可视化实验方法在采矿工程实践教学中的应用

实践教学是采矿工程教学中的一个重要环节。针对采矿工程实践教学中面临的困境与不足,该文将光弹性法引入采矿工程实践教学过程中,介绍将二维动态相移数字光弹性法应用于复合顶板巷道围岩应力分布求解的教学案例,包括数字模型设计、透明实体模型的3D打印、相移光弹性实验和应力场的自动解算,得到复合顶板巷道模型的全场应力分布,丰富采矿工程实践教学的内容,有助于采矿工程学生实验能力的培养、对围岩变形破坏及围岩应力场动态演化过程的认识。

MATLAB在微观结构SEM图像定量分析中的应用

本文介绍利用MATLAB的图像处理工具箱,开发用于微观结构SEM图像定量研究的AnalysisofMicrostructure系统。由SEM获取的图像经该系统处理后,可获得颗粒或孔隙微观结构定量信息以及相应的图表分析。实例分析表明,借助MATLAB处理微观结构SEM图像,可方便地满足研究者的要求。

基于CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析

利用X射线计算机层析术(CT)对混凝土试件单轴压缩过程进行原位扫描,获得了不同荷载下试件的CT图像.通过对CT图像进行分析,获得了灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数随荷载变化的规律.结合数字体散斑法(DVSP)获得了试件内部三维位移场与应变场.结果表明:试件内部不同尺度裂隙的发展导致灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数发生相应的变化,灰度均值及其均方差可以揭示小于CT尺度裂隙的发展规律,孔隙率和计盒维数更适用于描述大于CT尺度裂隙的特征.试件内部的位移场与应变场能够直观地揭示出小于CT尺度微裂隙引起的应变局部化区域的产生及发展过程,为混凝土细观破坏机理研究提供了新方法.

基于数字体散斑法煤样内部三维应变场的测量

煤岩内部三维应力应变场的测量对冲击地压、气体吸附及煤与瓦斯突出的机理研究具有重要意义,但在实验室中很少有方法能够直接测量煤岩内部三维应力应变场。采用新近发展的数字体散斑法与微焦点工业CT相结合的方法分别测量了单轴压缩和CO2气体吸附过程中煤样内部的变形,由变形获得煤样内部的三维应变场。研究表明,煤样内部天然结构可以作为携带变形信息的散斑结构,用于变形测量。通过单轴压缩煤样内部等效应变及体积应变的可视化,直观地显示出试件内部应变局部化区域孕育发展的过程,煤样的变形破坏具有明显的应变局部化特征,应变局部化区域与煤样最终破坏断裂区域位置一致。利用DVSP法测得了煤样吸附CO2过程中的三维应变场,并与应变片测量结果进行了对比,两者具有较好的一致性。通过体积应变的分布图直观揭示出煤样在吸附气体过程中存在膨胀区与压缩区,由于非均质性造成内部变形不均匀。

软土孔隙微观结构的分形研究

根据分形模型的构造方法,提出了孔隙度分维、孔隙分布分维及孔隙边缘形状分维,用以描述软土微结构SEM图像中孔隙的变化情况.利用数字图像处理与分析的方法研究了软土加固前后3种分形维数的变化趋势,发现软土加固后3种分形维数随深度增加有减小趋势,说明软土加固后孔隙的分布面积减少,结构单元体之间排列紧密,孔隙尺寸分布趋于均匀,孔隙边缘趋于光滑.结果表明:软土中孔隙分布及其形状具有分形特征,不同的分形维数可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化,为由微观结构反映土体的宏观力学性能提供了桥梁.

煤样力学特性与内部裂隙演化关系CT实验研究

为了观测煤样内部结构变化和裂隙演化过程,应用X射线工业CT对煤样在单轴加载不同阶段进行了扫描,获取了不同应力状态下CT图像。通过CT图像及其差值图像的统计特征值,分析了煤岩内部裂隙演化与宏观变形间的关系。分析表明:煤样CT图像灰度统计特征值的变化反映试件内部的密度变化,间接反映了试样中裂隙的发育发展过程;将CT图像中每个体素作为研究对象,CT的差值图像表征了试件内部裂隙缺陷体积的演化;CT差值图像的均值与方差更能体现宏观变形不同阶段内部裂隙的相应变化。

