岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN方法

岩石变形局部化的识别对于岩石破坏机理、岩土工程灾害预测预警有着重要的意义。本文将数字散斑相关方法(digital speckle correlation methods,DSCM)与卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)相结合,提出了一种用于岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型。通过DSCM获取岩石试件在单轴压缩实验过程中的最大剪应变场云图,根据变形局部化带位置进行标注,完成数据集的构建;利用训练数据集对DSCM-CNN智能识别模型进行训练。通过红砂岩单轴压缩实验对该方法进行验证,结果表明:DSCM-CNN模型可以实现岩石变形局部化带位置的自动识别,子集准确率、精确度、召回率等指标分别达到94.19%,97.21%和96.41%,证明了岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型的可行性,为岩石变形局部化智能监测提供了一种新的思路。

多孔灰岩局部化变形的精细化描述与数字表征

压实带是一种典型的应变局部化现象,影响储层流体的封存、输运以及地下岩体的稳定性。多孔灰岩局部化变形的相关研究一直是难点,不像砂岩样品可以通过明显的声发射信号特征来分析与表征压实带的形成与演化规律。本文利用动态CT技术,实时监测灰岩局部化变形到宏观失稳的演化过程,重点描述压实带形成初期的局部化变形特征,涵盖了应变量>5%的变形部分特征。在灰岩变形过程中可以识别两处明显非弹性变形阶段:即初始大孔隙坍塌阶段和后续压实带形成过程,利用图像体积互相关技术定量表征压实带的演化特征,精细化描述压实带形成过程的微观破裂特征,系统分析离散压实带内的连通孔隙分布规律,发现连通孔隙与局部化变形有紧密联系,并基于CT扫描的孔隙网络数据,利用纳维斯特斯方程计算绝对渗透率,以渗透率为参考指标,研究局部化变形引起的损伤程度。

某水电站蜗壳座环局部变形的分析及处理

介绍越南南溪隆4级水电站项目在安装时出现的座环变形现象。通过现场数据测试比及文献分析,认为变形原因主要为对蜗壳分节处进行堆焊导致热变形以及座环取水口处的2块侧筋板的焊接顺序对座环变形的影响。针对变形处理方法是在蜗壳混凝土浇筑后重新复检水平,再对局部高点做适当的铲磨处理,达到正常运行效果。

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

冲击地压预测是冲击地压防治的前提和基础,是冲击地压研究中的一个重要内容,针对目前冲击地压前兆和冲击地压孕育过程之间内在的本质联系不清问题,从煤岩变形破坏的固有特征及冲击地压的失稳问题本质出发,借鉴经典力学中的能量原理,提出了以煤岩变形局部化为前兆的冲击地压预测方法。根据虚位移原理和稳定性理论,推导并得到了冲击地压发生临界条件和煤岩变形局部化发生条件,分析煤岩变形局部化与冲击地压内在联系。采用梯度塑性理论,通过引入内部长度参数,构建煤岩变形局部化模型,分析了变形局部化带宽带的影响因素。给出了测量内部长度参数的实验方法,对变形破坏向某一区域集中,且集中区具有一定尺度的现象进行理论解析。根据变形局部化的时空演化特点,引入描述变形局部化的空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标,从“时间演化”属性和“结构演化”属性对变形局部化状态进行识别。对变形局部化预测方法进行初步的应用研究,分别采用实验的声发射数据和现场的微震数据,预测煤岩试件破坏区域和煤矿冲击地压危险区域。研究表明:煤岩变形局部化开始条件和冲击地压发生的临界条件相同,即冲击地压孕育演化过程和煤岩变形局部化的过程具有一致性;煤岩变形局部化带宽度与材料内部长度参数和煤岩冲击能指数有关,随着材料内部长度增大,变形局部化带宽度线性增大,随着煤岩冲击能指数增大,变形局部化带宽度非线性减小;根据实验和现场初步应用结果,表明空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标能够描述和追踪变形局部化时空演化特征,变形局部化预测冲击地压危险区域方法具有可行性。

排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征,利用可视化三轴伺服控制试验系统,结合三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC),开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验,对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析,并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明:排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值,且随着渗透水压增大,砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大,出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前;当渗透水压相同时,不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽,即岩石的宏观裂纹更明显,排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走,形成孔洞,其破裂面的表面比不排水条件下更光滑,而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着;所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点,平均提高了1.23%,变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大,即启动的时间点更提前,排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水条件下的值,平均分别提高了1.85%和2.21%,渗透水压相同时,不排水条件下启动应力及应力水平受水压的影响比排水条件更明显。

