基于动荷载作用花岗岩破碎碎块的分形特征与能量的相关性

利用直径50 mm的霍普金森试验装置,研究花岗岩试件冲击破碎碎块的分形特征和耗散能量的关系.结果表明破碎花岗岩每单位体积所需要的能量和岩块尺寸、特征尺寸、均匀性系数、块度分形维数等有较大的相关性,比耗散能量和块度分形维数的关系更接近于自相似的特征;扫描电镜图像和耗散能量与碎块表面的分形维数的关系,显示了较低的耗散能量使花岗岩内部微裂纹沿晶破坏成碎块,较高的耗散能使花岗岩内部的微裂纹既有沿晶破坏又有穿晶破坏,且碎块表面的分形维数反映了碎块表面的破坏程度.     

染色石膏颗粒一维压缩破碎与形状演化

使用染色石膏颗粒研究颗粒破碎过程中的形状演化,采用基于正交视图的拍照识别方法获取颗粒形状,借助Weibull分布函数对颗粒形状的统计分布进行定量表征,分析了染色石膏颗粒一维压缩破碎前后的颗粒形状特征。结果表明:破碎产生的颗粒与亲代颗粒粒径相差越大,其表面越粗糙、圆度越差、越扁平,且形状因子分布越不均匀;存活颗粒相比亲代颗粒形状变得更规则,形状因子分布趋向于均一化,而破碎颗粒的形状演化则完全相反;由于整体试样既包含存活颗粒又包含破碎颗粒,其形状演化规律未表现出明显的一致性。     

沙粒粗糙度和粒径分布的分形特性

提出了一种度量沙粒粗糙度和沙粒粒径分布的分形维数的计算方法,用分规法和周长面积法度量沙粒平面剖面线的不规则性,用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布模型分析研究沙粒粒径分布的规律。结果表明：沙粒的表面粗糙度越大,其分形维数越大;沙粒组成中的细沙越多,其分形维数越大。同时表明分形几何可用于不规则图形和破碎模型的定量研究。     

火山渣颗粒图像处理及形状定量分析

火山渣颗粒具有形状不规则、棱角较多的特点,其形状特征会影响材料工程性质.为探究火山渣颗粒形状特性,通过AIMS集料图像测量系统获得火山渣颗粒图像以及形状指标,采用分形维数和正态分布检验方法,讨论以颗粒长度作为特征粒径时粒径变化对颗粒形状和分形维数的影响规律,并对比火山渣颗粒与一般岩体颗粒的形状差异.结果表明:随着特征粒径减小,火山渣颗粒长扁度和粗糙度逐渐减小,棱角度、球度和分形维数逐渐增大,越趋近于球形和块状,且表面棱角越少.所有采用的形状指标之间均有较好的相关性,其中棱角度对特征粒径变化最为敏感,可优先选取棱角度作为描述火山渣形状的指标.此外,通过与卵石和级配碎石的对比表明,在不同粒径范围内,火山渣颗粒长扁度和圆度随粒径变化不如卵石和级配碎石显著,且火山渣粗糙度和棱角度均比卵石和级配碎石大,表明火山渣颗粒棱角更多,表面更粗糙.     

粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。     

超细煤粉粒度分布的分形描述

为进一步描述超细粉煤体的粒度分布特征，利用超细煤粉的粒度分布特性和分形特征的数学模型，分析了矿物破碎后块度分布的分形性质。分析结果表明：矿物颗粒从微观损伤发展到宏观粉碎的过程是能量耗散过程，并具有分形性质；各超细煤粉样品的粒度分布的分形维数接近于2.00，说明超细煤粉的表面形状趋近于平面结构。分形维数可以作为确定超细煤粉粒度分布的一个参数．     

煤破碎过程中表面结构演化与力学特性关系

利用电子万能试验机对四种典型块煤开展单轴压缩破坏实验,研究其应力应变及破坏形式等力学特性.利用高速摄像仪拍摄煤块表面细观结构图像,并计算分形维数以定量描述煤块在单轴压力载荷下表面细观结构,最终建立应力与表面分形维数的关系.结果表明:煤表面和内部存在大量孔隙、裂隙等缺陷以及其具有的不均匀性,导致其单轴压缩实验力学特性存在各向异性特征,破坏形式主要为沿纵向主裂隙的劈裂破坏;同种煤的最大和最小的应力强度值相差很大,不同煤种的力学参数也有整体的差异性.通过定义相对分形维数和相对应力强度发现单轴压应力与表面分形维数呈现非线性增长关系.     

