缓倾层状岩体各向异性力学性能与破裂特征研究

为研究缓倾层状岩体结构特性对其各向异性力学性能和破裂演化特征的影响,本文考虑不同结构面间距、强度、倾角等结构特征参数及模型尺寸效应,开展缓倾层状砂泥岩多因素影响试验研究.基于颗粒流方法建立缓倾层状岩体数值力学模型,通过室内试验标定了层状砂泥岩参数,并验证了所建立模型的有效性.通过颗粒流数值力学试验,创新性地研究层状岩体结构面的裂纹发育速率,进而揭示缓倾层状砂泥岩强度各向异性及破裂演化特征,确立其力学特性与结构面间距、强度、倾角三个结构特性之间的关系.研究结论:(1)引入的平节理模型(FJM)与光滑节理模型(SJM)建立的离散元力学模型,能表征缓倾层状岩体强度各向异性力学特性与破裂演化过程;(2)缓倾层状岩体切线模量与强度,随层间距和层间强度的增大而增大,随结构面倾角的增大而减小,破裂特征受结构面的影响逐渐增大,基于单组结构面理论计算结构面发生剪切破坏的临界角度为24.5°;(3)结构面裂纹的发育速度,随结构面间距的增大而减小、随结构面倾角的减小而减小,随结构面强度的变化不明显.本文研究结果为缓倾层岩体隧道的力学行为与围岩稳定性研究提供了参考.

基于深度学习的腕关节DR成像质控模型的研究与应用

目的基于深度学习的方法建立腕关节直接数字平板X线成像系统(DR)自动质控模型生成系统,并对质控性能进行初步研究。方法采用人工智能深度学习的方法建立腕关节正位和侧位DR图像质控系统模型,回顾性收集重庆大学附属中心医院临床怀疑腕关节病变的1315张图像,按6︰4的比例划分训练集和验证集。在MobileNet V2分类模型和Global Universal U-Net(GU2Net)关键点检测模型上进行训练,然后分别使用模型准确率、精准度、召回率和曲线下面积(AUC),以及平均径向误差(MRE)和成功检出率(SDR)进行评估。结果根据验证数据集的实验所得到的伪影分类模型在伪影识别方面具有较高的性能,AUC=0.9701,95%可信区间(95%CI)0.9700~0.9703,其准确率、精准度、召回率分别为0.93、0.88和0.97。正位和侧位影像中关键点检测模型的MRE也在合理水平,分别达到(0.7944±3.2535)mm和(3.8134±7.4087)mm。距离10.0 mm下正位和侧位关键点检测模型的SDR分别为99.64%、92.51%。结论基于深度卷积神经网络开发的全自动腕关节DR质控系统模型,能够对腕关节正位和侧位片自动生成图像质量控制报告,且效果较好。

基于离散元平节理模型的露天矿边坡局部破坏模式研究

离散元颗粒流方法中的平节理模型将颗粒曲面接触变为平线接触,克服平行黏结模型破坏时颗粒过度旋转.依托露采矿边坡工程,建立基于平节理模型的岩石单轴压缩模型和岩质边坡单台阶离散元数值模型.记录岩样模型的应力、应变和岩质边坡模型的形变、颗粒接触关系等指标与室内单轴压缩试验结果和现场边坡破坏规律进行对照.结果表明:平节理模型能较好的模拟岩石的单轴压缩试验和岩质边坡破坏过程.

