基于分形理论的浮环密封端面法向接触刚度仿真研究

浮环密封是现代航空发动机常用的密封形式之一,浮环端面的接触刚度对浮环密封辅助密封面的摩擦磨损性能有重要影响。在分形理论的基础上,基于有限元方法建立了一种新的法向接触刚度计算模型。之后通过该模型计算浮环密封端面法向接触刚度,得到了浮环密封端面法向接触刚度随压力与粗糙度的变化规律。计算结果表明:求得的法向接触刚度与粗糙表面接触试验结果吻合较好,最大相对误差不超过4%;浮环密封端面法向接触刚度随压力的增大而增加,随接触面粗糙度的增大而减小。该方法为浮环密封端面法向接触刚度的计算提供了一种新的思路。

水力耦合下煤样声发射分形−渗透率模型及试验研究

煤样轴向应力加载-水压渗流作用下裂隙(孔隙)发展直接影响煤样试件的力学指标与渗流特性,文中通过理论解析与力学试验方法,分析了煤样试件裂隙(孔隙)主导下渗透率与声发射分形维数、振铃计数响应关系,建立了水力耦合作用下煤样声发射分形-渗透率模型,开展了不同围压(2~5 MPa,Δpw(渗透压)/p'c(围压)=0.75)下水力耦合煤样渗流试验,分析了不同围压(水压)下煤样试件的力学行为、声发射规律与渗流特征,探讨了不同围压下煤样试件的强度提升特点与破坏形态-声发射定位关系,验证了水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型合理性。结果表明:煤样试件渗流试验中裂隙(孔隙)变化与声发射振铃具有一致性,裂隙(孔隙)扩展与声发射分形维数、渗透率密切相关,声发射分形、渗透率可用体积应变表征,基于声发射分形的水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型可采用2段式数学模型解析;煤样渗流全应力-应变过程中渗透率表现为短时减少—长时缓慢增加—急速增加—小幅回落过程,振铃计数呈快速增加—减少—增加—减少波浪型发展,渗透率最小值滞后体积应变压缩与膨胀临界点,最小渗透率变化在0.124×10^(-17)~1.250×10^(-17)m^(2);随着围压(2~5 MPa)增加,煤样峰值偏应力、峰值轴向应变与峰值体积应变均呈增大趋势,线性特征显著,煤样峰值渗透率滞后峰值强度呈减小趋势,减幅达到93.34%,最大声发射振铃计数(对应峰值强度位置)表现为增加趋势;水力耦合下煤样试件有效黏聚力和有效内摩擦角分别提高到6.5116 MPa与36.56º,随着围压(2~5 MPa)增加,煤样试件的声发射信息由单斜面向不规整斜面过渡,主控破裂面角度由小角度向高角度转变,失稳由单块体剪切变为多块体压缩形态,试件破裂可采用声发射定位振铃计数表达;煤样试件声发射分形-体积应变、渗透率与体积应变、分形与渗透率3个试验曲线与理论曲线较为吻合,围压2~5 MPa试件压缩阶段相关性分别在0.882~0.999、0.950~0.998与0.849~0.997,围压2~5 MPa试件膨胀阶段相关性0.937~0.996、0.891~0.998与0.873~0.966。

