【技术实现步骤摘要】
本申请涉及煤岩力学性质的精准测定领域，具体涉及一种基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法。
技术介绍
1、已有研究证实，煤矿动力灾害事故中煤岩体会发生拉伸破坏，因此煤抗拉强度等力学性质的测定对于动力灾害的机理探讨和防治工作意义重大。然而，煤岩体直接拉伸的实验测定较为困难，存在操作过程复杂、设备精度要求高、实验成功率较低，且达到最大峰值后难以精准检测应力、应变数据的问题。学者常通过巴西劈裂法来间接获取煤岩拉伸力学特性和损伤演化，这种间接实验测定的结果容易偏大，导致力学性质的测量误差较大，因此亟需一种能够精准表征煤直接拉伸力学性质的方法。
2、随着分子动力学理论的研究进展、计算机算力的增加以及煤物理化学结构的精细化表征的发展，煤岩分子结构模型的精准构建及相关力学性质的分子动力学模拟得到飞速发展，为煤划痕、刚度矩阵、切削以及单轴压缩与拉伸的模拟奠定了动力学模拟基础，是从微观分子层面探索煤力学性质的重要方法。上述这些模拟方法在煤力学性质研究中具有一定的优势，但仍存在煤分子结构模型构建困难、分子动力学模拟算力需求大和模拟结果分析不到位，尤其是拉伸破坏的峰后强度分析不到位等问题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术缺陷之一，本申请提供了一种基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法。
2、本申请提供了一种基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，包括：
3、获取动力灾害易发生煤层中多种煤样的结构信息、密度和含水率；
4、基于煤样
5、对煤样的分子结构超晶胞进行单轴拉伸模拟计算；
6、根据单轴拉伸模拟计算结果绘制煤样的单轴拉伸应力应变曲线；
7、基于单轴拉伸模拟计算结果和煤样的单轴拉伸应力应变曲线分析煤样在直接拉伸全过程中的力学性质；
8、基于多种煤样在直接拉伸全过程中的力学性质，得到煤样的不同结构信息、不同密度以及不同含水率对煤样力学性质的影响。
9、优选地，所述煤样的结构信息包括：
10、煤样中c、h、o、n和s元素的原子个数比；
11、煤样中c元素的化学位移，以及脂肪碳、芳香碳和羧基碳的分布；
12、煤样中c、n和s元素的归属；
13、煤样中所含的芳香烃和脂肪侧链的结构；
14、煤样中纳米孔隙尺寸的分布。
15、更优选地，所述基于煤样的结构信息、密度和含水率构建煤样的分子结构超晶胞，包括：基于煤样的结构信息绘制煤样的分子结构平面模型，基于煤样的密度和含水率对煤样的分子结构平面模型进行聚合得到煤样的分子结构超晶胞；
16、所述基于煤样的结构信息绘制煤样的分子结构平面模型，具体包括：
17、根据煤样中所含的芳香烃的结构绘制芳香烃；
18、基于煤样中c、h、o、n和s元素的原子个数比，在芳香烃的基础上根据煤样中所含的脂肪侧链的结构添加烷烃链，得到完整的芳香烃；
19、根据煤样中n和s元素的归属绘制杂环，具体包括：添加苯环和五元环，分别将苯环和五元环中的一个c原子修改为n原子或s原子，得到杂环；
20、根据煤样中c元素的归属将完整的芳香烃和杂环进行连接，并调整环簇的结构，得到煤样的分子结构平面模型。
21、优选地，所述对煤样的分子结构超晶胞进行单轴拉伸模拟计算，具体包括：
22、对煤样的分子结构超晶胞进行几何优化和能量最小化处理，得到煤样的分子结构超晶胞模型；
23、沿预设方向向煤样的分子结构超晶胞模型施加预设次数的拉伸应力，对每次施加拉伸应力时的煤样的分子结构超晶胞模型在预设方向上的应变量进行测量；
24、输出每次施加的拉伸应力、对应的煤样的分子结构超晶胞模型的应变量、每次施加拉伸应力后对应的煤样的分子结构超晶胞模型。
25、更优选地，所述基于单轴拉伸模拟计算结果和煤样的单轴拉伸应力应变曲线分析煤样在直接拉伸全过程中的力学性质，具体包括：
26、对每次施加拉伸应力时的煤样的分子结构超晶胞模型的孔隙和表面积进行计算，并根据计算结果绘制应力与孔隙、表面积关系图；
27、从应力与孔隙、表面积关系图中获取不同应力对应的孔隙、表面积；
28、从煤样的单轴拉伸应力应变曲线中获取不同应变阶段对应的抗拉强度。
29、优选地，所述烷烃链包括甲基、乙基、羧基、含氧官能团、羟基。
30、优选地，当煤样的结构信息相同、含水率相同时，煤样的不同密度对煤样抗拉强度的影响公式为：
31、σ＝-3.838+3.675ρ；
32、式中，σ为煤拉伸破坏峰值应力，单位为gpa；ρ为煤超晶胞密度，单位为cm3/g。
33、本申请中通过煤样的分子结构超晶胞的构建和动力学模拟(即单轴拉伸模拟计算)使得纳米尺度煤直接拉伸模拟成为现实，从而得到煤样在直接拉伸全过程中的力学性质，尤其是直接拉伸峰后阶段的力学性质。解决了现有技术中矿井动力灾害事故的原因分析以压缩和剪切破坏为主，拉伸破坏容易被忽视的问题。还解决了现有技术中煤岩体直接和间接拉伸测定困难、测定结果不准确，导致煤矿动力灾害围观机理解释不清的问题。同时解决了煤分子结构模型构建困难、分子动力学模拟算力需求大和模拟结果分析不到位的问题。基于多种煤样的直接拉伸全过程中的力学性质，可以得到煤样的结构信息、密度、含水率等内在因素对煤样直接拉伸全过程中的力学性质的影响关系，为矿井动力灾害发生的机理提供理论依据。
34、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中进行阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所指出的内容来实现和获得。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述煤样的结构信息包括：
3.根据权利要求2所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述基于煤样的结构信息、密度和含水率构建煤样的分子结构超晶胞，包括：基于煤样的结构信息绘制煤样的分子结构平面模型，基于煤样的密度和含水率对煤样的分子结构平面模型进行聚合得到煤样的分子结构超晶胞；
4.根据权利要求1所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述对煤样的分子结构超晶胞进行单轴拉伸模拟计算，具体包括：
5.根据权利要求4所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述基于单轴拉伸模拟计算结果和煤样的单轴拉伸应力应变曲线分析煤样在直接拉伸全过程中的力学性质，具体包括：
6.根据权利要求3所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述烷烃链包括甲基、乙基、羧基、含氧官能团、羟基。
7.根据权利要求5所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，当煤样的结构信息相同、含水率相同时，煤样的不同密度对煤样抗拉强度的影响公式为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述煤样的结构信息包括：
3.根据权利要求2所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，所述基于煤样的结构信息、密度和含水率构建煤样的分子结构超晶胞，包括：基于煤样的结构信息绘制煤样的分子结构平面模型，基于煤样的密度和含水率对煤样的分子结构平面模型进行聚合得到煤样的分子结构超晶胞；
4.根据权利要求1所述的基于分子模拟的煤直接拉伸全过程力学性质获取方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵国飞，李恒忠，张晓雨，赵雷，周天白，冯天祥，李建德，
申请(专利权)人：山西能源学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。