岩石单轴压缩PFC^(2D)模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^(2D)模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^(2D)模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^(2D)模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^(2D)模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。

平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系及细观参数的标定

为了分析平直节理黏结颗粒材料宏细观参数关系以及进行细观参数的标定,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对平直节理接触模型细观参数进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,建立了细观参数的标定方法。以灰岩的室内试验为基础,对其细观参数进行标定,模拟结果与试验结果相接近,验证了方法的有效性。

Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对Ⅰ型断裂韧度KIc试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型(FJM3D)研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的Ⅰ型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根R1/2、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径dmax/dmin。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例φs、黏结抗拉强度σb、黏结内聚力cb、摩擦系数μ和摩擦角φ。参数敏感性分析结果表明,KIc与R1/2、CN及σb正相关,与dmax/dmin、φs负相关,而与Ψ、cb、μ和φ无明显的线性关系,此外为获得较低的KIc波动水平,给出了参数Ψ和dmax/dmin的建议范围。根据参数敏感性分析结果,校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘(SCB)和人字形切槽半圆盘(CCNSCB)试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制,得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。

基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP(back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。

考虑断裂韧度的PFC3D细观参数标定新方法

离散元法能更真实地表达材料的细观几何特点,且采用简单的接触本构方程,便于处理连续与非连续介质的变形与破坏问题,被广泛地应用于采矿、地质、土木、交通、水利、机械等工程领域。PFC3D是功能强大的离散元颗粒流分析软件,其细观参数的确定是需首要解决的问题,目前多数方法只考虑材料的宏观强度而很少考虑断裂参数,对阐述含天然裂隙的岩石破坏机理存在一定的局限性。为此,针对PFC3D平直节理模型,采用PB(Plackett-Burman)和中心组合设计(CCD)的方法,提出综合考虑强度参数和断裂参数(Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度)的PFC3D细观参数标定新方法,建立脆性岩石的PFC3D宏-细观参数关系式,并利用遗传算法求得PFC3D细观参数的优化解。模拟计算完整岩石试件单轴和三轴压缩应力-应变曲线和破坏模式、裂隙岩石在考虑和不考虑断裂韧度情形下单轴压缩断裂轨迹。研究结果表明:模拟的应力-应变曲线破坏模式、断裂轨迹与实验结果较吻合,且考虑断裂韧度的裂隙岩石试件断裂轨迹与实验结果吻合度更高,从而验证了基于考虑强度和断裂参数的岩石PFC3D细观参数标定新方法的合理性和有效性。该方法可推广至PFC3D的其他接触模型(接触黏结模型、平行黏结模型),可为PFC3D定量分析各种材料的多裂纹扩展过程及揭示其细观断裂机理提供参考。

采煤机截齿安装角度对其受力的影响研究

为了研究滚筒式采煤机安装角度对截齿受力的影响,利用三维离散元软件PFC3D5.0对不同截齿安装角的滚筒截煤过程进行了仿真分析。使用了PFC3D5.0中新加入的Flat-Joint黏结模型,克服了以往离散元仿真的球形颗粒自身旋转、拉伸强度和压缩强度之比和摩擦角过于低的不足。通过仿真得到了截齿截割煤岩的动态破碎过程和不同切向安装角的截齿三向受力曲线,结果表明不同安装角截齿仿真时,截齿受力的大小和波动情况大致相同,45°安装角的截齿要比40°和50°的受力平均值小,波动也较小。

基于中心组合设计的颗粒流平直节理模型宏−细观参数相关性研究

基于控制变量法,研究细观参数对宏观力学参数的影响规律,确定细观参数取值范围;采用适合多因素、多水平的中心组合设计方法及多元回归分析,建立岩石类材料PFC^(2D)平直节理模型的宏−细观参数关系式,并计算得到不同岩石PFC^(2D)细观参数;采用计算得到的细观参数通过PFC^(2D)模拟分析单、双轴压缩下完整岩石试件的应力−应变曲线和单轴压缩下含多裂纹的岩石试件断裂轨迹,并通过开展相应的试验进行验证。研究结果表明:应力−应变曲线和断裂轨迹模拟分析结果与试验结果较吻合,从而验证了基于中心组合设计法建立的PFC^(2D)宏−细观参数关系式的合理性和有效性。该中心组合设计方法可推广应用于PFC^(2D)其他模型和其他脆性材料的细观参数确定,为定量分析多裂纹多场耦合断裂的细观机理提供依据。