钴铜混合离子-DC^(-)凝胶体系有序结构的FTIR研究

在体外模拟胆结石形成机制的体系,选取混合金属离子Co^(2+)和Cu^(2+)研究其相互耦合,考察Co^(2+)/Cu^(2+)-DC^(-)凝胶体系有序结构的特征,分别用扫描仪及体式显微镜记录体系产生的沉淀的时空图案;傅里叶变换红外谱从凝胶中剥离的沉淀的微观结构。结果显示:Co^(2+)和Cu^(2+)存在相互影响,其混合离子-DC^(-)凝胶体系的沉淀物的时空图案与其单一离子-DC^(-)凝胶体系不同,Co^(2+)-DC^(-)凝胶体系沉淀形貌特征为以粉色花状分形形成周期环;Cu^(2+)-DC^(-)凝胶体系沉淀形貌特征为以蓝色球形颗粒形成周期环;混合金属离子Co^(2+)/Cu^(2+)-DC^(-)凝胶体系沉淀形貌更具复杂性:浅蓝色颗粒组成花状分形再以周期环分布、浅粉色花状分形的枝杈存在颗粒形态分布。FTIR光谱显示,混合离子Co^(2+)/Cu^(2+)-DC^(-)凝胶体系多种沉淀物为Co^(2+),Cu^(2+)-DC^(-)双核配合物,具有非化学计量特征。

利用科赫分形解耦的四端口紧凑型QSC UWB MIMO天线

提出一种利用共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)馈电的四端口紧凑型准自互补(Quasi-self-complementary,QSC)超宽带(Ultra-Wideband,UWB)多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)天线。此UWB MIMO天线的整体尺寸为40 mm×30 mm×0.8 mm,由4个六边形准自互补辐射单元对称排列而成,印刷在介质板的一侧。介质板另一侧印刷科赫分形解耦枝节和新型正六边形双开口谐振环(double-split ring resonator,DSRR)阵列,分别提升低频和高频处天线单元间的隔离度。实验与测试结果表明,此天线的工作带宽为3.1 GHz~15.5 GHz,在大部分工作频段内,隔离度达到20 dB以上。此外,天线在整个工作频带内具有良好的辐射特性和稳定的增益。包络相关系数小于0.04,表明该天线能够很好地满足极化分集特性,可用于便携式UWB MIMO无线通信系统。

分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究

为探究不同浸水时间对泥质粉砂岩加载破坏过程的影响,以天然状态、浸水1,3,7 d状态下滇中引水工程大理Ⅱ标段板凳山隧洞的泥质粉砂岩为样品,进行单轴分级加载试验,监测岩样从加载至破坏的全过程声发射(AE)活动。试验表明:(1)随着浸泡天数的增加,AE累计振铃计数逐渐衰减,在分级加载时,天然岩样的累计振铃计数曲线有明显上升台阶,浸水岩样的累计振铃计数曲线的跃升主要集中在破坏阶段。(2)天然岩样较浸水岩样的脆性更强,破坏时AE活动频度较高,表现为AE定位点在主破裂面附近泵集,破坏面附近定位点的能级较浸水岩样高1~2个能级。(3)随着加载应力增加,浸水岩样的含水率越高,岩样的破裂损伤阶段较天然岩样有所提前,AE定位点主要集中在破坏阶段,定位点数量的激增更加明显,这与振铃计数的变化规律相吻合。(4)不同含水率岩样在相对破坏应力80%之前,关联维数均呈现上升的趋势,在相对应力的80%附近关联维数上升至最大值,应力继续增大,岩样破坏,关联维数跌落至最小值,不同含水率岩样的关联维数最小值均介于0.020~0.035之间。以上岩样的破坏特点可为隧洞涌水情况下岩体稳定性监测提供参考依据。

浮环密封端面分形磨损有限元模拟及试验验证

针对浮环密封运行过程中高频浮动导致的密封端面磨损进而造成密封泄漏量增大的问题,建立基于分形理论的浮环密封端面分形磨损预估模型,采用ABAQUS中的UMESHMOTION子程序和ALE自适应网格技术对浮环密封端面磨损过程进行仿真模拟,通过修正的Archard磨损理论计算接触区域的磨损深度,开展浮环端面磨损的内在规律研究,并通过试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了浮环端面表面形貌及工况参数对磨损深度的影响,以期为浮环端面密封的设计及磨损防护提供指导。研究结果表明:浮环端面磨损深度随着分形维数D的增加而减小,但随着特征尺度G的增加而增大,当D≤1.65时,G的变化对磨损深度影响尤为显著;随着浮环端面载荷增加,其磨损深度呈现与分形维数D和特征尺度G增加有关的近似线性上升趋势;磨损循环次数的不同将形成各异的磨损深度分布,而随着循环次数的增加,石墨浮环的磨损深度逐渐上升,尤其在接触区边缘达到峰值,并在磨损区域两端出现明显的凹陷。

