纳米尺度煤直接单轴拉伸过程的分子动力学模拟研究

摘要

煤的直接单轴拉伸破坏试验实施困难，而间接拉伸破坏试验又容易产生不同程度的误差。通过构建长焰煤、焦煤和无烟煤的纳米尺度分子结构模型，并采用Perl程序结合分子动力学模拟，实现了煤分子结构的单轴拉伸过程。结果表明，模拟得到的应力应变曲线属于理想加载曲线，峰前区域呈现明显的线性特征，峰值强度对应的应变在0.3附近；峰后区域呈现明显的应变软化特征。随着分子模型密度由1.15 g/cm³增加至1.40 g/cm³,单轴抗拉强度由0.51 GPa持续增加至1.41 GPa,且峰后区域的应变软化幅度随分子模型密度的增加而减小。当模型密度一定时，无烟煤单轴抗拉强度更强，原因在于高变质程度煤模型中含有更多稳定性较强的芳香烃结构。随着分子模型的含水量由0.5%增加至3.0%,单轴抗拉强度由0.47 GPa持续减小至0.40 GPa。模拟结果从分子尺度进一步证实，单轴拉伸破坏过程主要表现为煤分子结构中孔隙损伤的渐变过程。孔隙中的水分子产生“应力腐蚀”效应，从而加剧煤模型中大孔隙的发育。

关键词

单轴拉伸 / 分子模拟 / 单轴抗拉强度 / 煤密度 / 含水率

基金资助

国家自然科学基金(52304088,52204220,42302202); 山西省应用基础研究计划面上项目(202303021211057); 内蒙古自治区自然科学基金(2023LHMS05052); 天地科技股份有限公司科技创新创业资金(2024-TD-ZD011-02); 内蒙古自治区直属高校基本科研业务费(JY20240024,JY20250100); 2022年度自治区本级引进人才科研支持项目(DC2300001429)