船舶板架结构变形场测量技术研究

船舶结构强度试验过程中,传统的离散点变形测量技术难以获得结构的全场变形数据,因而无法有效揭示结构的渐进破坏过程。本文基于数字图像相关和三维激光扫描原理,提出适用于船舶板架结构变形测量的位移形函数与子区相关性准则,发展定量可控的数字散斑场制作方法,形成船舶板架结构几何形貌测量方法,建立船舶板架结构变形场测量技术;在此基础上,开展船舶板架结构模型变形场演化过程测量试验,获得模型在纵向压缩载荷所用下的结构变形场,尤其是模型结构临界状态前后的失效演化行为,揭示船舶板架结构变形场的时空演化规律,可为实船结构的失效模式识别提供基础测量技术手段。

裂纹尖端三维变形场的细观力学研究

裂纹尖端的变形在裂纹萌生和扩展过程中起着重要的作用。本文从理论上讨论了裂纹尖端面内变形场 ,对理论解和级数解作了比较 ,结果表明该级数解收敛很快 ,取到第 3项已接近理论解。通过试验测量了裂纹尖端的三维变形场 ,分别将面内变形场和离面变形场与理论面内变形场和有限元计算的离面变形场作了比较。表明裂纹尖端 3个方向的变形同时存在 。

面向超洁净流控的基于磁性薄膜标记柔性隔膜变形场重构方法研究

面向半导体等领域的超洁净流控需求,提出了一种基于磁性薄膜标记的柔性隔膜变形场重构技术。利用磁性薄膜标记柔性隔膜形变,建立磁性薄膜激励空间磁场与柔性隔膜变形场之间的映射关系,基于长短期记忆神经网络构建磁性薄膜磁场和变形场的预测模型,实现了磁性薄膜在不同形变状态下的变形场重构,间接监测超洁净流控柔性部件隔膜的运行工况。通过COMSOL Multiphysics仿真平台获得训练样本数据,并根据训练完成的神经网络模型对预测变形场数据进行了分析,验证了方案的可行性。

北京“7.21”暴雨过程中变形场引起的锋生与倾斜涡度发展诊断分析

从变形场驱动锋生及通过锋生引起倾斜涡度发展的角度对变形场在北京"7.21"暴雨发生、发展过程中的可能作用机制进行了初步探讨。诊断结果发现:北京地区降水产生时,变形向量与等位温线走向一致或有较小夹角,北京地区有较强的变形场局地锋生过程。锋生函数分析发现,变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献。锋生能够引发大气动力、热力结构的调整,伴随大气锋生过程的高空急流加强和转竖使得北京地区处于高空急流入口区右侧的辐散区中,其带动低层空气辐合,有助于暴雨的加强维持。分析还发现,"7.21"暴雨过程中,垂直涡度存在爆发性发展,尤其是锋面降水阶段,而大气斜压度的增长趋势与垂直涡度增长趋势十分一致。分析全型涡度方程中与变形场有关的斜压度个别变化项发现,与变形场相关的垂直涡度驱动项异常正值区与垂直涡度爆发性增长区相对应,表明变形场在北京"7.21"暴雨过程中对垂直涡度发展有重要贡献。基于变形场沿其压缩轴方向气流汇合的特点,进一步分析了加入水汽作用的水汽通量变形场与暴雨发生、发展的关系。分析结果发现,低层水汽通量变形场的正值区与暴雨具有很强的相关,且水汽通量变形场包含两部分,一部分为比湿平流,其对未来暴雨区位置有很好的指示意义;一部分为变形场项,其对水汽通量变形场分布起主要贡献。

变形场锋生对0108登陆台风温带变性和暴雨形成作用的诊断分析

文中利用MM5模式对0108(桃芝)台风温带变性特征及暴雨的发生发展机制进行了诊断分析。分析表明0108(桃芝)台风登陆后其大风区向外扩展,中心区以外的气压仍有下降。由于锋面的斜压作用其温度场结构发生了明显变化,由对称的暖心结构演变为半暖半冷的温带气旋非对称结构,相对应的高度场、流场特征亦表现出非对称结构。通过计算变形向量、锋生函数及非地转风的分布,发现在锋生函数中变形项所起作用比散度项和倾斜项要早、要大,对台风温带变性有重要的作用。而锋生结果加强了风场的非地转性并强迫出锋面垂直次级环流,造成强烈的辐合上升运动,引起台风暴雨的增幅。

立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场

采用立体摄影术与数字图像相关技术相结合的方法测量了三维位移场。首先利用两个CCD摄像机在空间两个不同位置拍摄物体表面在变形前后同一个区域之间的散斑图像;然后利用数字散斑相关技术求解这四幅散斑图像之间的相对位移;最后利用立体摄影的几何转换公式来确定物体表面的三维变形场。给出了该立体摄影测试系统的标定结果以及编织复合材料试件的三维变形测量结果。