复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟

随极薄带厚度的进一步减薄,轧制极薄带变形由于轧件厚度/晶粒尺寸比值小的尺寸效应和变形程度导致各向异性与局部化已完全不同于轧制厚件时的变形特性。采用具有拉拔-压缩-剪切复合成形功能的微型异步轧机开展系列厚度铜极薄带的箔轧实验,结果表明复合成形轧制工艺和极薄带尺寸显著影响轧制力能参数与箔材质量。宏观有限元理论已不再适用出现这些新现象的极薄带轧制变形的建模。将嵌入初始晶粒形貌和取向等微观组织结构信息的介观晶体塑性有限元模型(CPFE)用于复合成形条件下铜极薄带轧制变形局部化的模拟与分析,指导箔轧工艺优化和提高箔材质量。晶粒层次的晶体塑性有限元模型,准确预测了单层晶铜极薄带轧制变形局部化的现象和趋势,模拟与实验的轧制力吻合较好,尤其是各向异性。随上下工作辊异速比的增大,箔材厚度方向剪切变形增强,变形带、滑移带形成且局部化趋势显著。晶粒变形局部化的差异,对轧制制备极薄带材的控形控性造成困难。

超宽钢箱梁纵横向分块安装局部相对变形分析

为了满足巴拿马四桥施工期间不得占用航道的要求,针对中央双索面超宽超重钢箱梁(标准节段长13 m,宽51m,重约370 t)的架设提出一种创新的施工方案,即钢箱梁采用纵向分段后再横向分两块,通过索塔侧向提梁上桥面,梁上运梁至悬臂端桥面吊机处,尾部喂梁前移并空中旋转90°,调整好姿态后再横向移梁进行匹配对位。为了了解横向分块后钢箱梁匹配时的变形情况,确定合理的对接工序,采用有限元软件对横向分块钢箱梁安装局部相对变形进行分析,并与整节段安装进行对比。研究结果表明:该方法存在明显横向偏载效应,中间起吊工况尤其明显,但横移匹配时,边腹板相对中腹板变形会明显减小,最大错缝高差4.2 mm;与整节段安装相比,横向分块会存在纵横向两个拼接面,其中横桥向拼接面变形较顺桥向变形大,故建议匹配完刚度较大的中腹板后,先匹配顺桥向拼接面,再匹配横桥向拼接面剩余区域,顺桥向拼接面匹配也按照优先匹配刚度大的横隔板,然后再匹配横隔板之间局部区域。总体来说,提出的横向分块方案局部相对变形在可控范围内,通过合理的匹配方式能够满足施工要求。

考虑结构局部变形特性的超长桁架结构等效动力学建模

超长桁架结构是后续高时空分辨率天基遥感载荷的核心部件,建立其高效动力学模型是实现振动形态高精度控制的关键.为建立高效、精确的动力学模型,首先,根据超长桁架结构的周期性特征和振动变形特性,采用周期单元中心处位移表征整体桁架结构的空间位移,并分别推导了是否考虑桁架结构局部变形特性的两种应变能表达式;其次,根据哈密顿原理以及边界条件,建立了两种不同的等效动力学模型.最后,通过对两种等效模型与超长桁架结构固有特性的对比分析,验证了等效建模的有效性以及考虑局部变形特性提高模型精度的必要性.

三轴压缩大理岩局部化变形的试验研究及其分岔行为

常规三轴压缩过程 ,岩石试件破坏常常是以狭窄剪切带形式存在的局部化变形为先导。结合常规三轴压缩试验 ,对大理岩破坏过程中局部化变形的发展过程进行研究 ,其结果表明 :岩石局部化变形分为三个阶段 ,即稳定阶段、稳定增长阶段和快速发展阶段 ;局部化变形在体积膨胀点之前开始稳定增长 ;达到一定程度后 ,岩石表现出短暂的应变硬化 ,岩石开始剪胀。

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。

岩土材料变形局部化的实验研究

采用白光数字散斑相关方法研究了岩土材料破坏过程出现的变形局部化现象 ,得到了花岗岩、煤、土 3种材料变形局部化开始时刻、宽度、倾角及演化规律 ,实时、定量地跟踪和测定了岩土材料破坏的全过程 .

