炮孔深度超过1.2 m, 同时炮孔堵塞长度≥1/2炮孔深度后, 存在炮孔堵塞过长效应导致爆破效果不佳。径向不耦合系数R对炮孔的最佳堵塞长度具有显著的影响, 当R≤1.8时, 最佳炮孔堵塞长度随着R的增大而减小, 当R＞1.8时, 最佳炮孔堵塞长度不随R改变。在大同王村煤业有限责任公司8107顶回风巷进行了现场试验, 分别对1.2 m和2.2 m的掏槽孔以及2.0 m的辅助眼进行试验, 炮孔的最佳堵塞长度分别为50 cm、90 cm和80 cm, 与理论计算、数值模拟的结果相吻合。

在巷道施工过程中, 周边爆破是非常重要的环节, 使用聚能管爆破来提升周边爆破的效果是一种常见的方式。但是聚能管爆破的诸多参数设置不合理, 仍然会使得周边爆破的定向破坏效果不明显, 轮廓线受破坏较大, 炮孔留存度低和超欠挖的现象。为了进一步提高爆破损伤的方向性, 改善爆破质量, 需要对聚能爆破的参数进行优化, 达到更好的施工效果。使用ANSYS/LSDYNA进行数值模拟实验, 从炸药-聚能管耦合性与不同的应力波相遇位置这两个方面进行研究, 寻找相对应的合理爆破参数。对数值模拟结果进行分析, 当炸药与聚能管之间的不耦合系数为1.12时可以在保护围岩岩体与定向破坏之间取得平衡。改变相邻两组炸药的起爆位置, 使得同一水平面上的爆炸引力波相遇位置偏移至两炮孔之间3/4的位置时, 轮廓线的完整程度得到了较大程度的提高。通过这一系列结果可以得出在聚能管与药卷之间采用不耦合结构, 根据聚能管大小采用合适的药卷, 并通过改变炸药的起爆位置使得炮孔之间的应力波相遇的位置发生改变, 可以较大幅度地降低对留存岩体的损害。对这两个研究较少的参数进行优化, 从更广的角度对爆破效果进行提高, 使隧道巷道工程获得更好的轮廓线效果与炮孔完整度, 降低超欠挖。

为了揭示磷酸二氢钾(KDP)晶体三倍频晶面微观弹塑性力学行为及加工性能, 开展了纳米压痕研究。建立了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型, 基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对纳米压痕进行了数值仿真并完成了纳米压痕测试实验。实验结果表明: 实验与仿真计算的载荷-压入深度关系曲线的相关系数为0.996 328, 吻合度较高, 验证了力学模型的正确性, 得出KDP晶体三倍频晶面的屈服强度为240 MPa。数值仿真结果显示: 由于材料的各向异性, 工件内部应力呈不规则圆弧状分布; 载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系; 材料表面等效塑性应变分布形状与压头投影面几何形状相类似, 存在复映效果。当载荷小于2 mN时, 各压头的残余应力深度差异性较小(小于0.2 μm); 随着载荷逐渐增大, 这种差异不断扩大。得到的结果为实现KDP晶体三倍频晶面的高效低损伤加工提供了理论支撑。

基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明: 当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25 nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2 nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。

提出了一种石英玻璃仿真模型的构建方法, 并应用分子动力学(MD)仿真结合纳米压痕实验对石英玻璃进行了纳米级加工性能的研究。通过计算石英玻璃模型的密度和纳米硬度, 验证了模型的准确性。对石英玻璃进行了纳米压痕实验, 得到了压痕曲线并观察了纳米压痕形貌。最后, 对纳米级压痕过程进行了仿真, 通过计算配位数研究了损伤层的形成及扩展机理。计算得到的石英玻璃模型的纳米硬度约为9.7~10.7 GPa, 密度约为2.28 g/cm3, 与实际测量结果基本一致。仿真结果表明: 石英玻璃有着稳定的塑性变形和少量的弹性变形, 且存在压痕的尺寸效应。当压头压下时会形成大量的原子稠密区, 失去原来共价键的强度, 形成损伤层;而表面形貌主要是由于压头向两侧挤压原子和压头的黏附作用形成的。仿真和实验结果都表明石英玻璃比较适合超精密加工。

采用激光熔覆工艺将不锈钢粉末熔覆在碳钢板上，制备不锈钢-碳钢层合板。通过金属材料性能检测试验，对不锈钢-碳钢层合板的金相组织、元素扩散、显微硬度及拉伸断口形貌等性能进行分析。结果表明，激光熔覆制备层合板获得了致密均匀的覆层；结合面两侧Fe、Cr、Ni 等元素呈梯度扩散，扩散区域约为12 μm ，表明激光熔覆复合材料为扩散型冶金结合；覆层到基体硬度逐渐减小，这使覆层与基体之间应力平稳过渡，提升了其整体力学性能；其屈服强度为405 MPa，超过轧制层合板的326 MPa。基体和扩散区断口形貌为韧性断裂，而覆层表现为脆性断裂，进一步表明激光熔覆层合板结合面结合性能良好。

不锈钢碳钢层合板经激光快速加热弯曲后，弯折区出现增厚现象。借助IPP图像处理软件测量各层厚度及碳钢层晶粒尺寸，基于温度梯度机理分析弯折区增厚机理及规律。研究结果表明：不锈钢层合板在加热过程中晶粒生长，尺寸增大，产生热膨胀增厚；正向弯曲过程中，晶粒在弯曲应力作用下挤压伸长，产生挤压增厚，在二者的共同作用下，板材厚度增加，且热膨胀增厚占主导地位。增厚现象主要出现在上层不锈钢及碳钢层，碳钢层增厚值所占比重大于69%。最后，研究功率、扫描速度、扫描次数、离焦量等能量参数对增厚值的影响规律，为提高激光弯曲精度与质量提供理论和实验依据。

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响, 开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响, 利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌, 并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明: 线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光, 且激光功率越大, 线宽差异越明显; 当线重叠率在65%～90%时, 线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大, 在重叠率为65%时达到1.33 μm; 线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大, 并在重叠率为80%时达到较小值1.05 μm; 当重叠率不到80%时, 线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小; 重叠率为90%时, 其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。

针对不锈钢-碳钢层合板制备方法中结合面存在的缺陷问题，采用激光熔覆法制备金属层合板。调整激光功率和扫描速度两个主要工艺参数，研究其对层合板金相组织的影响。通过不锈钢-碳钢层合板金相组织分析以及拉伸试验研究，优化层合板激光熔覆工艺参数。结果表明：随着激光能量密度的增大，不锈钢-碳钢层合板界面波高依次呈0.01～0.03 mm、0.08～0.10 mm和0.11～0.14 mm三种形态，且熔覆层厚度逐渐增加。随着界面波高的增大，屈服强度逐渐增大，当不锈钢-碳钢层合板界面金相组织形态呈波高为0.11～0.14 mm时，屈服强度为410 MPa。激光熔覆制备方法获得了不锈钢-碳钢冶金结合及组织性能均良好的层合板，屈服强度和延伸率均达到了不锈钢层合板的标准要求，表明此工艺方法是可行的，为激光熔覆制备层合板的广泛应用提供了理论和试验依据。