含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋动力响应研究

基于光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合的数值方法,分别从结构破坏形态、冲击力时程、关键点位移和速度、系统能量等方面,研究含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋的动力响应和破坏机理。计算结果表明:SPH-FEM耦合方法能够较好地模拟泥石流冲击爬高、绕流扩散、淤积稳定过程。考虑了三种泥石流强度等级,在低、中强度冲击情况下,框架房屋填充墙受到破坏,房屋结构整体保持稳定;在高强度冲击情况下,可以观察到框架房屋的逐步倒塌过程,框架柱损坏模式体现了剪切破坏或塑性铰链失效机制。对于房屋结构而言,泥石流的冲击破坏能力主要来自龙头的冲击力,龙身冲击力相对于龙头降幅约34.2%,大石块的集中作用是结构柱体局部破坏的主要原因。系统能量主要通过泥石流动能转化为结构内能(17.8%)和摩擦耗能(82.8%)。

基于火星车牵引性能的石块粒径划分研究

针对简化火星车刚轮与球形石块在混合地形上接触的动力学求解问题,提出了一种基于火星车牵引性能的石块粒径划分模型。石块-软土混合地形上,石块受载沉陷,其运动状态会影响火星车刚轮的牵引性能。依据石块对刚轮牵引性能的影响效果不同,将石块划分为3种类型。根据Bekker承压模型计算刚轮静沉陷,提出刚轮滑动沉陷计算公式和石块沉陷计算公式,根据石块和刚轮沉陷量确定石块类型。最后将滑转率为0.2,0.5,0.7时的3种石块分别代入单轮仿真平台和土槽实验平台进行仿真和实验。结果显示:混合地形上,3种滑转率下的固定石块的仿真和实验结果误差小于5.4%,可移动石块的仿真和实验结果中的挂钩牵引力误差超过126%,散布小石块仿真和实验结果误差小于2%,验证了石块粒径划分模型的有效性。

格林函数反演泥石流石块冲击力的光纤传感试验方法

梳齿坝等结构体在受到泥石流石块撞击时可被简化为悬臂梁。基于悬臂梁变形的静力学理论方法是求解石块撞击悬臂梁的冲击力的主要方法之一,但它无法反应泥石流石块撞击结构的动力学场景。针对石块撞击悬臂梁的动力学特性,该研究基于光纤光栅传感技术,通过落锤模拟泥石流中的石块,开展了7组不同工况的落锤冲击试验,并通过格林函数对落锤的冲击力时程进行反演。结果表明,格林函数能有效反演石块撞击悬臂梁的冲击力时程。冲击力反演结果的精度受制于解调仪的采样频率,其试验标定的误差为15.3%,静力学法计算结果比该计算结果高3倍~5倍。因此,本研究在解决了如何描述泥石流石块撞击悬臂梁的动力学特性这一科学问题的同时,反演结果也进一步获得提升,可有效为泥石流防治工程设计提供理论基础。

中部空气间隔不同比例装药对炮孔孔壁受力及碎石块度的影响

为分析装药中部不同空气间隔位置对炮孔孔壁受力的影响,以Starfield迭加法为基础,得出中部空气间隔装药爆破时整段孔壁上的冲击压力计算公式。在ANSYS-DYNA中建立多组不同中部空气间隔位置的计算模型,对孔壁及周围岩体的受力和损伤度进行分析。最后,进行现场爆破实验,使用WipFrag软件对碎石块度分布的变化规律进行分析。结果表明:中部空气间隔装药爆破时,孔壁压力整体呈现两端大、中间小的分布特征,装药段孔壁受到的冲击压力达到最大,冲击波以8字型向炮孔周围传播。当空气间隔位置在装药段中点时,上、下段药柱周围岩体受力大致相等,碎石块度相对均匀。因此,垂直台阶进行露天爆破开采时,为降低大块和粉料的产生率,空气柱上、下段可进行等比例装药,倾斜边坡可以适当向上调整空气间隔位置。

