光弹模拟岩石分形节理的抗剪强度

本文用分形维数人为地制成具有分形曲线的节理面以模拟岩石节理粗糙度特征，利用光弹技术测定了分形节理最大剪应力随维数变化的过程．研究表明，岩石分形节理的抗剪强度不会随分维的增加而无限制地增大     

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。     

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．     

基于三维重构的冻融岩石细观损伤研究

为了研究冻融作用下岩石的细观损伤劣化机理,以冻融岩石CT扫描试验为基础,红砂岩CT图像为研究对象,借助三维重构技术和分形理论,获取表征岩石细观结构特征的孔隙率和分形维数,定义用分形维数表征的冻融岩石损伤变量,分析冻融环境下红砂岩的细观损伤演化规律。结果表明:通过图像处理和三维重构技术能够获得表征岩石宏观损伤劣化以及细观孔隙结构发育情况的三维数字化模型;损伤演化方式对应着岩体内部孔隙发育情况,随着冻融次数的增加,红砂岩的孔隙率逐渐增大,分形维数则逐渐降低;基于细观孔隙与裂纹扩展形态的分形特征定义的冻融岩石损伤变量,与宏观建立的损伤变量具有较好的一致性,能够很好地从细观结构变化的角度说明岩石的冻融破坏过程。     

节理岩体断裂的损伤与分形效应

本文在岩石断裂的基础上,利用损伤的概念,建立起岩体断裂能与初始损伤的关系,并借助于岩石断裂能与断裂面分形维数的关系,给出了节理岩体的断裂能与断裂面分形维数之间的关系.本法为直接从岩石的断裂参数推出节理岩体断裂参数,提供了一条简捷的途径.     

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

分形煤层气藏数值模拟研究——Douglas-Jones预估-校正法的应用

传统的煤层气动力学模型多建立在欧几里得基础上,难以描述煤层气孔隙结构的复杂性和形状的不规则性。为此,以分形理论为基础,通过引入煤层基质和裂缝的分形维数来刻画煤层气孔隙结构的复杂性和吸附特性,建立了双重分形介质渗流模型,采用Douglas-Jones预估-校正法对非线性方程组进行离散,获得了无限大地层和有限地层定产量生产时拟稳态吸附模型的差分方程,求得数值解。结果表明,Douglas-Jones预估-校正法可以有效解决这类非线性模型的求解问题,获得无限大地层定产量生产时变形双重分形介质模型的数值解;分析各种分形参数下的煤层压力动态,做出了典型压力曲线图。对无限大地层,初期分形维数对压力影响不大,后期分形维数越小,压力越高。对有限地层,初期分形维数的影响明显,且分形维数越大,压力越低。压力随分形指数的减小量呈现先增大后减小的趋势,在末期压力平稳趋向同一值。     

考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型及其仿真分析

为建立更完善和精确的结合面接触刚度模型,本文根据分形理论和摩擦学原理,从微观角度建立了考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型.通过数值仿真分析研究了接触载荷、分形维数、摩擦系数和接触面积等因素对结合面切向接触刚度的影响.分析结果表明:结合面切向接触刚度随法向载荷和分形维数的增加而增大,而随分形尺度参数的增大而减小;摩擦系数对结合面切向接触刚度的影响较大,不同实际接触面积下的切向刚度相差较大;当分形维数较小时,摩擦系数对结合面切向刚度的影响将降低.这些研究对于进一步开展结合面的动力学特性研究具有重要意义.     

接触式机械密封端面经济加工分形维数

考虑端面形貌对机械密封性能和加工成本的影响,运用分形理论分析了端面分形参数与泄漏率之间的关系,提出了密封端面经济加工分形维数概念.针对GY-70型机械密封进行了密封性能试验和端面形貌参数测量,发现随着运行时间的推移,密封端面分形维数增大速率逐渐减小,泄漏率降低速率逐渐减小.当t为130 h时,泄漏率Q达到允许值5×10-6m3/h,D=1.645.结果表明:基于允许泄漏率的机械密封,具有一定的经济加工分形维数.合理设计密封端面分形维数可以避免盲目提高加工精度,缩短机械密封的磨合时间,实现初始密封.     

磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

两圆柱体结合面的接触热导分形模型研究

基于三维分形理论,在考虑微凸体的弹性变形、弹塑性变形和塑性变形的基础上,建立了两圆柱体结合面接触热导分形模型。通过数值仿真,分析了分形维数,分形尺度参数、圆柱体曲率半径和接触类型对接触热导的影响。研究结果表明：接触热导随着分形维数的增大而增大,随着分形尺度参数的增大而减小;相同参数下,内接触比外接触的接触热导要大;此外,当固定其中一个圆柱体的曲率半径时,随着另一个圆柱体曲率半径的增大,接触热导增大。该模型为开展齿轮等曲面接触热导的研究提供了理论基础。     

基于强度表征的混凝土脆性指标影响因素研究

借鉴岩石脆性指标的评价方法，依据峰值抗压强度和残余抗压强度对混凝土脆性指标进行了计算．讨论了粗骨料粒径和试样形状对混凝土脆性指标的影响，分析了抗压强度、峰值应变、单位体积吸收能、破碎分形维数与脆性指标的关联．结果表明：棱柱体试样的脆性指标均比同粒径的圆柱体试样脆性指标高；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随粗骨料粒径的增大、抗压强度的降低而呈增大趋势；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随峰值应变的减小、单位体积吸收能的减小和破碎分形维数的减小而增大．     

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上，利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤，并将其分形维数作为岩石性质的主要参量，用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律，从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

关联表面分形特性的润滑模型

在分配有面粗糙度与材料表面分形特性关系的基础上，将分形特性引入润滑方程，提出了关联表面分形特性的润滑模型，并分析了润滑模型中压力流量因子和剪切流量因子与表面分形维数之间关系。计算结果表明：在相同分形维数（D）下，随着微突体纵横比v的增大，压力流量因子和剪切流量因子相应增大，且其随分形维数D的变化同随油膜粗糙度比H的变化相比呈现出更强的不规则特性，出现局部最大和最小值，并且分辨率较高。     

基于分形原理的红层软岩崩解特性试验研究

在模拟自然界降雨条件下对湘中地区的红层软岩进行了室内干湿循环下的崩解试验,推导了基于体积与粒径关联的分形维数计算方法,分析了随着干湿循环次数增大时红层软岩崩解物各粒组累计百分含量与各粒组含量的变化规律,研究了不同块度质量对崩解的影响,建立了循环次数与分形维数的数学关系。结果表明：当循环次数增大时,累计百分含量与粒径关系曲线明显向粒径较小的方向移动,且相邻曲线间的间距持续缩小,最终间距趋近于零,体现了软岩崩解速率不断减小且最终几乎不变的规律;大于5 mm～10 mm粒组大颗粒的含量不断减少,而小于5 mm～10 mm粒组小颗粒的含量不断增加;试块质量不同试样的分形维数先快速增加,直至第4次循环后,曲线增长速率明显减小,并逐渐趋于稳定。试块质量越大,其崩解后的分形维数也越大,这说明试块质量的大小与其崩解速率成正相关。建立了干湿循环次数与分形维数的数学关系,分析了数学关系的工程意义。     

小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触分析

基于粗糙表面的分形描述和适用于小Tabor数微突体的黏着弹性接触理论,采用积分方法建立了小Tabor数分形粗糙表面之间的黏着弹性接触模型,获得弹性接触条件下的真实接触面积和载荷表达式,在此基础上采用单因素分析法分析表面粗糙度和材料性质对分离力的影响.结果表明,当分形维数增加时,粗糙表面单位面积上的微突体数目增加且高度减小,从而导致两表面间的分离力增大;当分形粗糙度参数增大时微突体高度增加,从而导致分离力减小;当材料弹性模量增加时黏着作用减弱,从而减小了分离力,而表面黏着能的增加会使分离力急剧增大.     

考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型

基于三维分形理论,建立了考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型,并且考虑了微凸体的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形. 通过该模型,分析了摩擦系数、分形维数、分形粗糙度和接触载荷对热接触热导的影响. 研究结果表明:接触热导随着摩擦系数和分形粗糙度的增大而减小,随着分形维数和接触载荷的增大而增大. 该研究为开展接合面的热传递提供了一定的理论基础.      

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