光栅位移实时监测系统应用研究

以自行研制的GWG200(C)型光栅位移传感器为基础,建立一套新的顶板离层及围岩变形实时自动监测系统。该系统可以与煤矿安全生产监控系统相结合,实现地面监测和现场遥控监测;系统采用总线布置,可实现多条巷道的实时自动监测;该系统拓展了煤矿安全生产监控系统的功能,节省了线路布设成本。利用该系统在店坪矿的回采工作面回风巷顶板进行工业性试验,监测结果能实时准确地反映离层与变形情况,为巷道顶板进行监测监控、实现安全预警提供了技术保障。

基于CT图像单轴受载煤样损伤计算

针对CT图像的特点,分别从像素与体素两种尺度定义了表面孔隙率与体孔隙率.利用数字地形模型方法计算表面孔隙率,给出了基于工业CT灰度图像体孔隙率的计算方法.对煤样单轴加载下不同阶段的CT图像进行分析,获得了煤样表面孔隙率与体孔隙率随应力变化关系曲线.两种孔隙率都能较好地反映煤样内部损伤变化,表面孔隙率反映的是像素级的孔隙,体孔隙率反映了像素内部的孔隙,更能体现CT图像的特点.

软土路基微结构扫描电镜图像的分形

根据分形模型的构造方法,提出了用于描述软土孔隙变化的孔隙度分维、孔隙分布分维和孔隙边缘形状分维,并以珠江三角洲地区某高速公路软土路基加固为例,用分形维数对土体扫描电镜(SEM)图像进行分析。研究发现,加固后3种分形维数均有不同程度降低,表明加固后孔隙的分布面积减小,结构单元体之间排列紧密,孔隙尺寸分布趋于均匀,孔隙边缘形状变得规整光滑。结果表明,软土中孔隙分布及形状具有分形特征,不同的分形维数,可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化。

数字标记点图像相关法在模型实验中的应用

为提高模型位移测量效率,提出数字标记点图像相关法.通过记录不同状态下设有标记点模型的变形图像,采用相关搜索的方法确定标记点在各状态下的位置,进而求得标记点位移.通过实验,将数字标记点图像相关法与经纬仪测量数据进行了比较,平均偏差在5%以内,说明数字标记点图像相关法满足模型实验测量的要求.数字标记点图像相关法中标记点制作简便,在模型变形过程中做平移运动,求解位移时,可以忽略一阶微分项,简化了求解过程.文中给出Matlab编程实现数字标记点图像相关法的相关命令,易于该方法的应用与推广.

混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究

为了研究混凝土材料的细观结构破坏机理,将其视为由骨料、界面、水泥浆和孔隙组成的复合材料。利用微焦点工业CT对试件进行扫描,获得高精度CT图像。通过图像处理与分割,应用Mimics软件建立三维数值模型,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟并与试件单轴压缩CT原位扫描试验进行对比。结果表明:试件内部界面是其薄弱部位,裂纹首先在界面处产生,沿界面扩展到水泥浆,同时裂纹也会穿过部分骨料,最终贯通形成破裂面。通过对比发现数值模拟高应变区的萌生、扩展、联通与试件单轴压缩CT试验的破坏过程以及最终的破裂面形状都具有一致性,表明该建模方法是可行性。该模型能够充分反映试件内部真实结构特征,为数值方法研究混凝土材料细观特性提供了建模手段。

光弹性贴片法研究钢纤维活性粉末混凝土断裂性能

采用预制裂缝的三点弯曲试件,应用光弹性贴片法研究了不同纤维掺量活性粉末混凝土RPC200的断裂性能。实验获取了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,由光弹性条纹分析了不同纤维掺量试件的初裂荷载及临界有效裂缝长度的变化规律。实验表明,利用光弹性贴片法可以有效的获取钢纤维混凝土裂缝扩展的全过程;随着钢纤维掺量的增加,试件的初裂荷载和峰值荷载得到相应提高,且峰值荷载呈近似线性的增加;当纤维掺量为1%时,临界有效裂缝长度值最大;纤维掺量继续增加,其分布均匀性下降,试件的韧性降低,临界有效裂缝长度减少。

基于工业CT力学实验平台的建立及应用

将工业CT与数字体图像相关法相结合测量物体内部三维变形及应变已发展成为一种新的实验力学方法。本文介绍基于工业CT,自行研制的加载装置和数字体图像相关法(DVC)建立起的力学实验平台,该平台包括基本原理模块、数字虚拟实验模块、原位加载扫描实验模块、变形计算模块和结果输出模块,可以实现单轴压缩、三点弯曲、四点弯曲、点加载及拉伸实验试件内部三维变形场的测量。针对岩石材料与复合材料介绍该平台的应用。