体外模拟胆结石有序结构研究

介绍了体外模拟胆结石有序结构的化学反应体系:金属离子-脱氧胆酸凝胶体系。在凝胶介质中,当金属离子与脱氧胆酸钠形成沉淀的反应远离平衡态时,沉淀生长得到类似于胆结石中的周期环/分形有序结构。用扫描仪、体式显微镜记录有序结构的形貌;傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征沉淀的微观结构;从微观结构认识胆结石的形成。

一种新型共边矩形环嵌套的分形多频天线设计

提出了一种新型分形结构的天线,该分形结构由多个共用一条边的矩形环嵌套构成。由于结构的自相似特性,使天线能够在多个频段工作。研究表明,天线的通频带个数由分形结构的矩形环个数控制,且各谐振频点与相应辐射单元的尺寸密切相关。设计了能同时工作在蓝牙、WLAN和Wi MAX频段的三频天线,天线仿真的谐振频点分别为2.44 GHz、3.55 GHz和5.59 GHz,相应的带宽分别为7.0%(2.35 GHz^2.52 GHz)、15.0%(3.28 GHz^3.81 GHz)和30.1%(5.13 GHz^6.95 GHz)。实物的测试结果与仿真结果基本吻合,符合设计要求。

ATP-Co^(2+)-脱氧胆酸-凝胶体系的分形/周期沉淀

在体外模拟胆结石形成的实验中,选取腺苷-5’-三磷酸(ATP)-金属离子-脱氧胆酸(DC)凝胶体系进行了分形/周期有序结构的生长实验,研究ATP对Co2+-脱氧胆酸凝胶体系形成的分形/周期沉淀的影响,用FTIR表征有序沉淀物的结构。结果表明:在ATP存在下的Co2+-DC凝胶体系中,可形成周期沉淀及分形结构共存的复杂时空图案,ATP对Co2+-脱氧胆酸凝胶体系形成的图案模式较AMP的影响显著,体系的图案从分形模式转化为周期沉淀,ATP、脱氧胆酸钠、Co2+存在复杂的相互作用,生成透明晶体新物质;红外光谱结果显示该晶体为脱氧胆酸,周期沉淀物为ATP、DC共同与金属离子配位的结果。此结果说明核苷酸作为重要的生命物质在结石形成过程中起到重要作用,结石的形成具有复杂的、非线性化学特性。

温度与加载速率对岩石力学性质的影响

通过实时高温不同加载速率下花岗岩的单轴压缩声发射试验和扫描电镜试验,研究了岩样在温度和加载速率共同作用下的力学性质与分形特征。研究结果表明:(1)岩样应力—应变曲线可以分成压密、线弹性、非弹性和破坏四个阶段。随着加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,岩样压密阶段变短,弹性模量增加,峰值应变逐渐减小。(2)岩样峰值应力、振铃计数率与温度的变化规律相一致,均呈现先下降后上升趋势,在600℃时达到最小值。(3)峰值应力、振铃计数率随加载速率的增加呈线性增大趋势。加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,峰值应力由37.166 MPa增加至53.769 MPa,增幅为44.673%;振铃计数率由107 380增加至141 644,增幅为31.909%。(4)岩样破裂的分形维数与加载速率呈线性增大,但温度超过600℃,岩样结构晶体改变,温度的影响占据了主要因素,导致分形维数随加载速率变化规律不明显。研究成果为岩土地下扰动、工程爆破等实际工程中岩石力学参数的选取提供了有益的参考价值。

