一种岩石断面形貌间接描述的新方法研究

基于图像图形学的YUV颜色模型理论,本文提出了一种间接描述岩石断面形貌的新方法,即YUV维数法。选定一张有m个像素点的彩色数码照片,以每个像素点的Y(灰度)、U、V(色彩和色饱和度)分量分别构造欧氏空间中对应点的z、x、y坐标分量。在每个像素点处均采用上述构建方法,可在欧氏空间中确定m个点(与像素个数相同),连接构造的m个点,即可构建粗糙的YUV表面。采用分形布朗运动理论,导出了n-1~n维分形体的自仿射维数计算方法,并特例化至2~3维。求解YUV表面的自仿射维数,该维数即为YUV维数。为验证YUV维数方法的可行性,分别完成了同一岩石断面的YUV维数数值试验、激光表面仪扫描试验、扫描电子显微镜扫描试验,并采用YUV维数、普通维数和灰度维数分析同一试件的表面形貌特征。对比分析显示,相同试件的YUV维数与普通维数基本相同,且与灰度维数总体趋势近似一致。这证实了YUV维数方法的可行性。另外,计算YUV维数过程中,由于采集初始数据(彩色照片)的设备是数码相机,所以它克服了普通维数的缺陷。同时,YUV模型表征的真彩图片颜色包含了颜色的灰度、色彩和色饱度,而灰度图仅保存了灰度信息。所以,YUV维数比灰度维数更全面充分揭示了图像的分形几何特征。总之,YUV维数有着普通维数和灰度图维数无法比拟的优越性,是一种间接描述表面形貌描述的新方法。     

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.      

图像维数计算方法及其实质研究

基于颜色单元体模型,本文提出了一种间接量测表面形貌的新方法——真彩图像维数计算方法,并通过激光表面仪扫描实验对此进行了验证。该计算方法的提出,使在表面形貌的实验研究中用拍摄数码照片方法取代激光表面仪扫描成为可能。比较研究显示,该方法具有简单、方便、直观和扫描范围大等优势,是表面形貌实验研究手段上的一大改进。本文还分别探讨了二值化图像,灰度图像,真彩图像的分形特性,剖析了三类图像维数的物理实质。比较研究结果显示,对于同一试样,真彩图像维数最大,灰度图像次之,二值化图像维数最小,其维数在区间[1,2]内。以此说明,二值化图像维数是曲线维数,灰度图像维数仅考虑了颜色明度值的影响,只有真彩图像维数充分考虑了色彩、色饱和度和明度值的"贡献",该维数才是"全局"意义上的图像维数。     

SHPB实验试件横截面积不匹配效应的研究

利用有限元计算和量纲分析的方法,分析了在硬质材料测试中因试件与杆横截面积失配而出现的二维效应,并提出了平面二维效应和凹面二维效应的概念。分析结果表明,平面二维效应的影响可忽略不计,而凹面二维效应的影响是最主要的。研究结果对试件与杆横截面积失配情况下的SHPB实验有一定的指导意义。     

盒状件分布动载荷频域识别方法

引入二维广义正交多项式理论,用二维广义正交基函数拟合识别动载荷函数,以有限元分析软件为平台,将分布动载荷的识别转化为对正交基函数拟合系数的识别,从而建立二维分布动载荷频域识别理论.针对三维盒状件分布动载荷识别模型,进行降维处理,通过空间映射,将三维分布的动载荷转换到二维平面,利用二维广义正交多项式对分布动载荷进行识别.利用仿真算例表明:该识别方法有效,并且具有好的识别精度.     