基于智能破碎锤作业场景的多目标石块识别定位方法

随着智能工程机械的不断发展,结构复杂、功能单一的传统液压破碎锤逐渐被日益成熟的智能破碎锤取代,对多目标石块的识别与定位是智能破碎提高动作输出精度、完成破碎任务的重要保证.提出基于分割掩码卷积神经网络(Mask R-CNN)实例分割和激光雷达信息融合的目标石块识别定位方法,通过Mask R-CNN实例分割算法快速识别复杂作业场景下目标石块的感兴趣区(Region of Interest,RoI);在保证石块检测精确率的前提下,融合激光雷达通过卡尔曼滤波算法得到破碎点位置信息,引导破碎锤实现定位作业.现场试验结果表明,目标石块检测模型对石块的平均识别精确率为95.35%,召回率为95.06%,石块破碎点识别精确率为94.20%.在复杂作业背景下,该方法可实现多目标石块识别和破碎点定位,满足自动破碎实时性要求.

基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法

针对桥墩局部冲刷监测存在服役环境恶劣、传感器需粗放式布设等特点,提出基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法。桥墩局部冲刷监测系统,包括磁性标签石块和磁力梯度仪。磁性标签石块采用磁性标签浇筑成混凝土石块,通过运动自由度缩减的方式,避免了基于优化搜索的磁场梯度反演中的非线性和不适定性的问题,采用磁场梯度反演磁性标签石块的三维运动,实现桥墩局部冲刷的动态监测。在磁性标签石块的模拟定位试验中,最大误差为0.2m,最大相对误差为5%,满足桥墩局部冲刷监测的要求。磁场梯度、磁场梯度张量不变量及张量的模量均与冲刷位移场高度相关,可直接用于冲刷监测的早期预警。

桥墩局部冲刷防护的石块起动

桥墩局部冲刷一直是影响桥梁安全的最大自然灾害,抛石防护是最普遍的冲刷防护形式之一。在总结已有冲刷机理的基础上,分析了包括墩前河床底部流速和墩侧河床底部流速的桥墩局部流速,并给出了桥墩冲刷防护石块起动的简化公式。结果表明,墩侧河床底部流速大于墩前河床底部流速,墩侧防护石块更易走失。当行近流速小于3m/s时,可采用抛石进行桥墩局部冲刷防护,抛石直径约为0.2m;对于行近流速为3～5m/s时,建议采用其它冲刷防护措施。

基于边界提取和跟踪的石块检测方法研究

为了能部分解决基于视觉的石块识别问题,首先利用SUSAN算子对图像进行分割后利用边界跟踪算法进行滤波,确定出原始图像中可能存在石块的区域,对原始图像中该区域利用矩不变法进行分割以缩小可能的石块区域,然后利用Sobel算子对原图像中该区域进行处理,得到该区域梯度图像并对此进行分割和边界跟踪滤波,最后利用投影法确定出原始图像中的石块位置。试验结果表明该方法具有一定的环境适应性和较好的实时性。

月球环境感知中的石块识别方法研究

月球环境感知是未来月球车在月球表面自主导航的关键。石块作为月球表面的一种地理特征,将成为月球车行驶的障碍物。该文从获取梯度图像研究出发,提出了基于最小误差分割原理的石块图像分割方法。在获取分割后的二值化图像中,采用了形态学滤波算子进行去噪,然后利用二值图像投影变换,并参考石块底部阴影位置信息,辅助完成对部分场景下的石块识别和定位。