考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验

采用分形维数和级配宽度作为级配的量化指标,通过粗粒料的侧限压缩试验,研究级配对密实粗粒料的堆积、变形以及破碎特性的影响规律。试验结果表明,粗粒料的最大干密度和低应力下的压缩模量均随着分形维数的增大先增大后减小,在分形维数为2.2附近存在极大值;同时,两者均随着级配宽度增大而增大。粗粒料的破碎强度可通过双对数坐标下的拐点表征,破碎强度随着分形维数与级配宽度的增大而增大;破碎强度越高,颗粒破碎率越小;不同级配的粗粒料充分破碎后的最终级配都收敛于唯一的分形分布。     

循环荷载下钙质砂单颗粒破碎试验研究

钙质砂是长期在饱和的碳酸钙溶液中经物理、生物化学及化学作用过程而形成的海洋沉积物,是人工岛建造常用的岩土工程材料,其力学特性直接影响人工岛的安全使用.海洋环境下钙质砂不间断承受海洋动荷载的影响,因此有必要探究循环荷载作用下钙质砂单颗粒动强度特征.为此采用自行设计研制的单颗粒循环加载仪器对不同形状、粒径的南海钙质砂进行单颗粒破碎试验,利用Weibull统计函数描述每种粒径下的单颗粒动强度分布规律.基于试验所得力-位移曲线,发现钙质砂单颗粒在动荷载试验过程中的破坏模式分为两种:一种是颗粒破碎发生在加基值力之前,一种是颗粒破碎发生在加基值力之后.对不同粒径单颗粒动强度统计分析,发现单颗粒动强度的分布与粒径有关,粒径越大则强度越低;相同粒径下不同形状的单颗粒动强度规律为:块状颗粒条状颗粒片状颗粒;同一形状下单颗粒强度服从Weibull分布,在双对数坐标轴下,特征单颗粒动强度与粒径呈线性关系.     

破碎岩石颗粒形态特征量化描述体系

形态特征的量化描述是破碎岩石颗粒三维形态重构及其力学行为研究的基础。本研究针对岩石颗粒二维形态特征的表征开展研究,随机选取不同粒径的破碎岩石颗粒,采用数字图像处理技术和Image-Pro Plus图像测量方法,提取岩石颗粒的基础几何数据。确定以圆形度、球形度、矩形度和粒径为指标的形态特征描述体系。对测量结果进行散点拟合与多元参数拟合,通过相关性分析确定形状参数影响效果的显著性,筛选淘汰不显著因素与相关性低的参数,构建岩石颗粒CSR(Circularity, Sphericity, Rectangularity)形态特征描述体系。结果显示,以圆形度代表颗粒二维形态特征的规则程度,粒径的相关性较低,球形度与矩形度均存在相关性,经回归分析后发现球形度的影响程度最为显著。对比分析结果显示,CSR指标体系在表征颗粒宏观二维形态上具有较高的准确度。     

南海钙质砂单颗粒破碎试验研究

采用自制的高精度单颗粒加载仪器,对不同粒径、形状的南海钙质砂颗粒进行了单颗粒破碎试验,探究静载作用下钙质砂单颗粒强度特征.运用Weibull经验公式对钙质砂单颗粒强度进行统计学分析,对单颗粒强度进行归一化.试验结果表明:钙质砂单颗粒的力-位移曲线形式可分为类"硬化"型、类"软化"型与"平坦"型三种;单颗粒强度的分布与粒径有关,粒径越大,强度越低;粒径相同时,块状颗粒的单颗粒强度高于片状颗粒;单颗粒强度分布服从Weibull分布,Weibull模量m介于1～3之间.     

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

 岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要.根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响.本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸.综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径.     

