基于骨料几何本征混凝土干缩开裂的三维细观研究

结合激光扫描测试和三角网格折叠算法形成了基于骨料几何本征的三维骨料模型库,提出了基于拟合体的真实骨料间接投放算法,建立了干燥环境下混凝土收缩开裂研究的细观尺度数值分析模型.通过湿扩散模拟确定混凝土湿度场的空间分布,根据湿度场的变化计算混凝土试块的损伤分布,模拟结果与已有试验结果吻合良好,验证了模型的可行性.在此基础上,研究了在干燥环境下混凝土干缩裂缝的扩展机理,揭示了混凝土表面干缩裂缝发展规律与细观介质之间的内在联系.结果表明,混凝土试块棱边较表面水分损失更快,更易产生初始裂缝;混凝土初始裂缝和表面损伤点与在表面下的骨料位置重合,且受骨料离表面的距离和粒径影响;随着环境相对湿度的降低,表面裂缝发展深度不断增加,试块表面出现更多贯通裂缝和损伤点,呈现以表面下骨料位置为节点的“龟裂”形态.     

骨料对刚性弹正侵彻混凝土过程的影响机理

混凝土的细观侵彻破坏机理已成为工程防护领域的重要研究方向,本文以三维混凝土细观模型为基础,系统分析了刚性弹正侵彻混凝土过程中,骨料强度、粒径、体积分数等主要细观参量对弹体偏转及侵彻阻力的影响规律.明确了深侵彻过程中弹体偏转的四个阶段,并以静止后弹体偏离原运动姿态的角度为衡量指标,获得了各变量作用下的弹道偏转规律及相应临...     

带肋钢筋-混凝土界面黏结破坏行为细观模拟

钢筋与混凝土之间的良好黏结是钢筋混凝土结构共同承载受力的基本前提.结合混凝土细观结构及带肋钢筋结构特征,考虑钢筋与混凝土间摩擦阻力及机械咬合作用的影响,建立了带肋钢筋与混凝土界面非线性黏结破坏行为研究的细观尺度分离式相互作用模型.在与已有试验结果吻合良好的基础上,首先讨论了细观力学分析方法的优势,研究了钢筋-混凝土界面黏结-滑移行为与破坏机制,分析了钢筋黏结应力的分布特征.进而基于细观数值分析方法讨论了骨料分布、保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径和钢筋肋高等因素对钢筋-混凝土界面黏结破坏行为的影响规律,得到了一些规律性认识.     

新型碾压式导电混凝土功能材料力学性能试验与精细仿真分析

碾压式导电混凝土(electrically conductive roller-compacted concrete, ERCC)是一种新型功能性材料,可通过自身电热性能解决高寒地区路面跑道人工除雪去冰效率低、大坝工程结构温控难等问题.本文开展了ERCC材料设计、物理试验与数值仿真分析研究.利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)测试分析了表面活性剂对ERCC浆体流动性、炭黑分散效果的改善机理;针对碾压成型的大型ERCC钻芯取样试件,开展了力学性能的宏观试验与X射线断层扫描(X-ray computed tomography, XCT)的细观试验;进而在材料试验的基础上,通过耦合连续介质、非连续介质计算方法进行ERCC精细化数值仿真分析,建立了基于真实骨料的ERCC细观模型,解决了传统混凝土细观模拟中XCT模型计算成本过高、非连续介质计算效率低、传统球体/多面体骨料模型的精细化程度差等问题.结果表明:ERCC表面活性剂可明显改善炭黑分散效果,采用碾压施工工艺成型质量较好,抗压强度为22.85 MPa,劈拉强度为1.72 MPa,弹性模量为...     

低维特征空间中基于旋转图像的三维环境模型配准方法

近年来,异类机器人之间(如飞行机器人和地面机器人)的协作成为机器人学研究发展的一个新的领域.异类机器人协作的难点之一是协作环境建模,而由于所获得的环境模型具有不同的观测视角和尺度,其环境建模中的模型配准是一个难点和关键.目前,能够适用于大视角差、大尺度差场景配准的方法并不多,基于旋转图像的配准方法被认为是一种可行方案,但其中存在的计算负担大和在野外环境中的鲁棒性差使得其也很难在实际系统中应用.基于此,面向三维点云环境模型,以旋转图像为基础,提出了一种新的基于低维特征空间的模型配准方法.首先,通过引入模型曲率、旋转图像熵值和激光反射强度3个特征构建了一个三维特征空间,得到候选对应点集合.然后,在候选对应点集合中利用旋转图像的方法查找正确的对应关系,实现模型配准.由于低维特征空间的引入,基于旋转图像特征的对应点搜索区域大大减小,因此算法计算效率得到了极大改善.同时由于引入的新特征与场景旋转图像特征的互补性,算法的鲁棒性和精确性也得到了提升.这些性能改进最后通过实验得到了验证.     