基于边坡变形场的抗滑桩最优加固位置探讨

采用抗滑桩加固滑坡体是工程中常用的一个方法,其中涉及到很关键的一个问题是抗滑桩合理位置的确定,本文认为抗滑桩设置使得滑坡的安全系数最大应是最优的设置位置。基于变模量强度折减法方法求得滑坡体的变形场,通过研究发现抗滑桩设置于滑坡体中位移最大的地方可以得到最大的安全系数,因此,抗滑桩加固时的合理位置可以通过变形场来确定,既方便又合理。所得到的分析结果对边(滑)坡治理工程中抗滑桩的设桩位置确定具有参考意义。

多孔介质的变形场-渗流场-温度场耦合有限元分析

在推证多孔介质三场耦合数学模型微分控制方程的基础上，系统地推导了６结点三角形单元的固液两相介质 的温度场、变形场、渗流场三场耦合问题的有限元格式，开发了我国的三场耦合数值分析软件ＣＤＳＴ，并对该程序的 可靠性及分析精度进行了验证，最后运用该软件对一工程实例进行了三场耦合有限元分析。

寒区复合地基的温度场、水分场与变形场三场耦合模型

在冻土多相介质静力平衡方程、质量守恒原理、能量守恒原理、土骨架与冰颗料、水之间的传力机制及水、冰之间相变机制的基础上,系统地推导了冻土中土、冰、水三相介质的温度场、变形场、水分场三场耦合问题的微分控制方程,开发了相应的冻土三场耦合数值分析软件CDST,并对该软件的可靠性及分析精度进行了验证,最后对一寒区碎石桩复合地基实例进行了三场耦合有限元分析,分析计算结果显示:a.冻胀与融沉量不仅与温度升、降幅有直接关系,还与土体渗透系数有密切关系,将复合地基的渗透系数降低一个数量级,入冬时地基的孔隙水渗透变缓、冻胀加剧;b.碎石桩与砂土地基因不同的导热性、渗透性造成不同的冻胀、融沉特点,说明了碎石护坡,碎石路基施工措施的防冻胀机理,进一步的系统分析与数值试验,可为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据。

岩石圆孔结构破坏过程变形场演化的实验研究

采用自行设计的岩石材料破坏过程变形场监测系统(Geo-DSCM系统),观测了受单轴压缩的岩石圆孔结构破坏过程中的变形场演化。圆孔结构由大理岩方板在中心钻孔加工而成,以0.02 mm/min的位移加载速度进行单轴压缩至破坏。实验结果表明,载荷水平较低时圆孔结构的拉应力集中部位发生变形集中现象;当载荷水平接近加载曲线的峰值点时,变形集中在两条共轭的与加载方向成一定角度的局部化带上;之后,变形的集中迁移到其中一条带上集中,结构最终在此带上形成宏观裂纹而破坏。

不同冲击倾向煤样表面温度场与变形场演化特征

采用实验手段,研究单轴压缩过程中,冲击倾向性和非冲击倾向性煤样表面变形场和温度场演化特征。运用白光散斑分析方法,对样品表面变形局部化带演化进行数据分析,发现非冲击倾向性煤样局部化出现在加载的弹性阶段,而冲击倾向性煤样出现在塑性阶段,冲击煤样的变形场演化要较非冲击煤样剧烈;冲击煤样与非冲击煤样的变形局部化内部区域温度整体较外部区域高,且变化规律基本相同,而局部化内外温差变化与其相反;冲击煤样的绝对温度变化较非冲击样品变化大;冲击煤样的温度场对应的变形局部化演化较非冲击煤样简单;基于不同煤样的全岩矿物分析及黏土矿物成分分析,对比了冲击煤样与非冲击煤样内部晶体、非晶体及黏土矿物的含量,从而探讨内部组分对宏观温度场和变形场的影响。

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130kN,频率为0.04Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明:循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程。为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(UltraHi DAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射信号的同步采集。依托该系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几s到若干μs的瞬态变形过程,即亚失稳准动态阶段进行了精细、深入的观测,解析了相关的震源力学问题,获得以下认识:1)伴随断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据;2)亚失稳准动态阶段的应变场特征(应变调整)表现为以应变逐点的逐次加速和往复传递;3)准动态过程中每个子阶段都存在短暂的准备期,其可能有助于临震预测;4)一次断层失稳事件(实验室地震)可以伴随发生多次震源应变高频震荡以及对应的多次声发射事件。

路基冻结过程中温度场对变形场的影响

为了研究冻土路基温度场及变形场的动态变化规律,基于伴有相变的路基非稳态温度场控制方程和冻土路基变形场二维数值计算模型,对冬季冻土路基温度场和变形场进行了计算分析,得出路基深层土中的温度变化滞后于表层土和气温;对于冻胀冰锋线分布较广的路基,其破坏易在坡脚处产生;冻胀冰锋线分布范围较小的路基,破坏大致发生在竖向位移较大的路基中部。结果表明,冻胀冰锋线的范围是影响路基变形场的重要因素。

