基于分形理论和随机抽样的机加工表面粗糙度轮廓曲线几何形貌共性表征

不同表面粗糙度下的轮廓曲线几何形貌共性特征,是建立机加工金属密封面微观泄漏模型,计算气体泄漏率定量评估密封性能的基础前提.首先,通过Monte Carlo随机正态分布抽样公式结合密封表面粗糙度加工参数,模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度值的粗糙表面轮廓曲线.然后,依据不同样本容量和表面粗糙度下平均峰角、平均峰高和三角峰数目/样本容量等轮廓曲线形貌特征统计数据,分析得到模拟曲线几何共性特征.最后,采用分形理论中剖面位形法,通过数据拟合得到粗糙表面轮廓曲线几何形貌特征值(平均峰角和平均峰高)与分形参数(分形维数和分形标度)间的函数关系.结果表明:机加工表面粗糙度与分形维数一一对应,使得用分形参数定量描述粗糙表面轮廓曲线成为可能.     

楔块滑落试验分析及其判别方法

利用自行开发研制的试验平台,基于大量实验室岩石楔块滑落试验结果,提出了极限平衡状态时楔块滑落与否的判别新准则.通过对楔块滑落过程及其极限平衡状态的研究,得到不同条件下描述楔块滑落状态的β-α(倾斜角-旋转角)关系曲线的函数方程.定量分析了岩体结构面参数(产状、粗糙度系数JRC)对所提函数方程中相关系数取值的影响,给出了利用楔块粗糙度系数JRC与结构面交角ω求β-α函数方程的方法.     

岩石节理轮廓线的数字表征方法影响研究

岩体结构面形貌特征对结构面剪切力学行为具有重要影响作用。以BARTON十条标准轮廓线为研究对象对其进行图像去噪以及数字表征,计算不同离散点间距的数字表征轮廓线的R_p、SF、Z_2统计参数值,并以此获取结构面粗糙度JRC值。通过JRC计算值和理论值对比验证图像处理方法的合理性,探讨离散点间距的影响。结果表明:离散点间距对JRC和统计参数有较大影响,不同参数对于离散点间距的敏感程度不同。通过数字表征方法计算得出的JRC值与真实JRC范围吻合程度较高。本工作对JRC的研究具有一定的参考价值。     

磨合试验与表面形貌变化规律的分形表征

为了研究和掌握真实磨合过程中表面形貌的变化规律,在自制的摩擦磨损试验机上进行了更换摩擦副的磨合磨损试验,用T1000表面轮廓测量仪对试件表面形貌进行在线测量,进而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:采用同一表面性质的一组试件进行磨合过程试验比传统的磨合试验方法科学合理,其试验结果具有客观性;随着磨合过程的进行,磨损表面粗糙度值Ra和尺度系数C逐渐减小,分形维数D与特征粗糙度Ra*逐渐增大,当达到磨合状态时它们都将达到稳定的数值.且特征粗糙度Ra*在反映磨合表面形貌的变化时不但具有与分形维数D和尺度系数C一样的规律性,而且表现出更高的灵敏性.     

新老混凝土粘结面人造粗糙度表征及性能研究

提出了一种改进的老混凝土表面人造粗糙度处理方法,并进行了试验研究.首先采用数字图像法采集粗糙表面的三维轮廓数据,然后依据分形理论进行数据处理,并用分形维数表征人造粗糙度;再利用自编的MATLAB程序实现粗糙表面的三维重建以验证数字图像法的准确性;最后,研究了老混凝土表面粗糙度与新老混凝土粘结性能的相关性,结果显示,人造粗糙表面是一种分形结构,可采用分形维数表征其粗糙度;新老混凝土粘结抗折强度f与老混凝土表面的分形维数D呈正相关性,存在近似关系f=kD+b,其中k,b为拟合系数;数字图像法在试验的数据采集、处理分析以及界面形貌的三维重建阶段都具实用性.     

贯通结构面抗剪强度尺寸效应研究

目前,岩土工程界普遍采用Barton和Bandis建议的公式,计算具有一定规模岩体结构面的抗剪强度,但经分析发现并不适用于规模大于5m的结构面.因此,借助二维离散元软件UDEC,提出了一种基于现场实测结构面粗糙度系数JRC(长10 cm)和结构壁面回弹试验的结构面抗剪强度尺寸效应分析方法,并通过实例验证了方法的准确性.     