横观各向同性岩体平直−光滑节理双模型细观参数联合标定方法

为更真实地模拟节理岩体的力学行为,颗粒流程序(PFC)采用平直节理模型(FJM)和光滑节理模型(SJM)分别模拟横观各向同性岩体的岩石部分和节理部分。但双模型(FJM和SJM)标定涉及的细观参数多,导致宏观−细观参数对应关系复杂。为此,本文提出一种横观各向同性岩体双模型细观参数联合标定方法。首先,遴选核心细观参数,建立岩体参数标定指标体系,对指标体系中的宏观−细观参数进行了敏感性分析,得到显著影响各宏观参数的细观参数;然后,提出FJM和SJM细观参数标定优先级体系,构建双模型细观参数联合分析方法,建立表征宏细观参数之间的函数关系;第三,为提高参数标定的准确性,提出了细观参数迭代校准方法;最后,形成了一套针对横观各向同性岩体的标准化细观参数标定流程。研究结果表明:所提标定方法可应用于页岩的细观参数标定,标定结果的相对误差小于3%,验证了该方法的有效性。

基于离散元法的镶齿冲击与切削破岩效果数值分析研究

随着深地资源的开发,镶齿滚刀在硬岩破碎竖向钻进中的应用愈加广泛。基于高精度拟合的离散元数值模型研究各因素对破岩效果的影响,获得动荷载波动差异系数和比能耗的变化规律。研究发现镶齿破岩以拉伸破坏裂纹为主,齿端曲率是影响微裂纹数量的最关键因素,微裂纹的方位角分布显示,受拉裂纹的分布较均匀,而剪切裂纹的分布主要集中在45°和135°附近。对于不同破岩模式下,镶齿破岩参数与荷载波动情况及比能耗的相关性差异较大,锥角和齿端曲率的影响存在极值,而侵深和攻角表现出单调的相关性。初始压力条件开始对破岩效率有抑制作用,而在与单轴抗压强度比值达到0.8时,比能耗明显下降。随着初始压力系数的增大,微剪切裂纹方位角分布逐渐均布化,而微拉伸裂纹逐渐向水平方向聚集。

PFC^(2D)平节理模型细观参数标定方法

细观参数的快速准确确定对PFC正确模拟岩石力学性能非常重要。目前,平节理模型细观参数的标定研究均未考虑对泊松比和压拉比有很大影响的黏结比例φ_(b)和影响岩石强度及裂纹产生难易程度的黏结强度变异系数R_(sd)这两个细观参数,且未考虑作为判断围岩损伤范围重要指标的宏观参数起裂强度σ_(ci)。在参数中新增φ_(b),R_(sd)和σ_(ci),采用正交数值试验方法研究了平节理模型8个细观参数与岩石6个宏观参数之间的相关性,确定了各宏观参数与主要细观参数之间的拟合关系,并分析了宏细观参数间的趋势关系。在此基础上,提出了平节理模型细观参数的标定流程,然后根据片麻花岗岩物理试验的宏观力学参数确定了模型的细观参数并进行数值试验,模拟结果与物理试验结果基本吻合,说明标定流程可行。

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。

钢管混凝土柱-环扁梁中节点的理论分析

研究了钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁中节点(简称环梁节点)和钢管混凝土柱-钢筋混凝土环扁梁中节点(简称环扁梁节点)的内力传递机理,提出了环梁节点、环扁梁节点静载实验和低周反复荷载实验的节点受力模型,分析了静载实验和低周反复荷载实验节点受力模型的不同点.研究表明,在静载作用下,环梁、环扁梁节点计算截面有剪扭、拉弯和纯弯截面;在低周反复荷载作用下,环梁、环扁梁节点计算截面有剪扭、拉弯和纯扭截面.

