弹塑性三维各向异性分形表面的接触分析

Weierstrass-Mandelbrot函数能模拟加权、随机重叠的隆起部状表面,该函数是更起作用通用的单变量标量.给出三维各向异性分形表面高度函数的推导过程,分析三维各向异性分形表面特征.将分形维数推广到三维的一般情况,给出弹性、完全塑性接触时单峰的实际接触面积与单峰的横截面积之间的不同关系.理论分析易适用于解释各向异性分形表面与不同材料行为.

基于卷积神经网络的三维表面分形维数识别

分形维数作为机械加工表面形貌的重要参数,可用于接触表面的摩擦特性分析。然而,现有的分形维数计算方法大多需要选择多组尺度计算相应的测度,这不仅影响分形维数的计算速度和精度,也增加了计算的复杂度。针对机加工表面的三维分形维数测量问题,提出一种基于卷积神经网络的分形维数的识别方法。采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建一个包含不同分形维数的三维粗糙表面数据集,利用单因素实验法分析网络参数(网络深度、滤波器大小、滤波器数量)对三维分形维数识别精度的影响,以找到最优的神经网络参数组合。通过与差分盒维数法、三角棱镜表面积法和分形布朗运动法3种方法进行对比,验证卷积神经网络法识别三维分形维数的有效性。实验结果表明:基于卷积神经网络方法计算的分形维数平均绝对百分比误差可控制在1.5%以下;该方法在分形维数全动态范围内都表现出较小的误差,可用于计算三维表面轮廓分形维数。

四种粗加工表面三维分形维数的测定与比较

工件表面形貌对工件表面质量和摩擦性能有着重要的影响。为了对表面形貌特征进行表征,以4组机加工样块为研究对象,测得样件表面粗糙度和表面形貌,并应用盒子法和灰度法计算出其三维分形维数,分析对比三维分形维数与粗糙度以及表面形貌之间的关系。结果表明:三维分形维数与粗糙度基本成正比关系,随着粗糙度的增大而增加;粗糙度相同时,不同加工方式下的三维分形维数不同,分形维数越大,表面形貌越复杂,细节越多,划痕凹坑越明显,表面质量越差;与传统二维轮廓粗糙度表征方法相比,三维分形维数更能全面客观描述表面的整体形貌特征,这为后续的表面质量、摩擦润滑等研究奠定了理论基础。

各向异性胶体基底表面的分形凝聚体

对各向异性胶体基底表面的分枝状金原子凝聚体的生长机制进行了研究。沉积在无规杂质区域的熔融玻璃表面的金原子先形成网状结构的薄膜 ,然后逐渐演变成分枝状凝聚体。根据这一实验结果 ,建立了各向异性的团簇 团簇凝聚模型 ,对此类胶体基底表面的金原子分枝状凝聚体的生长全过程进行了计算机模拟 ,研究了杂质区域对凝聚体各种参数的影响 。

各向异性分形表面建模研究

为在计算机中对零件表面几何形貌的各向异性性质进行建模,进行了基于功率谱的各向异性分形表面建模研究。基于二维离散傅里叶变换的投影性质和旋转性质,实现了能在指定的单个或多个方向合成具有特定分形参数的各向异性分形表面的建模算法,并进一步讨论了合成表面的几何形貌与分形参数以及功率谱图的关系。研究结果表明,基于表面功率谱,可以精确、直观、方便地进行各类各向异性分形表面的建模。

各向异性自相关长度对三维计算机模拟表面参数的影响

目的研究计算机模拟过程中不同自相关长度对重构后表面表征参数的影响。方法采用新FFT方法,保持特定参数(高度均方根、偏态、峰值)不变,对不同自相关长度(3、10、30、100)在两个方向上的不同组合,进行了共16次三维粗糙表面形貌计算机模拟实验,并从不同方向自相关长度组合的角度,对与形貌特征关联度较高的参数影响进行了分析。结果算数平均峰曲率、峰密度、均方根斜率总体上和两个方向上的自相关长度呈负相关,而最快下降自相关长度与两个方向上的自相关长度呈正相关,纹理高宽比与两个方向的自相关长度是否接近有关,其中峰密度、最快下降自相关长度都对不同自相关长度中的较小自相关长度比较敏感,而对较大自相关长度的变化反应较小,算数平均峰曲率、均方根斜率则表现出相同的较高敏感性。结论表面表征参数中的高度分布参数和自相关长度没有关系,而结构比例方面的参数和自相关长度关联显著。