岩体地质结构面粗糙系数的分形估测

介绍了确定岩体地质结构面粗糙系数ＪＲＣ的分形估测方法,讨论了岩体地质结构面轮廓曲线与ＶｏｌＫｏｃｈ曲线的自相似性。分析表明,将Ｂａｒｔｏｎ标准轮廓曲线通过分形维定量化是确定ＪＲＣ值的有效方法,能避免目视产生的误差。     

分形模型参数与粗糙度参数Ra关系的研究

介绍了W－M分形模型参数（D,G,γ）的物理含义，研究了分形参数（D,G,γ）与粗糙度参数Ra之间的联系，导出了分形参数（D,G,γ）与粗糙度参数Ra关系式，用数值分析拟合方法验证了关系式的正确性。     

结合面切向接触等效黏性阻尼分形模型

基于MB接触分形理论、结合面切向接触阻尼耗能机理以及阻尼损耗因子的定义,建立了结合面切向接触等效黏性阻尼的分形模型及其损耗因子模型。所建模型表明,结合面切向接触等效黏性阻尼与结合面法向接触载荷、摩擦系数、材料塑性指数、结合面上的切向动态载荷幅值与法向接触载荷之比(简称切法向载荷比)、结合面分形维数以及分形粗糙度参数之间具有复杂的非线性关系,而结合面切向接触阻尼损耗因子与结合面分形维数和分形粗糙度参数无关,仅与切法向载荷比和摩擦系数有关。模型的仿真结果表明,结合面切向接触阻尼损耗因子随着切法向载荷比的增大而增大,随结合面摩擦系数的增大而减小;结合面切向接触等效黏性阻尼随着结合面法向接触载荷、摩擦系数、材料塑性指数的增大而增大,随着结合面分形粗糙度的增大而减小;结合面切向接触等效黏性阻尼随结合面分形维数的变化规律较为复杂,先随着分形维数的增大而增大,在分形维数值1.65附近出现最大值,而后随着分形维数的增大而减小。     

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC^2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明：在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。     

基于Gaussian分布的三维非匹配性裂缝渗流规律

掌握裂缝结构中的渗流规律对合理开发非常规资源具有重要意义。基于页岩裂缝面高度分布特点,引入Gaussion分布函数并综合考虑粗糙度、分形维数、非匹配性和各向异性等构建三维裂缝的数学模型;采用Lattice Boltzmann方法结合正交试验和灰色关联分析系统研究三维非匹配性裂缝中流体的渗流规律。结果表明:研究中裂缝渗透率约为平板模型的20%~50%;非匹配区域结构的突然变化极易产生回流区,导致裂缝渗透率减小;在保证开度情况下,尽量避免产生裂缝的非匹配性,降低其粗糙度和分形维数;裂缝开度和粗糙度是影响裂缝渗透率的最主要因素,其他依次为分形维数、各向异性系数和非匹配长度;实例中裂缝渗透率随各向异性系数增加先增加后降低,并在各向异性系数为0.7时达最大值。     

页岩气藏岩石孔隙分形特征

针对页岩非均质性强,难以用普通方法描述页岩孔隙结构的问题.以美国Fort Worth盆地石炭系Barnett组页岩和四川盆地志留系龙马溪组页岩为研究对象,基于分形理论和方法,以压汞实验测试结果为基础,对页岩孔隙结构展开定量化研究,计算了不同孔隙的分形维值,通过压汞曲线特征和分形曲线特征探讨了页岩孔隙结构特征.研究结果表明:页岩孔隙在特定范围内具有特定的分形特征,分形维数能够反映页岩内部孔隙结构;两类页岩压汞曲线区别在于大孔和微裂缝的发育情况;由不同形态的压汞曲线算得的分形维数双对数曲线也具有不同形态,计算分形维数时需按照不同形态分段拟合.龙马溪组页岩和Barneett页岩相比,孔隙结构更加复杂.     

考虑表面粗糙度和几何曲率的两球体接触问题

为探讨曲面结合面的接触机理,研究了两球体的法向接触问题。计入结合面虚拟材料厚度,对两球体点高副接触时形成的圆形接触区域进行了受力分析,在分析过程中尝试联合MajumdarBhushan平面模型和经典赫兹理论;采用Hardy在任一点处处不可求导的条件,严格证明了二维Weierstrass-Mandelbrot分形函数中分形维数D的整个取值范围为1≤D2。数值模拟表明:球体广义接触面积比不大于1;内接触时的球体广义接触面积比大于外接触时的,增加压紧力或减小结合面虚拟材料厚度均会增大球体广义接触面积比;内接触时的真实接触面积大于外接触时的,真实接触面积随着分形粗糙度、材料硬度或结合面虚拟材料厚度的增加而减小;随着分形粗糙度的增加,产生指定真实接触面积所需要的压紧力增加;当分形粗糙度增加时,微凸体的法向变形量和压紧力增大;对于给定的压紧力,当分形维数从1.4增加至1.5时,狭义接触面积比随之增加,当分形维数从1.5增加至1.9时,狭义接触面积比逐渐减小;内接触时的赫兹应力小于外接触时的。此项研究可为深入研究滚动轴承中球轴承的接触强度计算提供基础,所建立的球体接触分形模型具备通用性与实用性,可望丰富机械设计中机械零件接触强度的理论。     