DSOM: 一种基于NO时空动态扩散机理的新型自组织模型

研究了神经信号传输中, 内源性一氧化氮(NO)的四维动态扩散特性及其在长时程学习过程中的增强作用. 将NO扩散机理建模后与Kohonen自组织映射模型相结合, 在空间SOM基础上引入时间增强, 提出了新型的动态扩散型自组织映射模型, 计算了最优化权值的误差函数, 并分析比较了该模型与SOM中噪声干扰对训练的影响. 最后结合多项典型的一维和二维输入模式,给出自组织映射模型与扩散型自组织映射模型的仿真结果对比.     

高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

大型地下洞室群地质信息三维可视化分析与应用

提出采用三维地质建模技术进行大型地下洞室群地质信息可视化分析的研究方法，构建了模拟真实地质形态的地下洞室群地质三维可视化模型，直观准确地描述了工程所处的地质条件和地质环境。基于所建立的地质模型，可实现与地下洞室群相关的多项地质信息的三维可视化分析。工程应用表明该方法可为应对复杂地质条件下地下洞室群设计与施工中的地质问题提供一种有效的分析手段。     

二维AR模型的改进及在钢板表面形貌仿真中的应用

二维ＡＲ模型的参数估计中,由于对应的二维Ｙｕｌｅ－Ｗａｌｋｅｒ方程不具备唯一性和可辩识性,使得二维ＡＲ模型的定阶计算和参数估计一直是一个非常困难的问题。提出了一种二维ＡＲ模型的初步定阶方法,并在此基础上给出了一个ＡＲ模型参数估计的改进算法。利用所改进的参数估计算法对不同汽车钢板表面形貌进行了ＡＲ建模的仿真计算,并取得了较好的仿真结果。     

基于POD-Observer技术的非定常气动力建模方法

基于本征正交分解（POD）结合观测器（Observer）技术,发展了一种新的适合于气动弹性分析的非定常气动力降阶方法.通过全阶系统行为的样本采用POD方法导出一组流体模态.将POD训练的全阶响应投影到流体模态上,得到模态幅值的响应时间历程.经由deadbeat观测器处理,这些训练数据用于识别模态幅值动态系统的Markov参数.采用特征实现算法基于上述的Markov参数构建系统的状态空间模型.算例选取了亚声速流场中的二维翼型系统.结果表明降阶模型复现了全阶系统的主要动态特性,极大缩减了原系统的自由度数量并且显著提高了计算效率.     

基于子图同构的前驱三维工序模型向二维工序图映射匹配算法

为满足企业对三维工序模型的迫切需求,解决前驱三维工序模型与工序图的映射匹配问题,提出一种基于子图同构的前驱三维工序模型向二维工序图的映射匹配算法．该方法首先对三维工序模型进行投影,获取其投影图;然后分别提取工序图与投影图中的图元信息,将其表示为以图元作为节点的属性邻接图．在映射匹配过程中,将投影图表示成“大图”,工序图表示成“子图”;将前驱三维工序模型向二维工序图的映射匹配问题转化为“大图”中寻找“子图”的问题．为提高匹配效率,对属性邻接图进行分割,并且充分利用图的顶点属性对图顶点进行有效细分．实验结果表明,该算法能够实现精确的匹配,并且匹配效率能满足实际应用要求．     

锈蚀钢筋混凝土柱偏心受压性能精细化模拟

针对锈蚀钢筋混凝土(RC)柱的偏心受压力学行为,本文从细观角度出发,将混凝土看作是由骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,并且考虑锈蚀导致的钢筋和保护层混凝土的材料性能劣化以及黏结强度退化,建立了其三维细观精细化有限元分析模型.数值计算结果与试验结果的良好吻合,验证了数值分析模型的合理性.在此基础上,主要分析了锈蚀率和偏心率对RC柱偏压力学性能的影响.发现:钢筋锈蚀会引起临界偏心率增大,使构件趋于脆性破坏;锈蚀率增加会明显降低柱的刚度、延性和承载力;偏心率的增加则会导致构件轴向承载力降低,柱的破坏模式变为大偏心受压破坏.最后,基于完好状态RC压弯构件承载力统一公式,考虑钢筋锈蚀的影响,发展建立了锈蚀RC构件压弯承载力计算公式,并与试验结果进行对比,验证了所提公式的准确性.     

圆钢管混凝土柱轴压破坏行为与尺寸效应理论研究

当前混凝土材料层次的尺寸效应理论已较为完备,而对钢管混凝土构件层次的尺寸效应理论研究则远远不足.针对圆钢管混凝土柱,考虑混凝土细观非均质性及钢管-混凝土相互作用,建立了研究其轴压破坏行为的三维细观数值分析模型.在模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,基于细观模拟方法研究了不同横向约束作用(以套箍系数来表征)及不同尺寸下钢管混凝土柱的轴压破坏机理与失效模式,揭示了钢管横向约束作用对混凝土柱名义轴压强度及其尺寸效应的影响规律.最后,结合钢管对混凝土柱轴压强度的影响机制——"强度增强效应"与"尺寸效应削弱效应",在材料层次尺寸效应律的基础上,建立了能反映横向约束作用的混凝土柱轴压强度的尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性.     