基于改进YOLO v4模型的马铃薯中土块石块检测方法

为实现收获后含杂马铃薯中土块石块的快速检测和剔除,提出了一种基于改进YOLO v4模型的马铃薯中土块石块检测方法。YOLO v4模型以CSPDarknet53为主干特征提取网络,在保证检测准确率的前提下,利用通道剪枝算法对模型进行剪枝处理,以简化模型结构、降低运算量。采用Mosaic数据增强方法扩充图像数据集(8621幅图像),对模型进行微调,实现了马铃薯中土块石块的检测。测试表明,剪枝后模型总参数量减少了94.37%,模型存储空间下降了187.35 MB,前向运算时间缩短了0.02 s,平均精度均值(Mean average precision,mAP)下降了2.1个百分点,说明剪枝处理可提升模型性能。为验证模型的有效性,将本文模型与5种深度学习算法进行比较,结果表明,本文算法mAP为96.42%,比Faster R-CNN、Tiny-YOLO v2、YOLO v3、SSD分别提高了11.2、11.5、5.65、10.78个百分点,比YOLO v4算法降低了0.04个百分点,模型存储空间为20.75 MB,检测速度为78.49 f/s,满足实际生产需要。

基于二维类间方差多门限阈值分割的石块识别方法

月球环境感知是未来月球车在月球表面自主导航的关键。石块作为月球表面的一种地理特征,将成为月球车行驶的障碍物。文章从模式识别的分类理论出发,提出了改进的二维类间方差的多门限阈值石块分割方法。在获取分割图像后,利用石块底部阴影信息和原始图像的灰度直方图分布特征,将分割图像二值化。然后,结合形态学滤波算法和二值图像投影变换,实现了对部分场景下的石块识别和定位。

基于智能磁性石块埋入的边坡深部变形失稳监测模型

针对边坡深部变形失稳监测存在服役环境恶劣、传感器布设困难等问题,提出基于智能磁性石块的边坡变形失稳监测方法,研制智能磁性石块及全张量磁场梯度传感器,发展基于智能磁性石块的边坡变形监测的简化磁测算法,通过智能磁性石块的位移变化反演边坡失稳过程。采用铝合金模型槽、分离式千斤顶和力传感器建立滑坡模拟系统,通过推移加载方法模拟边坡滑动。试验结果表明,当推力为2 500 N时,通过菲林软尺测得的6个特征点的水平位移与推力的曲线关系发生突变,当推力在2 500至3 100 N时,6个特征点的水平位移增加幅度迅速提高,发生失稳破坏。当推力为2 500 N时,智能磁性石块至参考点的距离、智能磁性石块的水平位移与推力的曲线关系存在拐点,此后智能磁性石块至参考点的距离、智能磁性石块的水平位移均大幅度变化。智能磁性石块至参考点的相对距离、智能磁性石块的位移等均可反映边坡变形演化并可进行失稳评价,且与菲林软尺传统的监测结果趋势基本一致。可为磁测在边坡深部变形监测的进一步研究和应用提供参考。

马蹄形旋涡作用下桥墩冲刷坑内石块起动

根据Stokes定理对马蹄形旋涡进行等效分析,得到冲刷坑内从迎水面开始不同角度的等效旋涡强度,并推导马蹄形旋涡对石块的吸附力,计算石块在冲刷坑中的受力及起动时的临界直径。计算结果表明,从迎水面开始的0°至75°,冲刷坑内的等效旋涡强度逐渐减小;在75°至90°,等效旋涡强度出现振荡,但变化幅度较小。从0°至90°,石块承受的旋涡吸附力和切向动水压力的绝对值均先增大后减小,旋涡吸附力绝对值在45°时达到最大值,切向动水压力的绝对值在37°达到最大值,且在72°时方向发生反转。从0°至90°,石块的临界直径先减小后增大,最小临界直径位于35°至45°的范围。在0°至74°,如石块小于临界直径但大于河床泥沙的起动直径,则石块更稳定;在74°至90°,如石块大于临界直径,则石块更稳定。采用抛石防护时,对于不同角度位置,宜采用不同直径的石块,且在桥墩的上游部位防护直径不宜过大。