岩石断裂面的各向异性分形和多重分形研究

针对表面结构的分形各向异性和奇异性特征，对岩石断裂表面的多重分形性质进行了研究。提出了一种新的分形测量方法———投影覆盖法，直接测量断裂表面的多重分形维数Ｄ∈［２，３），并引入粗糙性概率度量表面不规则性。研究表明，断裂表面的多重分形谱可提供有关断裂机制的更丰富的信息，不同载荷条件和断裂模式下形成的岩石断裂面具有明显不同的多重分形谱函数特征。

软土微观结构表面起伏的三维可视化及分形维数的计算

结构表面的起伏程度是衡量土微观结构的重要特征,目前研究多是二维定性与定量的分析方法,难以全面、真实地反映土的结构表面起伏情况.通过对青岛、广州和中山地区原状软土扫描电镜照相,将SEM图像的灰度设为结构表面至成像表面的距离,根据相互垂直剖面的微观孔隙大小确定了灰度与像素之间转换关系,进而获得软土的三维微观信息,将其导入三维地学软件实现了微观结构表面的三维可视化.该方法操作简单,通过可视化操作可以更直观观察土的结构形态,获得的信息量远远超过二维图像本身.通过改进后的投影覆盖法,提出了一个计算土的结构表面起伏真实分形维数Ds(2≤Ds<3)的方法,得到青岛软土的Ds大于广州软土和中山软土的Ds,说明青岛软土结构表面起伏最复杂.

Cu-W薄膜表面形貌各向异性与相结构

提出了一种基于离散小波变换和分形几何概念定量描述薄膜表面形貌各向异性的新方法,并据此研究了磁控溅射Cu-W薄膜表面结构特征随退火温度的演变.结果表明,薄膜表面聚合过程有两个不同阶段:孔洞处形核和颗粒生长;薄膜表面形貌分形维数可很好地描述表面粗化程度.研究发现,表面形貌各向异性变化趋势对相结构变化敏感.指出这种结合小波变换和分形几何概念表征薄膜表面形貌的方法,可以较灵敏地探测到Cu-W薄膜表面结构各向异性变化.

基于三维的摩擦表面分形维数计算方法

利用二维表面形貌计算分形维数具有随意性和不确定性。采用分形布朗法、原始盒维数法、改进差分盒维数法和小波变换法计算标准三维曲面的分形维数值,并与标准值进行比较,得到误差较小的三维表面分形维数计算方法。计算结果表明:盒维数法计算结果误差最大,受采样点数量的限制,选择的尺度不能太大,只有在小尺度时,才具有较好的直线性;小波变换法误差较小,但计算复杂,且使用的滤波器不同结果也不同,因此选择合适的滤波器非常重要;分形布朗法直线性较好,误差也较小,误差基本在3%以内,是计算三维摩擦表面分形维数的合适方法。

分形表面三维形貌Areal参数表征研究

以WM分形函数模拟机械加工表面,采用最小二乘平面作为基准平面,对三维表面形貌Areal表征参数(14+3)体系进行全面分析,包括幅度参数、空间参数、综合参数、功能参数等4类形貌参数,并分析三维表面分形维数与表面形貌表征参数的相关关系,以此探究表面形貌参数对表面功能的影响。研究结果表明:三维WM分形表面近似于高斯表面,服从高斯分布;WM分形表面的分形维数与三维表面形貌参数之间存在一定关系,幅度参数和综合参数与分形维数呈现标准的线性分布,这2类参数与表面功能存在密切关系;而空间参数和功能参数随分形维数的增大变化不大,对表面功能的影响并不明显。

各向异性表面生成算法及其应用

大量机械加工表面存在各向异性特征,而现有分形算法生成的复杂表面大多是各向同性的.为此,在现有分形各向异性表面建模方法的基础上,对采用频域伸缩法生成的各向异性分形表面的形貌特征进行了分析,通过在频域中引入角度参量的方法对算法进行改进,使生成的表面纹理方向可控.实验证明:通过该方法获取的表面形貌具有明显的各向异性特征;伸缩比可以控制表面轮廓分形维数的变化;通过控制表面轮廓的频率分量可以对表面进行滤波,在此基础上可对表面进行多尺度分析观察.文中最后结合微犁切沟槽表面形貌具有各向异性特征的特点,采用Talysurf CLI 1000表面轮廓仪测量微沟槽工件形貌,并分析其表面分形特征,在此基础上对AutoCAD软件进行二次开发并得到了微沟槽几何模型.