界面损耗因子与法向阻尼的计算方法

基于赫兹法向接触力学方程与分形几何学理论对界面法向接触刚度进行分析,在改进原有计算模型的基础上,推导出界面法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼计算方程.结果表明,所提出的计算方法能够较好地预测法向接触刚度、损耗因子和法向接触阻尼的变化规律.减小分形粗糙度和增大法向接触荷载均会使得法向接触刚度增大,而且随着分形维数的增大,法向接触刚度呈现出先增后减的变化趋势;增大分形粗糙度和降低法向接触荷载都会使得损耗因子升高,且损耗因子随着分形维数的增大而呈现出先减后增的变化趋势,当分形维数趋近于2时,损耗因子收敛于某一定值;法向接触阻尼随着分形维数的增大也呈现出先减后增的变化趋势,且其变化过程出现了2个拐点.当分形维数低于第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而增大;当分形维数超过第1个拐点值时,法向接触阻尼随着分形粗糙度的增加而减小;当D≤1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载的增大而减小;当D1.4时,法向接触阻尼随着法向接触荷载增大而增大.     

铣削加工表面轮廓的几何分形特征

将分形几何学运用于铣削表面的形貌研究,分别采用结构函数法和重标极差分析法,计算出不同铣削表面的分形维数D和垂直尺度因子G.根据计算结果,运用改进Weierstrass-Mandelbrot分形函数模拟仿真出相应的表面轮廓,并画出实测表面轮廓和模拟表面轮廓的高度归一化概率密度分布图.试验结果表明,铣削表面轮廓分形维数D、垂直尺度因子G随着表面粗糙度的增加而降低;仿真出的表面轮廓和实测表面轮廓具有相同的高度归一化的概率密度分布,并能更加真实地反映出表面轮廓的细微结构.     

电火花线切割加工表面形貌分形特征

针对电火花线切割加工表面形貌不规则、无序性等特点,基于分形几何理论,研究了电火花线切割加工表面形貌的分形特征,利用结构函数法计算其分形维数,并给出了电火花线切割表面特征分形维数的物理意义.研究表明:电火花线切割表面形貌在一定尺度范围具有明显的分形特征,加工参数的设定、脉冲电源的性能等因素影响分形维数D的大小,分形维数D和表面粗糙度Ra有一定的对应关系,将分形维数D和表面粗糙度Ra结合起来描述线切割加工表面的形貌特征更为合理.     

基于循环迭代的分形插值函数的构造及其盒维数

为了更加精确地拟合复杂的非光滑曲线,采用了在原有分形插值函数的基础上构造一类更加复杂的分形函数的方法,笔者称这样的分形函数为基于循环迭代的分形插值函数,并对这类分形插值函数的构造方法及其计盒维数的计算进行了研究,给出了其维数定理。     

基于多重分形谱的碳纤维复合材料表面评定方法

碳纤维复合材料（CFRP）表面的多重分形谱能表征其表面形貌特征.用TalyScan 150表面测量仪测量了CFRP的表面形貌,使用小波变换算法计算了其多重分形谱.结果表明,CFRP 3D表面的形貌与其多重分形谱密切相关,Lipschitz指数的范围可以表征表面的粗糙度,多重分形谱的数值可以表征表面的波峰和波谷的分布.同传统表面粗糙度分形维数表征方法相比,多重分形谱能表征加工表面形貌的局部特征.     

考虑三维结合部形貌的静摩擦因数非线性分形模型

考虑三维结合部形貌的W-M函数,推导了结合部静摩擦因数非线性分形理论模型.数值模拟了考虑三维形貌的结合部静摩擦因数与法向载荷P、分形维数D、分形尺度系数G的关系,以及在二维分形和三维分形模型中的差异.结果表明:结合部静摩擦因数与法向载荷成单调递增关系,与分形尺度系数成单调递减关系.当D小于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而增大;当D大于2.5时,静摩擦因数随分形维数的增大而减小;三维分形下的静摩擦因数小于二维分形下的静摩擦因数.     

微犁削成形金属表面的微观形貌特征

综合粗糙度和分形维数两种评价方法对微犁削成形金属表面的微观形貌进行分析,研究微沟槽表面形貌特征及加工参数对其的影响规律.研究表明:微犁削沟槽表面不同位置的轮廓分形维数和轮廓粗糙度均符合特定统计规律,且轮廓分形维数平均值和轮廓粗糙度平均值存在较强的正相关性;在一定的加工参数范围内,槽深的增大和加工进给量的减小使沟槽表面轮廓分形维数和轮廓粗糙度的均值上升.文中还基于实验数据,利用改进的W-M分形函数建立了描述上述形貌特征的微犁削沟槽表面数字化模型,为微犁削成形表面功能结构的仿真与主动设计奠定了基础.