采动岩层整体移动“类双曲线”理论模型及验证——从二维“类双曲线”到三维“类双曲面”模型

煤炭开采会引起上覆岩层自下而上变形、破断及移动,并导致地表沉陷等问题,其本质是一个力学过程,故亟需发展基于岩层破断力学机理的移动理论模型。首先简要回顾了国内外岩层移动理论模型,然后重点介绍了本团队近年来在岩层整体移动理论模型方面的研究进展。基于不同层位岩层的破断形态的力学分析和相似模拟试验结果,提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型,其顶点大约位于上覆岩层主关键层的层位。进而建立了岩层移动内外“类双曲线”整体模型,给出了采动覆岩内外整体移动表达式及物理意义参数体系。针对不同覆岩和煤层赋存条件,分析了岩层整体移动“类双曲线”模型的演化规律。在此基础上,进一步将二维“类双曲线”拓展到三维“类双曲面”模型,建立了采动覆岩全空间“类双曲面”立体移动模型,该模型包含“类单叶”和“类双叶”双曲面。该理论模型是在我国很多前辈及学者的研究基础上,从系统科学的角度考虑岩层的整体移动规律,初步形成了采动覆岩整体移动“类双曲线(面)”理论模型框架,希望能为我国煤炭科学开采提供理论指导。

等效非均匀荷载条件下梯形截面岩石力学特性试验研究

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯形截面试件压缩时荷载分布与截面高度的关系,并对试验条件下的试件应力分布与岩石状态分区进行讨论,在右侧面高度为75 mm时试件破坏前左侧面处于塑性变形阶段,在右侧面高度为85 mm时试件破坏前左侧面仍处于弹性变形阶段。得到了非均匀荷载压缩条件下单一完整岩体的变形特性;梯形截面砂岩破坏前有明显的分区,各点位塑性硬化程度不一致,S85试件点位3右侧处塑性硬化程度最大,S75试件点位2右侧处塑性硬化程度最大。试验结果表明,非均匀荷载压缩条件下的岩石呈非线性变形特征;同时,岩石局部的损伤会加快附近岩石的塑性软化。提出了非均匀荷载条件下不同竖向截面内轴向应变差会引起附加切应力,附加切应力在中性面上、下方向相反,大小与应变变化率成正相关。在附加切应力作用下,岩石单元最大剪应力平面角度增大,试件破坏形态由原本对“核”形态转变为沿着斜面倾向拉长的相对棱台状。

激光半主动制导半实物仿真系统零位标定方法

基于漫反射屏的激光半主动制导半实物仿真系统由漫反射屏、激光目标特性模拟激光器、二自由度目标视线运动模拟反光镜、激光干扰特性模拟激光器、二自由度干扰视线运动模拟反光镜、三自由度导弹飞行姿态模拟转台、仿真计算机和仿真总控系统等组成,各分系统工程研制完成后,需要确定各分系统的安装位置和方向。本文主要总结了各分系统安装定位方法和零位标定方法,对类似系统的建设具有指导意义。

基于多旋涡湍流模型的红外退化图像仿真

大气湍流效应会导致红外成像降质,为了有效模拟复杂湍流场引起的红外图像模糊现象,本文综合考虑湍流场中旋涡尺度、强度、数量和旋涡随机偏移等因素,提出一种基于改进类高斯点扩展函数的多旋涡湍流模型,对红外图像进行退化仿真;为了定量评估仿真图像的模糊程度,利用模糊图像中心像素向周围扩散的特点,提出基于相邻像素-锐度的图像降质模糊度评估方法。实验结果表明:所提出的退化模型具有图像质量变化平稳、模型参数细致、仿真可控性强等特点,并且所提出的评估方法能准确地反映图像的降质模糊度。