基于POD-Galerkin降维方法的热毛细对流分岔分析

作为流动与传热相互耦合的非线性过程, 热毛细对流有着复杂的转捩过程, 探究流场和温度场随参数变化而发生的分岔现象, 是热毛细对流研究的一个重要课题. 基于本征正交分解的POD-Galerkin降维方法可以通过提取特征模态, 构建低维模型, 实现流场的快速计算. 数值分岔方法可以通过求解含参数动力系统的分岔方程, 直接计算稳定解和分岔点. 探究了将直接数值模拟方法、POD-Galerkin降维方法、数值分岔方法的优势结合, 以提高热毛细对流转捩过程分析效率的可行性. 利用直接数值模拟得到的流场和温度场数据, 构建了不同体积比下, 二维有限长液层热毛细对流的POD-Galerkin低维模型, 在低维模型上采用数值积分及数值分岔方法计算了分岔点, 得到了低维方程的分岔图. 在一定参数范围内, 在低维模型上模拟热毛细对流, 对雷诺数和体积比进行参数外推, 通过与直接数值模拟的结果对比, 验证了低维模型的准确性与鲁棒性. 说明了低维方程可以定性反映原高维系统的流动特性, 而定量方面, 由低维模型和直接数值模拟计算得到的周期解频率的相对误差大约为5%. 验证了利用POD-Galerkin降维方法研究热毛细对流的可行性.      

磨损表面形貌的三维分形维数计算

基于分形理论和磨损表面扫描电子显微分析，采用盒子维方法计算了磨损表面的三维分形维数．结果表明，在计算尺度范围内，采用与尺度无关的分形维数表征磨损表面形貌特征是可行的；实际磨损表面的三维分形维数同其表面粗糙度密切相关，表面粗糙度越大，分形维数越大；同表面粗糙度相比，分形维数计算值较稳定.     

完全发展的非对称槽道湍流的分形维数研究

湍流的分形维数刻画了湍流的统计正则性 ,本文利用正交子波变换对完全发展的非对称槽道湍流脉动速度的实验数据进行了分析研究。文中首先将脉动速度信号分解到各个尺度 ,然后利用正则法和盒子法两种方法计算了不同尺度信号的分形维数 ,着重于考虑分形维数的变化趋势。研究结果表明 :(1 )随着信号分解尺度的增加 ,速度信号的低频部分和高频部分的维数都逐渐减小 ;(2 )逆输运现象对速度信号的分形维数没有本质的影响 ;(3)正则法计算得到的分形维数要略大于盒子法得到的分形维数     

有限厚度模型校准二维MoS2的Bimodal-AFM杨氏模量测量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能, 在微纳机电系统、柔性电子器件等诸多领域有着广阔的应用前景. 弹性模量是二维材料的基本力学特性参量之一, 对其器件应用及应变调控有重要影响. 受限于二维结构和原子级厚度特征, 难以实现二维材料弹性模量的精确测量. 双模原子力显微镜的振幅调制-频率调制模式是一种高效测量二维材料杨氏模量的方法, 但刚性衬底对测量结果的影响不可忽视. 本工作通过双模原子力显微镜直接测得衬底与二维硫化钼的杨氏模量分布图, 并基于有限厚度模型对衬底效应进行修正, 得到了样品的本征杨氏模量值. 利用第一性原理计算得到了二维二硫化钼的弹性系数和杨氏模量, 对比发现实验和计算结果相当. 这说明双模原子力显微镜测量是一种可靠的二维材料杨氏模量直接测试方法, 且该方法无需制备悬空二维材料等繁琐步骤, 避免了常规测试中的不足. 本工作为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试分析以及高通量力学实验数据的统计分析提供了可靠的实验基础.      

Indentation tests investigation of mechanical behavior of two-dimensional materials

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

对裂纹扩展规律Paris公式物理本质的探讨

首先讨论了著名力学家K.Krausz和A.S.Krausz关于Paris公式物理本质研究的成果，从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发，应用位错动力学理论，热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观的探讨。最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表示式，该式严格地定了Paris公式的两个试验常数，赋予了Paris公式明确的物理意义，从而真实地揭示了Paris公式的物理本质，为这一经验的普遍规律奠定了理论基础。     

论地质工程的基础理论

地质工程是80年代以来工程地质科学的新的生长点, 已经形成为一个工程地质学新的分支学科, 一个新的行业。地质工程的基础理论是地质控制论, 它的基本理论是地质构造控制论、岩体结构控制论、上体结构控制论、地质体赋存环境因素控制论。他们控制着地质环境(包括地壳稳定性)评价理论和方法、岩体质量评价理论和方法、工程地质探测和测试理论和技术方法、工程地质超前预报理论和方法、地质体改造理论和技术, 岩土体稳定性分析理论和方法及地质工程设计和施工指导理论。正确运用这套理论可使地质工程实践减少盲卧性, 增加自觉性, 可使地质工程实践减少20%～30%的经济损失。     