金属-脱氧胆酸凝胶体系中的分形沉淀及维数计算

结合胆结石生成的体内环境，在金属－脱氧胆酸凝胶体系中得到了各种金属离子与脱氧胆酸结合生成的分形和ＬｉｅｓｅｇａｎｇＲｉｎｇｓ沉淀。经过图象处理，测量了各种分形图案的分维数。

软岩声发射序列分形特征研究

为研究软岩声发射序列的分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对膏质泥岩、粉砂岩、页岩进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明：声发射序列分形是有限度的,超过一定限度不再分形;随相空间维数m的增加,双对数图整体下移且无标度区变窄,同时关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;3类岩石均在应力水平40%~50%时,关联维数D值最大,随后声发射活动在主破裂附近产生丛集现象,关联维数降低至较低水平;声发射分形维数的演化表现为＂波动-上升-有起伏的整体下降＂链式模式,同时得出损伤破裂的分形识别模式为＂峰值-第2波峰＂模式或称＂反对号（■）＂模式。据此为岩体稳定性监测提供一种新的识别方法。

单轴压缩下砂岩声发射及分形特征研究

为研究砂岩在单轴压缩下声发射及分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对早古生代志留系下统小河坝组(S1x)砂岩进行单轴压缩下的声发射试验,结合声发射特征参数、应力应变关系以及分形特性,对岩石整个失稳破坏过程进行分析。结果表明:小河坝组砂岩声发射及分形特征、力学特性在岩石损伤破裂过程中具有一致性,以应力比0.6~0.8之间振铃计数率的变化趋势段作为岩体失稳与破坏的识别方法;相空间维数的选取对关联维数有一定影响,随相空间维数m的增加,关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;声发射序列在应力比为0.3~0.5时,关联维数D值最大;声发射序列关联维数曲线表现为"波动-上升-下降-波动"的演化模式,在较高应力比0.7~0.8时,关联维数D在介于0.9~1.4之间小幅波动。据此,可为工程中岩体失稳与破坏的监测预报提供一定的理论基础与数据支撑。

基于低温氮吸附和压汞法的焦煤孔隙结构研究

为了明确平顶山十二矿深部焦煤孔隙结构特征,采用低温氮吸附法和压汞法相结合对其软硬煤进行实验研究,并利用Menger海绵模型对压汞法所测参数进行孔隙结构分形。结果表明:软硬煤低温氮吸附等温线均接近IV型等温线,软硬煤发育较为一致,有较小的滞后回环,微孔、小孔孔隙类型主要是一端封闭的不透气性孔及封闭孔,中孔以上孔隙以开放性透气性孔为主,软煤中还有部分墨水瓶型孔;压汞法测得软煤孔面积为5.058 m^(2)/g,孔体积为0.0375 cm^(3)/g,硬煤孔面积为4.641 m^(2)/g,孔体积为0.0368 cm^(3)/g;软硬煤孔径分布较为一致,吸附空间集中在微孔、小孔,较高的微孔比例有利于瓦斯的储存;焦煤煤样孔隙特征呈“两极化”分布,大孔、可见孔和裂隙比较发育,构成煤的渗透容积,有利于平顶山十二矿煤层瓦斯的流动与抽采,但是较少的中孔孔隙比例可能会造成瓦斯产出运移通道不畅;软硬煤渗流孔具有明显的分形特征,吸附孔分形维数普遍高于渗流孔分形维数,说明微小孔孔隙结构更为复杂,不规则性较强。

