两条粗糙平行节理构型对超声波波速影响的试验研究

基于图形图像学和分形几何学交叉学科理论,采用图像学中的颜色单元体,借鉴将颜色灰度值间接对应节理面高度值的思想,结合分形布朗函数,本文提出了间接描述节理粗糙度的自仿射维数计算方法——YUV维数法。依据本文提出的方法,计算了24个节理岩石共48个粗糙面的YUV维数,剖析了节理面几何构型的分形特征。采用含两条节理岩石超声波试验,探讨了节理岩石的两条节理YUV维数对超声波波速的影响规律。研究结果表明,超声波波速平均值随着任一节理YUV维数、两条节理维数之和减小而增大。在维数减小过程中,尽管波速持续增加,但波速增大速率逐渐降低。当维数减小至某个量值时,波速不再增大,近似趋于一常量。通过类比分析,文中认为上述结论的机理和原因是:维数由大变小的过程,可类比为节理面孔隙缺陷被逐渐压密且分布越来越规则的过程,因为在此过程中,量化的数值体现就是维数逐渐变小。因而,当维数变小,或者说节理面缺陷孔隙被压密且分布更为规则时,超声波波速将由小变大,且最后将趋于一常数。     

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。     

混凝土剪切断裂能与分形维数关系的研究

混凝土断裂试件断口蕴涵着丰富的力学信息，而传统的欧几里得几何难以对复杂的断口形貌进行描述，本文引入分形几何理论对断口形貌进行研究，结合宏观的断裂参量进行数值分析，从而找到了混凝土断裂微观现象与宏观力学量联系的桥梁，本文分析了混凝土四点剪切加载试件的断裂性能，计算了断裂韧度、断裂能等相关参数，并通过扫描电子显微镜对断口形貌观测，运用分形理论计算了此类断口的分形维数，分析了Ⅱ型断裂断裂能和分形维数之间的关系。     

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.     

表面轮廓分形维数计算方法的研究

阐述了表面轮廓分形和分形曲线的基本概念，对目前常用于表面轮廓分形维数的４种计算方法的基本思路作了评介，指出这些方法的计算结果都存在一定的偏差，对选择不同计算尺度得到的分形维数表现出较大的不稳定性，致使分形维数难以准确地反映表面轮廓的真实复杂特征．根据表面轮廓的均方差与区间尺度成比例的性质，提出了表面轮廓分形维数计算的协方差加权法．通过与Ｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ－Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ分形函数曲线的分形维数计算的比较，协方差加权法所得表面轮廓分形维数的稳定性良好，计算结果的准确性也明显提高，可以简化表面形貌的识别过程，为摩擦学研究中更准确地描述粗糙表面的复杂特征提供了一种简便适用的新方法．     

岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

扫描电镜下断口表面的三维重建及分形维数的测量

基于数字散斑相关方法,利用扫描电镜立体对技术和计算机视觉方法实现了物体表面的三维重建,讨论了影响其精度的原因,并且利用分形理论对表面的三维形貌进行了定量分析,由立方体覆盖法得到了三维形貌的分形维数.作为应用的实例,将该方法应用到岩石断口的三维重建中,得到了重建后的高度云图和分形维数.结果表明,利用扫描电镜立体对技术对断口表面进行三维重构并进行分形维数的计算是一种行之有效的断口定量分析方法.这为研究材料断裂的微观机理、断裂过程和断裂性质等问题提供了一种途径.     

砂轮约束磨粒喷射加工表面的分形及摩擦特性研究

对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工(Abrasive Jet Precision Finishing,AJF)表面进行分形维数和摩擦磨损特性研究.试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工式样为Ra为0.6μm左右的45#钢.加工表面形貌和微观几何参数用MICROMESVRE2表面轮廓仪测量;应用分形维数和功率谱密度函数评价磨削加工和光整加工表面的微观形貌特征;利用MG-2000型销盘式高速高温摩擦磨损试验机研究表面形貌和分形维数对摩擦系数和磨损性能的影响.试验结果表明:磨粒喷射精密光整加工使工件表面高度特性参数大幅度降低,轮廓波动平均间距减小,波纹细密性提高.随着加工循环的增加,Ra值由0.6μm下降到0.2μm左右.光整加工表面摩擦系数和磨损量与磨削加工表面相比明显降低,摩擦磨损试验结果和分形维数变化相吻合.     

应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究

采用材料试验机和大尺度激光表面仪对大理岩和花岗岩两种岩石进行三点弯曲和粗糙断裂面的扫描实验,详细地分析了粗糙断裂面的分形特征。通过SHPB实验,研究并提出了波能量耗散与断裂面分形维数的定量关系;分析了分形维数对波能量耗散的影响规律。研究得出以下结论:1)随着粗糙断裂面分形维数的增大,通过断裂面时应力波能耗将相应增加;2)应力波能量主要是以热能和塑性变形能耗散。分形维数越大,比表面积则越大,粗糙表面粒子相互摩擦和挤压程度相应增加,导致波的机械能转化成热能和塑性变形能部分增加,因而波动能量耗散越大。     

Fractal characteristics of rocks fractured under tension

Fractal geometry can be useful for explaining the fracture behavior and rock properties. The fractal properties of rock fracture surface developed under tension were examined. Seven different rock samples were selected for the tests. An automated surface scanning device was used to map the fractured surfaces. Variogram analysis (VA) (for 1D self-affine sets) and power spectral density (PSD) measurement (for 2D self-affine sets) were applied to calculate the fractal dimension. On a comparative basis, there exists a trend between the fractal dimension and loading rate. The profiles in the loading direction yield higher fractal dimensions indicating the anisotropic feature of fractal. The fractal dimensions obtained by PSD and VA display a relationship for grain size and porosity. Higher porosity samples give different fractal dimensions for upper and lower fractures surfaces.     