黄河防汛抢险中石块抛投稳定性及对策

抛投物料抢险是汛期黄河岸坡坍塌抢险的主要方式之一,对保证黄河下游安全起到重要作用。为了弄清黄河防汛抢险中抛投的块石在动水中的运动情况,实现黄河下游河道集约化治理和高质量发展,以黄河防汛抢险中的石块为研究对象,采用力学分析和数学建模计算方法,探究了防汛石块动水中落距的影响因素及影响规律。结果表明,汛期河道水流流速、出险部位水深和岸坡坡度是影响防汛石块落距的3个主要因素;流速越大、水深越深、岸坡越陡,防汛石块因水流作用而产生的落距就越大,稳定性就越差;增大防汛石块重量、选定合理的抛投点和实施合理的抛投程序,能够减小防汛石块的落距,提高石块抛投的稳定性。基于此,提出了能够确保黄河汛期岸坡坍塌险情抢护中石块抛投稳定性的有效应对措施,对黄河防汛抢险具有重要的指导意义。

大粒径石块分布对土石混合体稳定性的影响

为探究大粒径石块分布对土石混合体稳定性的影响,通过图像处理技术获取土石混合体模型,并在此模型基础上,建立了大粒径石块处于不同位置和角度的物理模型。利用有限元软件ABAQUS进行解算分析,得出:①大粒径石块集中在模型上部区域时,塑性区主要分布在模型下半部分,土石混合体强度较高,稳定性较好;大粒径石块集中在模型下部区域时,土石混合体强度低、稳定性较差;大粒径石块集中区阻碍了土石混合体塑性破坏的发展,且分布位置不同起到的承载能力不同。②土石混合体强度及稳定性随大粒径石块长轴倾角增大呈现出先减小后增大趋势,在大粒径石块长轴倾角处于45°~60°时,模型强度最小、稳定性最差,这与摩尔-库伦强度准则中所描述的剪切滑移面角度一致。研究结果可为露天矿边坡及各类人造土石坝体的稳定性设计提供参考。

基于粘贴式智能石块的边坡大变形监测方法

边坡滑动大变形监测存在服役环境恶劣、传感器布设困难、需要精细维护、传感器的量程有限等问题。提出粘贴式智能石块的概念,发展基于粘贴式智能石块的边坡大变形监测方法,给出了基于粘贴式智能石块的边坡大变形监测的超宽带通信算法,通过推移加载的模型试验验证粘贴式智能石块的边坡大变形监测性能。结果表明:粘贴式智能石块的位移可反映边坡失稳滑动及坍塌的大变形演化,且与软尺常规测量结果的规律一致。

比利时石块虚拟路面建模方法的分析和比较

针对虚拟路面构建方法的重要环节载荷预估,总结适用于多体动力学软件的比利时石块虚拟路面的3种建模方法.为充分对比各方法的计算效率,编写实现可生成任意路径的RDF格式比利时石块虚拟路面的程序,并与规则栅格路面(Regular Grid Road,RGR)格式及曲线规则栅格路面(Curved Regular Grid,CRG)格式进行对比.结果表明:在计算效率及适用性方面,RGR和CRG格式路面优势更为明显;RGR格式路面的动态载入技术和CRG格式路面的横向间距可变特性,使其更适用于建立比利时石块虚拟路面.

深水海底管道抛石防护结构石块粒径设计

针对抛石石块粒径对海底管道防护效果的重要作用及影响因素,分别从抛石防护结构在环境载荷作用下的稳定性、抛石冲击管道的安全性以及防止海床沉积物渗出三方面,结合国内外抛石技术用于海底管道防护的研究和应用成果,梳理了石块粒径的设计方法和计算公式。并对南海某海底管道抛石防护结构进行了设计计算,结合深水环境载荷特点,计算推荐石块的特征粒径,为实际作业中抛石防护结构的粒径选择提供参考和指导建议。

比利时石块路路面不平度设计

比利时石块路是汽车试验中最典型的路面。文章叙述了基于随机数据分析理论和信号处理技术,通过计算进行比利时石块路路面铺设不平度设计及检验的方法,还给出了运用该方法产生的一条加速强化比利时石块路路面不平度的具体设计结果。