机械密封磨合过程软质环端面形貌变化的分形表征

为研究和掌握机械密封磨合过程中软质环端面形貌的变化规律,在自制的机械密封试验装置上对2套B104a-70型机械密封进行了2种弹簧比压下的磨合试验,采用AF-LI型轮廓仪测量不同工作时段软质环的端面形貌参数,运用分形理论对磨合过程中表面形貌的变化规律进行表征研究。结果表明:软质环端面存在明显的磨合阶段,随着磨合过程的进行,分形维数D和特征分形参数τ*迅速增大,特征尺度系数G迅速减小,当进入正常磨损阶段后,它们都保持较稳定的数值,稳定值分别为D≈1.636、G≈5.7×10-9 m、τ*≈1 030μm。特征分形参数表征磨合表面变化规律的灵敏性高,表征效果好。端面载荷对端面分形参数的变化趋势无显著影响,且对进入正常磨损阶段后的端面分形参数的影响很小,但载荷大磨合期短,弹簧比压为0.15MPa和0.3MPa时,磨合时间分别约为170.5h和110.5h。

高温预损伤下煤岩蠕变声发射及分形特征

为了研究高温条件下煤岩微裂缝发展及破坏规律,对煤样进行不同温度预损伤和三轴蠕变声发射实验,探讨煤岩在经历高温预损伤过后的力学行为特征。研究结果表明:随着温度升高,煤岩预损伤呈幂函数型递增;较低温(≤200℃)预损伤下,煤岩呈脆性破坏特征,加速蠕变特征不明显;较高温(>200℃)预损伤下,煤岩呈韧-脆性破坏特征,且加速蠕变特征较明显;稳态蠕变速率εs的对数值与预损伤D之间呈线性相关关系;温度越高,煤岩的声发射振铃计数率水平越小,呈低频低幅值变化,且蠕变3阶段越趋于"同频"发展,累计振铃计数Nm与预损伤D之间呈负指数型函数递减;分形维数值呈"减小-动态稳定-再次减小"3阶段变化,并与蠕变3阶段相对应,分形维数由稳态向减小转变的转折点可作为判断煤岩失稳破坏的依据;温度越高(预损伤值越大),分形维数df越大,岩样破坏越无序。研究成果对于揭示经历不同温度热解气化损伤后煤岩的长期力学行为具有重要意义。

琼脂凝胶双向扩散法模拟尿石形成及影响因素的研究

采用双扩散法研究了琼脂凝胶介质的尿酸体系中环状及分形结构的产生,并考察了影响环生长的有关因素.结果表明:金属离子的种类影响环的个数;离子的浓度影响环的宽度;葡萄糖可调控Liesegang环的形成;而1,2-双(邻氨基苯氧基)乙烷-N,N-N',N'-四乙酸(2-BAPTA)则对环的形成有明显的抑制作用.

单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究

为研究花岗岩变形破坏过程中次声波信号特征,对中细粒二长花岗岩进行了单轴压缩次声波试验,研究了岩石变形破坏过程中次声波振铃次数、能率特征,重点分析了不同应力水平下累计振铃次数变化规律,同时对次声波能率分形维数进行了研究。研究结果表明:次声波振铃次数与能率在应力峰值前均有突增现象;相对应力水平小于70%左右时,次声波累计振铃次数变化整体趋向平稳,相对应力水平大于70%左右时,累计振铃次数呈现明显上升趋势;次声波能率具有明显的分形特性,能率分形维数在相对应力水平87%~96%范围内降至最小值,这一现象可作为岩石破坏的前兆特征。

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。

节理产状极点分布的分形维改进方法

定量化描述结构面产状的空间分布特征一直是研究的重点和难点,有助于判断不稳定块体的组合形式,为分析岩体稳定性提供准确、有效信息。基于陈剑平等提出的岩体节理产状极点分布分形维计算方法,从Schmidt极点图的等面积网格剖分原理入手,对其方法进行修改,直接对Dips软件形成的Schmidt产状极点图进行网格剖分,将自定义输入变量直接改为环数n,大大简化了网格剖分的编制程序。并以大岗山水电站坝区右岸拱肩槽内侧边坡测网资料为基础,计算岩体节理产状极点分布分形维D,其结论和数据与陈剑平等的方法所得基本一致,验证了修正方法的正确性和可行性,为陈剑平等方法的普遍应用起到了一定的推广作用。