汶川8.0级地震地表变形局部化样式与建筑物破坏特征关系初步研究

以汶川地震地表形变带的实地测量数据为基础,结合沿实测地震地表变形剖面建筑物破坏情况的调查与测量,分析了不同地震地表变形类型及其建筑物破坏特征,定量化地讨论了地表变形梯度与建筑物破坏程度间的关系.提出无论地震地表变形表现为何种类型的断层陡坎,强变形均局部化在宽10～30m的地表破裂带内;建筑物受损情况最直接的影响是建筑物所处地点的地表变形梯度,地表变形梯度大于0.1的地段,建筑物均完全被摧毁;地表变形梯度在0.07～0.1间的地段,建筑物遭受严重损坏,产生倾斜及强烈变形等;地表变形梯度在0.03～0.07间的地段,建筑物可能受到中度损坏,产生倾斜及变形等,具有抗震设防能力的建筑物一般不会倒塌;地表变形梯度小于0.03的地段具有抗震设防能力的构建筑物一般只会受到轻度损伤或基本完好.

岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。

直剪条件下大理岩局部化变形研究

在直剪试验基础上,研究了大理岩试件产生破坏过程中局部化变形的发展过程。研究结果表明:在岩石破坏过程中,韧性变形和脆性变形共同发展;在韧性剪切带的局部化变形强烈的亚剪切带是岩石破坏的直接原因。最后应用对称性群论分岔理论对此过程中的分岔行为进行初步研究。

孔隙流体对岩体变形局部化的影响及数值模拟研究

本文首先叙述了孔隙流体对固体变形局部化影响的若干研究进展 ,并利用三维连续体快速拉格朗日分析 ,模拟了孔隙压力对岩体变形局部化应变场 (剪切带 )的影响。数值模拟结果表明 ,孔隙压力对变形局部化应变场有较大影响 ,随着孔隙压力的增加剪切带趋于不明显 ,岩体试件倾向于发生拉伸破坏。

协同设计中CAD模型局部变形加密方法

针对目前协同设计过程中信息安全风险,从提高CAD模型的安全性出发,提出一种基于CAD特征模型局部变形的敏感信息保护方法,通过对草绘参数进行变换,使模型几何形状发生变化,达到隐藏原模型信息的目的;然后提出了基于加密矩阵的草绘参数加密技术,采用一个加密矩阵作为秘钥对草绘中的控制点参数进行加密转换;进一步,为更好地控制加密后模型的变形趋势,引入几何计算中的自由变形方法,使用加密控制晶格对草绘进行加密,提出基于自由变形的草绘参数加密方法.最后通过对CAD零件模型进行实验,证明了文中方法的有效性..

岩体假三轴压缩及变形局部化剪切带数值模拟

岩体试件应力－应变全过程曲线、剪切带图案及其演化规律不仅在理论上，而且在工程实践中有着重要的意义。利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸效应、加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压应力－应变全过程曲线，变形局部化启动、稳定、剪切带图案及演化规律的影响。

基于最小能量法的修复体曲面局部变形算法

牙齿修复体曲面局部变形是口腔数字化修复系统的一个关键环节,决定了设计的修复体形态能否满足口腔的咬合接触关系。针对这一情况提出了基于最小能量法的修复体曲面局部变形算法,首先根据设计需要,在修复体模型上通过区域选择方式定义模型的控制句柄和变形区域,区域定义完成后,对变形矩阵进行预处理。然后通过操作控制句柄,实现修复体曲面的局部变形。最后通过双尖牙和磨牙的局部变形实例,验证了该算法的有效性和实用性。

口腔修复体模型曲面局部变形设计研究与实现

牙齿表面形态的设计技术是口腔CAD/CAM系统的关键环节之一,修复体表面形态的设计和修改将对患者患牙咬合的舒适性有重要影响。研究了一种基于细分空间连续的修复体表面局部变形设计算法,首先由初始网格抽取牙齿模型的特征控制网;其次利用Loop细分构造细分连续空间;接着通过建立局部坐标的参数化方法,映射修复体模型到细分连续空间;最后通过直观、实时调整特征控制网格修改细分空间,进行修复体形态的局部变形设计。通过前、后磨牙的变形设计应用实例证实本研究算法的有效性、稳定性。

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用,难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变形局部化剪切带的形成过程,因而,不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路,基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型,研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从 Drucker-Prager 准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑性损伤屈服面,为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理,分别采用了球形拉应力和塑性应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程,根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程,导出了关联流动法则下的岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用,分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型,对Tvergaard关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟,计算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模型,对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试?