论塑性旋率本构方程的必要性

在有限变形弹塑性理论中,本构方程通常是以率型形式给出的。因此,应变率的分解将是一个十分基本的问题。在当前,较为流行的是基于中间构形的应变率分解,而这其中最有影响的有 Lee,E.H.等人的工作和 Dafalias 等人的工作。然而,本文的研究表明,至少在某些特殊情况下,我们可以得到与微观子结构定向旋率的有关表达式。这就使给出塑性旋率本构方程变得不必要了。显然,本文的结果既不同于 Dafalias 的工作,也不同于 E.H.Lee等人的工作。前者需要通过塑性旋率的本构方程来确定微观子结构定向的旋率,而后者则需要作出附加的隐含假设来避免给出塑性旋率的本构方程。可以相信,本文工作将可能为有限弹塑性变形的本构理论提供一种新的途径。     

微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析

分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.     

微裂纹屏蔽机理的力学理论

简述了微裂纹屏蔽的力学理论和主要结论．分析了与这些理论有关的两种研究途径中的四种假设的正当性和适用范围．对相互矛盾的结论做了讨论．介绍了作者在这一领域的研究成果,并尝试将这方面的研究推广到复合材料和界面裂纹问题中．      

梁板壳的几何大变形--从近似的非线性理论到有限变形理论

对梁板壳的线性理论、近似几何非线性理论与有限变形理论作了比较,介绍了有限转动理论,指出了应用有限变形理论求解梁板壳的大变形问题的高效率、高精度的巨大优越性。     

THE REFORM OF TEACHING CONTENT FOR THE COURSE OF FOUNDATION SETTLEMENT

对地基土沉降计算的课程内容提出改革思路,从讨论土体固结度的角度展开,进而引出最终沉降量的计算,最终引出不同的试验方法和压缩性指标。新的教学思路将土力学固结沉降的基本理论与实践应用进行合理的区隔,既能保证基本理论的纯粹性、合理性,也不回避实践中土体复杂 性质对理论进一步发展和丰富所提出的挑战。     

压电体表面金属电极脱层的屈曲分析

基于弹性有限变形理论和电弹性体偏场理论,对半无限压电体及其表面电极层间存在穿透脱层的屈曲问题进行了分析. 采用平面应变模型,在脱层远处作用有平行于脱层的应变载荷. 使用Fourier积分变换,应用脱层界面的连续条件和电极表面的边界条件将问题归为第2类Cauchy型奇异积分方程组. 利用Gauss-Chebyshev积分公式将奇异积分方程组变为齐次线性代数方程组,以确定临界应变载荷. 通过数值算例,给出了底层为PZT-4材料、电极为金属Pt在不同的脱层长厚比时的临界应变载荷和屈曲形状,分析了压电体的压电、介电效应对屈曲载荷的影响. 另外给出了脱层屈曲时,脱层尖端奇异性振荡因子随不同脱层长厚比的关系曲线.      

用三维弹性力学方法研究圆板的稳定问题

用三维弹性力学方法研究任意边界条件圆板的轴对称稳定问题，利用Ｈ变换和Ｓｔｏｃｋｅｓ变换，导出位移函数及其偏导数的一种新型双重极数式，并由数学弹性定理论的基本方程和边界条件建立的特征方程，求得最小临界载荷的精确解，文末以简支圆板为例进行数字计算，结果表明：在弹性失稳范围内，三维弹性力学方法求得的临界载荷略低于经典理论的结果，对于薄板的弹性稳定问题，经典板理论有足够的精度。     

APPLICATION OP THE FINITE PART OF A DIVERGENT INTEGRAL IN THE THEORY OF ELASTICITY

Using the finite part of a divergent integral, we transform Kelvin’s solutions, Boussinesq’s solutions and Mindlin ’s solutions in the three-dimensional theory of elasticity into corresponding solutions in the two-dimensional theory. Besides, its application in plane problems is also given.