铝-铝爆炸焊接界面剪切行为与断口形貌关系研究

为了研究爆炸焊接界面的剪切损伤行为,本文对铝-铝复合材料开展剪切试验,并基于分形理论对试件剪切断口界面进行表征,尝试建立界面剪切强度与断口轮廓分维值及其多重分形谱关系。结果表明,焊接界面剪切强度随加载速率升高而降低,异于通常金属剪切行为;但从断口形貌及其轮廓分形维可认识界面剪切强度变化原因。此外,多重分形谱起点与终点间的高度差和跨度差值反映了界面的峰、谷落差及分布特征,是界面形貌特征的立体反映,并在数值上也与剪切强度正相关。     

具有分形结构界面的固体膜/粘滞层/基底层状结构的变形

考虑固体膜/粘滞层/基底结构中粘滞层/基底界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响.考虑自仿射和峰状的粗糙界面.自仿射的粗糙界面由振幅和分形维表征,振幅和分形维越大对结构平衡的影响越大;峰状界面由振幅和平均峰间距表征,振幅越大对结构平衡影响越大,平均峰间距越小对结构平衡影响越大.进而,用有限元方法模拟分析该结构,得到界面平整和不平整两种情况下固体膜面内失稳力.结果表明,粘滞层/基底不平整情况下结构的平衡状态与假设该界面为理想平整面所得的结果有很大不同,在结构尺寸较小的情况下不可假设该界面为理想平整来考察该结构的稳定性.     

Three-dimensional fractal analysis of concrete fracture at the meso-level

The fracture process in concrete-like materials cannot be properly modelled in an Euclidean framework, due to its complex morphology at the micro- and meso-level. The inherent flaws interact through a multi-scale process, leading to self-affine fracture surfaces. Moreover, the self-organized network of microcracks displays fractal properties prior to the formation of the final fracture surface. At the same time, due to the presence of pores and voids, the stress-carrying cross section is a rarefied fractal domain, even from the beginning of the loading process. A new experimental equipment has been developed which allows the entire fracture surface, or any plane cross section, to be digitised and analysed. This represents an important progress with respect to the study of one-dimensional profiles. In this paper, the three-dimensional algorithms for evaluating the fractal dimension of invasive surfaces and lacunar sections are described. The invasive fractal character of the fracture surfaces is confirmed. Moreover, the lacunar fractal character of the stress-carrying cross sections, a priori assumed by Carpinteri [A. Carpinteri, Mechanics of Materials 18 (1994) 259–266], is now proven experimentally.     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映，为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响，通过三点弯曲实验和扫描电镜方法，对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验，观察其宏观断裂情况，并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察，并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息，并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高，砂岩穿晶断裂的比例也随之升高，裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加，同时，分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见，加载速率对断裂方式有一定的影响，且加载速率越大断裂所需的破坏能越大，裂纹分布越广，表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

Experimental criteria for the determination of fractal parameters of premixed turbulent flames

The influence of spatial resolution, digitization noise, the number of records used for averaging, and the method of analysis on the determination of the fractal parameters of a high Damköhler number, methane/air, premixed, turbulent stagnation-point flame are investigated in this paper. The flow exit velocity was 5 m/s and the turbulent Reynolds number was 70 based on a integral scale of 3 mm and a turbulent intensity of 7%. The light source was a copper vapor laser which delivered 20 nsecs, 5 mJ pulses at 4 kHz and the tomographic cross-sections of the flame were recorded by a high speed movie camera. The spatial resolution of the images is 155 × 121 m/pixel with a field of view of 50 × 65 mm. The stepping caliper technique for obtaining the fractal parameters is found to give the clearest indication of the cutoffs and the effects of noise. It is necessary to ensemble average the results from more than 25 statistically independent images to reduce sufficiently the scatter in the fractal parameters. The effects of reduced spatial resolution on fractal plots are estimated by artificial degradation of the resolution of the digitized flame boundaries. The effect of pixel resolution, an apparent increase in flame length below the inner scale rolloff, appears in the fractal plots when the measurent scale is less than approximately twice the pixel resolution. Although a clearer determination of fractal parameters is obtained by local averaging of the flame boundaries which removes digitization noise, at low spatial resolution this technique can reduce the fractal dimension. The degree of fractal isotropy of the flame surface can have a significant effect on the estimation of the flame surface area and hence burning rate from two-dimensional images. To estimate this isotropy a determination of the outer cutoff is required and three-dimensional measurements are probably also necessary.     

岩体尺度信息提取探索

利用边界检测、直方图滤波等图像处理技术作为对破裂岩体或含节理、裂隙岩体的图像(数码照片)信息处理的基础，建立表征岩体中块度分布的二值化图像，通过对二值化图像的逐行和逐列扫描统计得到岩体块度分布的表征岩体多尺度特征的分维指数和特征块度。     

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.