考虑间断级配的破碎矸石压实和再破碎研究

级配结构是影响破碎矸石压实和再破碎特征的重要因素,而级配矸石的压实和再破碎特征直接决定了采空区充填质量和效果。首先,采用分级加载方式对连续级配和间断级配的破碎矸石进行侧限单轴压缩试验;基于试验结果,研究轴向应力和级配共同影响下的压实变形参数、再破碎参数的变化规律,分析再破碎后颗粒的粒径分布和分形特征。然后,以级配压实-破碎—分形演化为研究路线,建立分别表征压实和分形特征的压实度增量与分形维数之间的关系式,以及分别表征压实和再破碎特征的应变与分形维数增量之间的关系式,并论证关系式中参数的物理意义,探讨级配矸石压实和再破碎过程之间的内在关系。研究结果表明：根据压缩模量变化规律及其不同阶段的压实变形机理,可将不同级配破碎矸石压实阶段划分为快速压实、缓慢压实和稳定压实3个阶段,颗粒再破碎后的粒径分布特征表明颗粒的再破碎主要发生在缓慢压实阶段;本文提出的关系式较好地描述了级配破碎矸石的压实—再破碎全过程,可反映不同级配矸石在压实和再破碎过程中的稳定性,可为采空区精准充填及其预防提供理论依据。     

切削前角对刀齿线性切削岩石的影响

为研究切削前角对刀齿切削岩石的影响,利用自主研发的刀齿线性切削岩石试验装置对砂岩进行切削前角处于-40°~50°区间的切削试验.实时采集试验中刀/岩的相互作用力,记录所形成的切削槽形状,收集切削形成的岩石碎块并得到其粒径分布,进而分析岩石碎块的分形特征;同时,利用碎块的分形维数定量描述碎块的粒径分布.结果表明:随着切削前角从-40°逐渐增加到50°,切削槽的宽度不断增大,尤其是在切削槽初始形成端;随着切削前角的增加,岩石碎块的分形维数、刀/岩的平均切向力和平均法向力均逐渐减小,且其均可采用切削前角的指数函数表示,平均切削力与平均法向力的比值处于0.56~1.84之间,且无规律性变化.     

粗集料棱角性的图像评价方法

利用自行研制的粗集料形态特征研究系统,分别采用颗粒周长法与分形几何法,提出粗糙度与分形维数2个指标对粗集料的棱角特征进行评价.将其计算结果与目前侵蚀膨胀法的表面参数指标进行了对比分析,并采用粗集料松装空隙率对粗糙度与分形维数2个图像指标进行了验证,研究表明:粗集料的粗糙度、分形维数与表面参数具有良好的一致性,均可以较好地表征粗集料的棱角性,粗集料的棱角特性与集料的粒径尺寸具有一定的相关性,集料粒径越大,其棱角性越弱,对于所采用的材料,卵石的棱角性最差,石灰岩、花岗岩、玄武岩与安山岩4个集料的棱角性差异并不显著.     

废弃电路板材料断口的分形表征

为研究废弃电路板的破坏机制,采用扫描电镜对6个典型的废弃电路板材料断口进行形貌分析.电路板外观形貌具有自相似性,表现出分形的特征.基于分形理论和计算机图像处理技术,编制计算材料断口形貌计盒分形维数的MATLAB程序.MATLAB计算程序拟合直线的线性度很好,表明电路板材料断口的分形行为显著.6个断口的分形维数不同,表明它们的复杂程度和粗糙度不同.断口3为集成电路中树脂的断口,材料断裂后有一定的凹凸面,并且有缺陷和微孔,故表面形貌最为复杂,分形维数最大,为1.415.断口 2、断口 5和断口 6外观形貌较规则,分形维数较小.断口1和断口4均为硬塑料断口形貌,有河流状花纹,断口1和断口4的表面粗糙度介于断口3与断口 2、断口 5和断口6之间.通过分形维数的计算可知6个断口纹理的粗糙和复杂程度从大到小依次为断口3,1,4,5,2和6,这与人眼观察到的结果基本一致,也进一步说明电路板及其元器件在破坏后,其断口形貌具有分形的特征.     