软土单轴固结CT实验研究

以天津港北港池码头地区海相沉积软土为研究对象,自行研制了与CT配套的单轴固结装置,取不同深度的土样分别进行单轴固结实验。逐级加载土样固结后,对土样进行CT扫描,结合CT图像分析软土固结过程中特性变化。研究表明:随着压力的增加,CT图像灰度平均值逐渐增大,说明土样被压实,密度增大;固结过程中,不同种类土样的CT图像标准差变化存在差异性,这与孔隙水压力消散引起土样内部结构的变化有关;引入CT图像灰度压缩系数来反映土样的压缩性能,研究结果表明天津港北港池码头软土具有较高的压缩性。

基于CT纤维增强复合材料三维变形场的测量与分析

利用工业计算机层析技术(Computed Tomography,简称"CT")和自制的加载装置,实现了玻璃纤维增强复合材料试件三点弯曲加载过程的原位扫描,获取了不同加载阶段的CT图像。采用数字体图像相关法(Digital Volume Correlation,简称"DVC")测量分析了试件内部三维位移场和应变场,揭示了试件内部的应变演化特征及破坏机理。纤维增强复合材料内部细观结构特征可以作为变形信息的载体,实验中测量精度为0.063体素(2.8μm)。DVC获取的位移场及应变场分布能直观反映试件内部的结构特征,由横向切应变的分布显示出在试件破坏前已产生了剪切带,最终导致试件在该区域产生层间开裂。此外,由横截面位移分布验证了因横向切应力而导致截面产生翘曲的现象。结果表明,DVC法与工业CT结合所得测量结果能够直观地反映出复合材料内部结构的变形特征,为研究材料内部变形破坏及验证理论模型提供了新方法。

形象化教学方法在振动力学课程中的应用研究

振动力学是一门具有很强工程背景的专业基础课程,以工程实例中抽象出来的模型作为研究对象,采用力学与数学方法进行分析。课本中大量理论公式推导与计算增加了学生学习与理解的难度。根据振动力学课程的特点和学生学习心理,笔者阐明了形象化教学的必要性,提出了形象化教学的4个原则,即熟悉性、层次性、能动性和适当性,同时给出了形象化教学的应用实例。

基于CT图像分析建立岩土材料数值模型的方法研究

根据材料内部真实结构建立数值计算模型是岩土力学研究的一个热点。本文针对不同材料内部结构特征,介绍了等效图形法与边缘矢量化两种建模方法,并以自制孔隙岩土材料和混凝土的CT图像为例,说明了两种建模步骤。分析表明:当图像的灰度直方图具有明显双峰或多峰结构时,特征区域易分割;而当灰度直方图为单峰结构时,可以通过数学形态学的top-hat方法进行图像增强,以方便特征区域的提取。对于孔隙结构,可以利用等效圆或等效椭圆表征,建立相应的数值模型;而当内部结构复杂时,可利用特征边缘矢量化方法进行建模。本研究为如何建立反映岩土材料内部真实结构数值模型提供了方法。

面向21世纪高职专科工程力学教学改革

本文针对21世纪高职教育的人才培养目标,分析了高职专科《工程力学》教学中存在的问题,提出了对《工程力学》课程的教学内容、教学方法与手段进行改革的方法与思路。

盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。

软土加固过程中微结构变化的分形研究

土体内部孔隙的特征及分布情况是土体微结构变化的内因,也是决定土体物理力学性质的主要因素。在软土性质发生改变时,孔隙的变化是最直接、最显著的。所以,对土体微观结构进行研究,应着重研究土中孔隙的变化。由于土中孔隙的复杂性及非确定性,很难用传统的几何方法对其研究和描述。为研究加固前后软黏土微结构的变化情况,在珠江三角洲某高速公路软土路基利用动力排水固结法加固的施工现场,取不同深度内加固前后土样进行压汞测试,用分形理论对压汞测试数据进行分析,探讨软土中孔隙的分布特征,在此基础上提出了土中孔径划分的方法,进而探讨动力排水固结法加固软土地基的微结构变化,建立了加固后土样的孔隙度分维数与土体固结度之间的关系,研究结果表明土中孔隙分布具有分形特征,用孔隙度分维数可以实现对地基加固程度的预测。