岩石加载过程中表面变形场的演化机制

应用数字散斑相关法和声发射技术,开展岩石单轴加载过程中损伤破坏机理研究。结合岩石加载过程中数字散斑图像和声发射监测数据,分析岩石单轴加载过程中裂纹扩展与损伤演化规律、岩石表面变形场演化与分区化特征。结果表明:岩石试件加载过程中应力曲线与声发射振铃计算曲线表现出明显的对应关系,加载过程中声发射参数特征可以较好的反映岩石加载过程内部损伤与裂纹扩展规律。数字散斑相关法可用于分析岩石加载过程中轴向与横向变形场分布和裂纹扩展规律。数字散斑计算的横向位移场、横向主应力方向对试件产生的影响更明显,说明岩石在单轴压缩过程中的破坏,主要是由拉应力引起横向变形集中而产生的局部剪切破坏。

2010年6月中下旬南方暴雨过程变形场作用分析

利用常规原始报文资料,采用基于Lanczos窗口滤波器的合成分析方法,对2010年6月13—27日的形势场、物理量进行合成分析,计算并分析了低空合成风场的总变形。结果表明:500 hPa大陆中、高纬地区存在一"Ω"形类阻塞高压,西北冷空气从其东部源源不断向长江及以南地区输送,与副热带高压西北侧的西南暖湿气流在我国南方地区交汇。700、850 hPa大陆高压与西太平洋副热带高压之间形成的鞍型场,位于长江以南地区,鞍型场鞍点附近及其东部膨胀轴是暴雨发生的主要区域。在南方地区上空200 hPa西北气流辐散产生的抽吸作用,对这次长时间、高强度的降水起了重要作用。发生在鞍型场和切变线上的低空中尺度气旋,是造成暴雨的重要天气系统。鞍型场膨胀轴附近,总变形最大,其位置、走向均与雨带基本一致,有利于锋生和中尺度气旋形成。低空冷暖气流交汇区域形成低空强θse梯度,在垂直剖面图上,等θse线呈现十分倾斜状态,该区域强θse水平梯度与低空总变形、正涡度区一致,可能是特大暴雨发生的重要因素。

基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究

目的初步构建一套集成显微CT与力学加载装置的测试系统,结合数字体相关技术(digital volume correla-tion,DVC)实现骨组织内部微观三维变形场的测量。方法选用微型力学加载装置进行单轴压缩试验,维持载荷不变的同时对试样进行CT扫描;采用DVC方法对连续CT图像序列进行相关匹配和搜索计算,测量载荷变化前后试样内部结构沿三维方向的微观位移值;通过零位移重复扫描和刚体平移评价该系统的测量精度及准确度;利用该系统测试牛松质骨块的三维位移场分布。结果零位移重复扫描结果显示该系统测量加载方向的位移准确度最高,测量精度低于CT扫描分辨率的1/10;刚体平移结果显示计算位移标准差为0.001～0.002μm;松质骨块测试区域在600 N载荷作用下沿加载方向的微观位移范围为100.35～110.25μm,位移场呈现多层逐级分布。结论该系统能够满足数字体相关法测量位移的准确度及精度要求,能够实现骨组织内部微观结构的三维变形场测量,可以作为进一步研究骨组织内部变形分布与结构成分响应关系的测量平台。

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.

涡轮增压器叶轮超速预过载处理技术的研究(1)——超速预过载叶轮残余变形场分析

利用循环对称条件 ,将增压器叶轮简化为由实体单元与平面壳体单元组合而成的有限元分析模型。用弹塑性有限元法分析超速预过载处理后叶轮的残余位移、应变及应力场 ,给出相应的求解结果。将叶轮关键部位的实测值与计算结果比较 ,结果表明本文所采用的有限元分析模型是可行的 ,弹塑性有限元分析结果可作为叶轮设计及加工工艺的参考。

平面应力裂纹尖端复合型弹塑性变形场和约束场的有限元分析

应用有限元方法分析了不同Ⅰ＋Ⅱ复合型下裂纹尖端的变形场和约束场（应力三轴性水平Ｒσ分布），结果表明，平面应力条件下复合型裂端变形是不对称的相反塑性变形，符合钝化—锐化模型。Ⅰ＋Ⅱ复合加载时裂端出现负约束的区域（该区Ｒσ＜０），随Ⅱ型分量增加，负约束区域增大，且最大正约束水平Ｒσｍａｘ降低。实际裂端的约束水平及其分布满足ＨＲＲ场所要求的独立于外载荷水平和距裂端距离的性质。平面应力条件下裂端的约束水平远低于相应条件下平面应变时裂端的约束水平。本文亦讨论了复合变形损伤的力学行为。