漳州平原变性土粒径分布分形维数特征

 分形是许多自然事物和现象的客观特征之一。根据不同地形及土地利用/土地覆盖,从漳州平原不同地域分别采集22个0~60cm土层土壤样品,测定土壤各粒径质量分数,结果说明变性土土壤颗粒具有一定的分形特性。在此基础上,论述了漳州平原变性土粒径分布分形维数的变化特征以及土壤粒径分布分形维数与土壤性状间的关系。结果表明,漳州平原22个土壤样品粒径分布分形维数介于2.756~3.002之间,在垂直方向上,土壤粒径分布分形维数具有随着土层深度增加而增大的变异规律。通过回归分析发现,土壤粒径分布分形维数与各粒级颗粒质量分数明显呈线性关系,正负相关性以粒径r=0.1mm为界,即其分形维数与r>0.1mm的颗粒质量分数负相关,与r<0.1mm的颗粒质量分数正相关。土壤粒径分布分形维数随着植被覆盖度的增大而增加,并且土壤粒径分布分形维数随地形发生变化,表现为坡下>平地>坡上。     

PP/硅藻土复合材料断口表面分形维数及其与冲击强度关系的研究

应用硅烷偶联剂对硅藻土进行表面处理,并制备了PP/硅藻土复合材料,硅藻土的体积分数为0 ~ 15%。在室温条件下,测量了复合体系的冲击强度。采用投影覆盖法测算了复合体系的冲击断口表面分形维数,并考察了它与冲击强度之间的关系。结果表明,试样断口表面分形维数的测算值在2.4754 ~2.5230之间,强的相关性说明断口表面分形行为显著;断口表面分形维数与冲击强度之间大致上符合指数函数关系。     

堆石颗粒浸水破碎引起堆石料湿化变形研究

为研究堆石料的湿化变形,首先通过室内颗粒破碎试验分析了粒径对岩石颗粒强度和软化系数的影响;然后依据散粒集合体应力与应变张量表达式和岩石颗粒的软化系数,建立了饱和与干燥试样的应力-应变转换关系,结合双线法预测了堆石料的湿化变形;最后通过算例分析了该方法的有效性.结果表明：浸水湿化会降低岩石颗粒的强度,饱和与干燥玄武岩颗粒的强度均服从Weibull分布;颗粒特征强度随粒径的增加而降低,但是Weibull模量和颗粒的软化系数没有明显的粒径相关性.堆石料饱和与干燥试样的应力-应变关系可通过岩石颗粒软化系数进行变换;由饱和试样的应力-应变关系和岩石颗粒软化系数可估算堆石料浸水后因颗粒破碎引起的湿化变形.算例中预测结果与试验结果整体比较接近,表明岩石颗粒浸水后强度降低导致的颗粒破碎是堆石料产生湿化变形的主要原因.     

国Ⅵ直喷汽油机颗粒数量及微观形貌排气输运演变特性

开展了某一国Ⅵ直喷汽油机三元催化转化器（TWC）前、TWC后、汽油机颗粒捕集器（GPF）后3个位置的颗粒物采样及微观形貌研究,分析了发动机工况、TWC、GPF对国Ⅵ直喷汽油机尾气颗粒数量、粒径分布、微观形貌的影响。结果表明,该直喷汽油机尾气颗粒数量排放整体上呈单峰分布,低转速小负荷工况下,粒径<23 nm的颗粒数量较高。随着发动机转速和负荷的增大,峰值粒径向大粒径方向移动。直喷汽油机尾气颗粒物由“核?壳”结构基本碳粒子堆积形成,呈链状、枝状、簇状等结构;负荷增大,颗粒物尺寸略有增大,基本碳粒子重叠度增强,分形维数增大;转速增大,颗粒物尺寸减小,基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。随着排气输运的进行,颗粒数量逐渐降低;TWC不影响颗粒的粒径分布形态,颗粒数量净化效率41.6%~94.2%,对<23 nm的小粒径颗粒净化效果较好,低转速小负荷工况的颗粒数量净化效率较高;GPF的颗粒数量净化效率约80%,23~100 nm颗粒数量净化效率较高,对粒径<10 nm的颗粒净化作用不大。TWC和GPF不影响颗粒物结构形式, TWC和GPF后颗粒物基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。