不同厚度岩层破断模式转变机理及力学模型分析

采动岩层的变形、破断、运动模式与采场矿压显现、地表沉陷等密切相关。薄岩层与厚岩层的破断模式又呈现出显著的差异,如何将不同厚度岩层的破断模式统一描述并建立力学模型是岩层移动理论难题。统计了23个典型工作面采动岩层破断结构,基于断裂力学理论对岩层的破断力学因素及运动模式进行了分类,详细分析了其与岩层厚度之间的关系。基于中厚板理论建立了不同厚度岩层破断力学模型,揭示了不同厚度岩层的破断力学机理及破断模式,并给出了相应的判据。结合数值模拟分析了不同厚度岩层在开采过程中的变形、破断和运动规律。研究表明,不同的应力边界条件作用在不同厚度的岩层上面,再加上开采条件的不同,岩层会出现不同的破断模式。随着岩层厚度的增加,岩层所受剪力不断增大,岩层的破断力学机理呈现出拉破断、拉剪破断及剪破断的演化规律;其相应的岩块结构则分别表现为砌体梁结构、分层破断以及台阶岩梁;统计数据表明岩块厚跨比大于0.5的岩层更易发生剪切破断而形成台阶岩梁。基于上述统计和分析,针对厚岩层可能发生的拉剪破断问题,提出混合破断模式的概念,将岩层破断力学因素细化为拉破断、拉剪破断及剪切破断3种;将不同厚度岩层的破断模式分为薄岩层常见的拉破断及遇断层引起的剪破断,厚岩层出现的拉破断、拉剪破断及剪切破断,其中拉剪混合破断分为端部拉剪混合破断、分层联动运动及分层非协调运动等7类破断模式。对岩层破断模式的进一步研究可为采场矿压控制及地表沉陷灾害的防治提供有益的理论支持。

红外成像制导空空导弹半实物仿真技术研究

红外成像制导半实物仿真技术可用于红外成像制导武器的研制、试验和性能评定。本文介绍了一种红外成像制导半实物仿真技术,包括半实物仿真系统设计方案以及仿真方法等。

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制

针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以"锚杆+锚索"支护为主,以提高两帮稳定性目标的"高强刚桁架"综合支护技术;以及以"关键部位注浆",发挥内、外耦合作用的"锚杆+U型钢+锚索"综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。

红外成像制导半实物仿真目标图像生成技术

为实现半实物仿真中红外成像目标的模拟,依托红外动态景象模拟器,进行了成像目标的建模与仿真研究。基于当前主流战机及其红外干扰弹的调研数据,,建立了典型目标的三维模型和辐射模型,根据目标飞行数据求解干扰运动轨迹,生成图像序列以驱动成像系统完成成像目标的仿真。经工程应用证明,该仿真模型逼真可靠,提高了红外成像制导控制系统研究的验证水平。

RT-LAB软件在半实物仿真系统中的应用

介绍了RT-LAB软件的特点,叙述了在Matlab/Simulink环境下,利用RT-LAB软件在系统数学模型和实时仿真计算机之间搭建了一个平台,通过开发的RT-LAB系统仿真软件将系统Matlab数学模型快速、高效地加载到实时仿真计算机上运行,并给出了RT-LAB在飞机刹车半实物仿真系统中的应用实例。

导引头变跟踪点红外图像仿真建模研究

本文以第四代红外成像空空导弹制导半实物仿真过程中导引头对变跟踪点红外图像仿真的需求为研究目的,在分析变跟踪点红外图像仿真需求与传统的采用固定跟踪点红外仿真图像差异的基础上,采用了全新的基于导引头光轴指向的变跟踪点红外图像仿真建模方法。该建模方法利用导引头伺服跟踪平台的实时跟踪参数和仿真战情参数建立了完整的变跟踪点红外图像仿真模型,解决了以往采用固定跟踪点红外图像仿真方法所导致的弹道末端红外图像仿真的原理误差,可满足第四代红外成像空空导弹导引头半实物仿真中红外目标和红外干扰弹图像变跟踪点的仿真需求。

256×256元MOS微电阻阵列动态场景生成装置

基于MOS电阻阵列的动态场景生成装置所生成的红外动态图像具有帧频高和动态范围宽等优点。且装置体积小、质量轻、抗振抗冲击能力强,是红外制导半实物仿真系统目标/干扰环境模拟器的优选之一。本文介绍了256×256元MOS微电阻阵列动态场生成装置的系统组成、工作原理、设计方法和达到的技术状态,可以为制导武器半实物仿真红外成像目标模拟器的设计提供参考。

256×256元MOS电阻阵驱动方法研究

基于MOS电阻阵的红外场景模拟器是半实物仿真系统中的关键设备。介绍了256×256元MOS电阻阵的结构和工作原理,研究了其驱动方法,详细介绍了驱动系统中图像数据传输电路和驱动控制逻辑电路的设计。驱动系统与电阻阵的联合实测结果表明:驱动系统的图像刷新频率达231.4帧/秒,单元像素灰度分辨率为16 bit。经实际使用,该驱动方法完全满足红外成像制导武器测试和半实物仿真的使用需求。