基于小波变换的三维粗糙表面分形维数计算方法

基于小波变换提出一种三维粗糙表面分形维数的计算方法。该方法采用小波变换对三维表面形貌数据进行多尺度分解,通过对不同分解尺度下小波系数平方的均值进行函数拟合,继而得到粗糙表面的三维分形维数。为验证提出的方法的正确性与准确性,采用已知参数构建三维分形表面,对不同方法下分形维数的计算结果进行对比分析。对比结果显示,相比原始盒维数法与差分盒维数法,采用提出的小波变换法计算得到的分形维数误差更小。特别是在小波变换过程中选用sym4小波基函数时,分形维数的计算误差最小,误差能够控制在2%以内。将提出的方法应用于磨削表面分形维数的计算,得到了不同粗糙度下磨削表面的分形维数,进而验证了该方法的实用性。提出的方法能够更加精确地计算三维粗糙表面的分形维数,为粗糙表面分形接触模型的构建提供了参数基础。

油润滑条件下滑动摩擦表面三维形貌分形变化规律研究

采用分形方法来研究磨损过程中摩擦副表面三维形貌的变化规律.在环-盘摩擦磨损试验机上进行两因素的全因素试验.利用分阶段换试样的方法获取磨损过程中不同磨损时间后的盘和环表面.采用激光共聚焦显微镜采集盘和环表面的三维形貌,并用具有尺度独立性的分形维数表征磨损表面三维形貌的复杂性和不规则性.结果发现:不同载荷和速度下盘表面三维形貌分形维数的变化规律为先增大,然后维持稳定,最后减小;环表面三维形貌分形维数的变化规律为先减小,然后在小范围内波动,最后再减小.通过与摩擦副表面三维形貌的变化对比发现,盘和环表面分形维数的变化与摩擦副的磨合磨损、稳定磨损和剧烈磨损阶段相对应.研究结果可以用于表面磨损状态识别.

三维表面粗糙度的均一性研究

基于分形几何理论，通过分析各种机加工表面的轮廓谱矩和表面谱矩的关系，给出了三维表面形貌的均一性定义和定量评价方法。实验表明：精车和平磨工件的高度、斜率均一性较好，而镗和铣加工表面高度、斜率的均一性都比较差；刨加工表面的高度均一性较好，但斜率均一性较差。

KDP晶体单点金刚石车削表面形貌分形分析

分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析,并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较,分析了二者对表面形貌表征的差异。使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数。通过分析得出:3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系;使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面,在一定程度上容易形成小尺度波纹;已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系,但与其表面轮廓分形状态分布密切相关;KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征。

基于分形和高斯滤波的维修件粗糙表面重构与基准提取

通过维修件粗糙表面轮廓的功率谱探讨了维修件粗糙表面的分形特征,利用W_M函数建立二维和三维粗糙表面分形模型,对维修件粗糙表面轮廓进行了二维和三维重构。并采用高斯函数,对利用分形模型所重构的粗糙表面进行滤波,分别提取了维修件粗糙表面分形模型的评定基准线和评定基准面。论文把分形理论和高斯滤波相结合,应用于维修件的粗糙表面的重构和评定,最后编写MATLAB程序,进行了实验仿真,为研究维修件表面微观几何形貌对结合面摩擦、密封等装配后的连接性能提供了基础。

粗糙表面对神经胶质细胞三维立体形状的影响

模拟大脑内神经元和神经胶质细胞生长的分形环境,构筑具有分形特征的粗糙表面为神经胶质细胞生长提供一个仿生环境。本研究以C6神经胶质细胞为模型,分别在具有分形结构的烷基烯酮二聚体(AKD)表面,以及不具有分形结构的光滑AKD表面和传统的多聚赖氨酸(PLL)表面进行体外细胞培养,用相差显微镜和激光共聚焦显微镜分别观察细胞形状和细胞内微丝纤维排列,用Image J软件分析细胞的三维立体形状。结果显示,分形AKD表面诱导神经胶质细胞具有较好的三维立体形状,细胞内皮层肌动蛋白和应力纤维消失;光滑AKD表面与对照组PLL表面生长细胞的形状和细胞内微丝排列无明显差异。可见,粗糙的分形结构能够诱导C6细胞内微丝纤维重新排列,进而引起细胞具有较好的三维立体形状。

三维表面粗糙度参数的矩表征

以分形几何理论为基础 ,利用轮廓谱矩和表面谱矩对三维表面粗糙度评定参数进行了分形表征 ;并且从理论上提出了一些新的三维评定参数 ,如均一性、等方性等 ;最后还进行了实验验证。

基于形态变换的三维表面形貌方向特性研究

针对面向功能的三维表面形貌表征存在的问题,基于灰值形态学的基本运算构造了边缘检测形态算法,有效地提取了三维形貌的形态学边缘,实现了三维形貌的纹理方向特征的提取,获得了表征纹理方向特性的表征参数。该方法不仅适用于直线纹理,而且也适用于曲线纹理,为分析表征三维形貌的各向异性特征提供了一个新的方法。把它引入到粗糙表面的润滑分析中,能够更确切地揭示出各向异性表面的纹理方向特性对润滑性能的影响规律。