动态时变衰落信道下的频谱感知算法

针对时变慢衰落信道中频谱感知问题,提出一种新颖的动态状态空间系统模型,将授权用户状态与时变衰落信道状态看作2个隐藏系统状态;在此基础上,提出一种联合估计时变信道增益与授权用户状态的新型频谱感知方法。仿真结果表明,提出的新方案能够显著提高动态时变衰落信道中的频谱感知性能。

基于PFC3D仿真重演的加载及卸载岩爆破坏特征研究

以兰-海高速公路桐梓隧道灰岩为研究对象,进行室内力学试验,并基于三维颗粒流程序PFC(particle flow code)进行加载和卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下岩样的细观破坏特征。研究结果表明:1)加载试验中岩石应力变化、颗粒位移、黏结破坏特征及能量变化情况均表现出3个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。2)岩石加载强度随着初始应力的增大而增大,岩石储存的极限应变也随之增大。3)应力越大,卸载试验岩爆倾向及强度越大,这是由于岩石破坏时应力由卸载面转移到内部,导致岩石内部应力集中;在其他条件不变的情况下,初始应力越大卸载岩爆强度越大,径向应力增大对硐室围岩稳定性有着更不利的影响。4)岩石加载和卸载条件下岩石的破坏具有较大区别。

基于岩石拉压宏观力学响应的平板模型微观参数匹配分析

为获取颗粒离散元模拟中精确的接触参数,基于岩石单轴压缩模拟试验和拉伸模拟试验,利用离散元“Flat-joint”接触模型,构建完整岩石的黏结颗粒模型。以校正宏观力学响应为目标,基于流程控制法和试验设计法对颗粒接触参数进行标定。通过敏感性分析得到对泊松比、弹性模量、抗拉强度和单轴压缩强度影响显著的微观参数,确定其校正顺序,证明“Flat-Joint”颗粒模型模拟完整岩石的可行性;基于Box-Behnken设计试验的最终结果,提出通用性高的微观参数算法方程;最后以4种不同硬岩为例,确定相应的平板黏结颗粒模型微观参数并进行单轴模拟试验,模拟结果和试验结果在变形性和强度特性方面都取得了很好的一致性,验证了方程的适用性。

基于MPC的爆胎车辆轨迹控制研究

针对爆胎车辆偏航问题,提出基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的前轮转向控制器来对汽车偏航进行矫正,保证车辆在安全路径上行驶。基于MPC,选取简化的双轨道车辆模型,用微分方程描述车辆运动状态,线性离散化,推导预测方程,考虑车辆稳定性因素,将其添加为约束条件,转化为标准二次型计算最优解,构造闭环系统进行仿真,结果表明,基于MPC设计的前轮主动转向控制系统在直线行驶和双移线行驶两种驾驶工况下能让车辆保持稳定行驶,有效的控制爆胎车辆行驶轨迹,质心侧偏角、轮胎侧偏角和横摆角速度均在稳定性要求之内,保证车辆在安全路径范围内行驶,达到爆胎车辆轨迹控制效果。

碳纤维复合材料FJF胶接接头失效仿真研究

基于ABAQUS有限元分析软件对碳纤维复合材料板平-折-平(FJF)胶接接头进行强度仿真研究,采用基于连续介质损伤力学理论的渐进损伤分析方法分析复合材料损伤,采用内聚力模型模拟胶层的失效行为,对比FJF胶接接头与平板单搭接胶接接头强度和胶层应力的差异性,探究不同几何参数对接头强度和胶层应力的影响,并对造成接头强度差异的原因进行了分析。结果表明,FJF胶接接头的主要失效模式为胶层内聚破坏。相较于平板单搭接胶接接头,FJF胶接接头有较大的损伤容限。几何参数中水平搭接长度和偏心距的改变对FJF胶接接头强度和胶层应力影响较大,利用胶层剥离应力和剪切应力的对比能较为合理地分析接头强度差异的原因。