非规则颗粒形态表征与离散元模拟方法研究

颗粒物质在自然界和人类生产与生活中广泛存在,对于非规则颗粒,其宏观物理力学特性与几何形态密切相关.本文以本课题组和合作者的相关研究为基础,介绍了非规则颗粒几何形态的获取、重构、评价、随机生成以及离散元模拟方法等方面的研究进展.总结了非规则颗粒形态不同获取方法的优缺点;将颗粒二维形态和三维形态分别划分为星形和非星形两种类型,介绍了各类型几何形态的计算几何重构方法;系统总结了非规则颗粒不同层次形态评价指标的定义,及基于计算几何的指标计算方法;介绍了基于逆蒙特卡罗法的二维星形与三维星形随机颗粒生成方法,以及可考虑一阶系数固有关系和其他阶系数经验相关性的二维非星形与三维非星形虚拟颗粒生成方法;对于非规则颗粒的离散元模拟方法,重点总结了颗粒几何形态表示、颗粒接触判断与颗粒接触力计算方法等核心问题的研究进展.     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

超声固体测温中的二维温度场重建算法研究

高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础.     

移动拟合法在煤层界面插值中的应用研究

为了在构建三维矿床模型过程中,形成最佳逼近的煤层界面模型,将移动拟合法引入到煤层界面插值中。根据煤层的赋存条件以及原始采样数据的分布特点提出了参数优化选择的有效方法及适用条件,并通过数学方法改善病态矩阵,使待估区域中的插值结果精度更高。以某矿的煤层界面数据为样本,通过交叉检验确定权函数,进行空间插值以及三维可视化,比较真实地反映了矿床的基本特征,为矿床地质模型的建立提供了有力的数据支撑。     

工程场地地震动随机场的物理模型

提出了工程场地地震动随机场的物理模型,并利用实测地震动验证了其正确性.首先,阐释了工程场地地震动场双尺度建模的基本思路;其次,以地震点源模型和均匀各向同性传播介质模型为基础,阐明基岩表面地震波场具有二维球面波场形式,并给出了基岩表面地震波场一般形式;假设工程场地内的地震波为平面波,建立场地滤波模型,获得了工程场地表面地震动场的基本表达式;再次,引入震源、传播途径和局部工程场地的具体物理模型并考虑基本物理参量的随机性,建立了工程场地地震动随机场的物理模型.利用波群叠加方法,对SMART-1台站组记录的强震地震动时程数据进行了样本层面的建模.研究结果表明,本文所发展的地震动随机场物理模型能够反映真实地震动的空间相关性.     

基于多尺度卷积网络的非朗伯光度立体视觉方法

光度立体视觉作为一种精细三维测量技术广泛应用于三维重构、缺陷检测、生物医疗等领域,但传统反射模型对材质真实物理特性的反映能力有限,对于如光亮金属等具有非线性光反射特性的非朗伯表面适应性不佳,极大地限制了该技术的进一步应用.本文提出了一种基于深度学习多尺度卷积架构的光度立体视觉算法,实现了对非透明材质表面在任意光照条件下的高精度法向量恢复.算法在深度网络中设计了多尺度卷积结构,小尺寸卷积核强化了模型在光度物理原理上的表达,使得模型在细节预测上具备优势,大尺寸卷积核鼓励深度网络利用邻域特征,提升模型克服阴影和区分多种材质的能力.为进一步处理任意光照条件的问题,算法设计了对入射光照向量空间的多分辨三维极坐标划分方法,在整合输入图像信息的同时,充分发挥了多尺度卷积的效能.实验结果表明,多尺度卷积深度学习架构有效集成了光度原理和深度学习二者的优势,在保留精细三维形貌恢复能力的同时,极大提高了针对非朗伯表面的适应性,为光度技术的广泛应用提供了有力的技术支持.     

箍筋约束混凝土方柱轴压破坏尺寸效应细观数值研究

钢筋混凝土构件尺寸效应行为源于混凝土材料的非均质性及钢筋/混凝土复杂的非线性相互作用.通过建立反映上述特征的约束混凝土方柱3D细观数值模型,开展轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究,探讨体积配箍率对箍筋约束混凝土方柱轴心受压力学行为及尺寸效应的影响机理,并与试验结果进行对比分析.基于Baznt尺寸效应律,开展约束混凝土轴心抗压强度尺寸效应理论分析.研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合良好,构建的钢筋混凝土柱细观力学模型能够准确地描述箍筋约束混凝土构件的破坏行为及尺寸效应规律;体积配箍率增加,约束混凝土柱的名义强度增大、破坏呈现更少的脆性,尺寸效应现象减弱;Baznt尺寸效应理论能够对约束混凝土柱轴心加载下的尺寸效应行为做出合理解释.