红外图像转换器传递函数测试方法

红外图像转换器是红外成像制导武器半实物仿真系统红外成像目标模拟器的重要组成部分,用于产生动态红外目标/干扰环境特性图像。图像传递函数是评价图像转换器性能优劣的一项综合性技术指标,包含了图像在不同等效黑体温度条件下,不同分辨率对应的图像调制度。叙述了红外图像转换器图像传递函数的定义和测试方法,用经过标定的热像仪和光学放大系统对红外图像转换器产生的图像进行放大,测试了亮、暗条纹的辐亮度,计算了条纹对的对比度。描述了红外热像仪的标定方法和使用注意事项,给出了256×256元MOS电阻阵列红外图像转换器图像传递函数的测试结果。该文可作为红外图像转换器性能考核的参考。

基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器系统冷反分析和解决方法

针对基于MOS电阻阵列的红外成像目标模拟器系统在工程应用中产生冷反的问题,本文分析了MOS电阻阵列结构特点和MOS电阻阵列红外成像目标模拟器存在的问题。利用MOS电阻阵列表面的镜面特性,提出了一种解决冷反现象的设计策略,以及成像目标模拟系统集成的光机调试方法,并验证了该设计策略和集成方法的有效性。

注入式红外成像仿真系统设计

根据红外成像系统的仿真试验需求,设计并实现了一套128像素×128像素的注入式红外成像仿真系统。详细介绍了注入式红外成像仿真系统的设计方案,论述了硬件系统的关键技术和实现方法,介绍了软件实现方案和系统调试方法。试验测试结果表明,模拟图像的帧频达到100 Hz,单元像素的灰度分辨率为16-bit,精度达14-bit。经实际使用表明此系统满足设计指标要求。

基于电阻阵的多谱段目标模拟器设计

针对红外制导控制半实物仿真对多谱段目标模拟器的需求,对多谱段红外目标模拟器进行了研究。对国内外研究现状进行了简要的介绍,分析了多谱段目标模拟的设计思路和原理。通过设计多电阻阵的真空环境箱保证系统性能;通过详细的光学分析计算对光路变焦准直和光路合束原理进行了研究。设计了基于多电阻阵光路对准合成原理的多谱段红外目标模拟器方案。研究表明方案可行,并提出方案能达到的技术指标。

反射式红外多波段准直投影光学系统设计

针对红外制导半实物仿真领域的红外多波段准直投影系统的应用需求,基于同轴三反射系统的物像关系和初级像差理论,计算出系统的初始结构参数,并综合运用了光阑离轴、视场离轴和ZPL语言辅助优化等方法对同轴反射式系统进行离轴优化设计,设计出一个工作波段为1～12μm、视场为8°、焦距为360 mm、出瞳距为1 300 mm的反射式红外多波段准直投影系统。结果表明,在截止频率为10 lp/mm处,波段1～3μm的MTF>0.81,波段3～5μm的MTF>0.63,波段5～8μm的MTF>0.42,波段8～12μm的MTF>0.20,系统体积为240 mm×460 mm×307 mm,达到设计要求。

半实物仿真红外干扰弹运动特性模拟方法研究

为了满足红外制导武器半实物仿真试验的需求,提出了一种使用红外动态景象模拟器模拟红外干扰弹运动特性的方法,建立了图像坐标系下目标-干扰运动学模型;采用MOS电阻阵列红外动态景象模拟器实现了干扰运动特性的模拟,成功应用于某型红外制导武器半实物仿真试验。

半实物仿真系统转台初值及驱动方程奇异性研究

对半实物仿真系统转台初值和驱动方程的奇异性问题进行了研究。通过分析初值算法产生奇异的原因,推导了全角度条件下转台初值算法;采用双欧拉法推导了转台的驱动方程,解决了驱动方程的奇异性问题,实现了任意姿态角的连续解算;在此基础上对解决奇异性的方法在半实物仿真试验中的应用进行了探讨。

深部高应力大变形巷道的工程特征及围岩稳定性

针对深部高应力巷道围岩变形特征,采用现场调查、室内试验与数值模拟等研究方法.首先,依据现场调研结果,分析了高应力软弱围岩表面揭露特征、内部裂隙发育情况与岩石微观结构,获得了一些有价值的结论,深部巷道围岩整体的力学强度均较低;其次,进行了岩石力学试验和强度参数预测分析,认为深部巷道中的岩石强度具有一定的差异性,而且各岩体力学参数的空间分布与岩体密度存在很大差异性;再次,根据深部巷道围岩的力学强度、地应力释放方式与巷道围岩变形之间的关系,认为在深部巷道中不同应力释放方式将会引起不同的围岩变形特征.最后,探讨了不同支护方式对高应力巷道围岩变形的控制作用机理,提出了提高围岩体自身承载能力,实现"柔""刚"耦合、"内""外"共同承载的综合控制支护理念.