基于BP神经网络方法研究岩石节理形貌粗糙度系数

岩石节理粗糙度系数(JRC)是研究岩石力学性质的重要参数。为了更准确地描述这一参数,本文基于人工神经网络的原理,提出一种研究JRC的新方法——BP神经网络预测法。选取节理表面最大峰高S_p、表面最大高度S_z、表面最大谷深S_v、峰度系数S_(ku)、偏斜度系数S_(sk)、均方根高度S_q、算术平均高度S_a7个表面形貌高度特征参数作为网络输入,剖面线分维值和JRC作为网络输出,以此为基础构建网络模型,并对10组实测数据进行了预测验证。结果表明:该方法误差很小,具有很高的预测精度,可为进一步的研究提供新的思路和方法。     

节理形貌对应力波传播影响的试验研究

为了研究不同节理形貌对应力波传播的影响规律,依据巴顿标准剖面线,制作3组共30个含不同节理粗糙度系数(JRC)的人工节理试样,然后基于SHPB动载试验系统对其进行不同冲击载荷的试验,比较分析不同冲击载荷下的波形图以及应力波在不同节理形貌作用下的透射率,找出JRC值和应力波透射率之间的规律。结果表明:在同一冲击气压下,随着JRC值的增加,透射应力波的波形峰值呈现逐渐下降的趋势,即试样节理面越粗糙,入射应力波穿过节理面进入输出杆的透射波信号越弱,透射能量越小;同一组具有相同JRC值的试样在不同冲击气压作用下,透射率的变化趋势大致相同,即同一组JRC值下,随着入射应力波能量的增加,节理透射率也随之增加,并呈现出很强的规律性。     

耦合节理上下表面形貌参数关系

节理的表面形貌特征对节理的力学和水力学性质有重要影响.在地下岩石工程施工过程中,会有大量的人工节理产生,为了研究人工节理表面的形貌特征,采用巴西劈裂法制作耦合良好的人工节理,用 TalysurfCLI2000三维非接触式激光形貌仪扫描各节理的两表面,分别计算了各表面粗糙度的最大峰高、算术平均值、偏态系数值、峰态系数值和 JRC值,对比分析耦合节理两表面的形貌参数值,发现如下规律:1)耦合节理两表面的最大峰高、表面高度的算术平均值和高度分布的峰态系数值近似相等,不同节理的算术平均值和高度分布的峰态系数值相差较大;2)大部分耦合节理两表面高度分布的偏态系数值表现出一正一负,个别节理两表面的偏态系数值同为负;3)耦合节理两表面的峰点分布曲线变化一致,且峰点数量集中分布在节理表面中间高度范围内;4)耦合节理两表面的 JRC值近似相等     

非贯通遍布节理类岩材料单轴压缩破碎的分形分析

为了研究非贯通遍布节理模型在节理倾角α以及节理夹角γ两个参数影响下的破碎规律以及分形特征,采用水泥砂浆材料制作不同节理倾角以及不同交叉程度的相似材料试样,并对节理类岩材料进行单轴压缩实验以及筛分试验。将碎屑定量分为粗粒、中粒以及细粒3种类型,分别对应粒径范围d10 mm,0.25≤d≤10 mm,d0.25 mm。计算各粒级碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数N以及碎屑尺度-质量分布的分形维数D,得出了碎屑频数N、碎屑的质量百分比随节理倾角α以及节理夹角γ的变化趋势及规律,并研究了碎屑尺度-质量分布的分形维数D随节理倾角α的变化规律,结果表明分形维数能直观反映岩石的破碎程度。     

炭／炭复合材料微观孔隙结构演化的分形特征

提出了一种用分形理论研究炭／炭（C／C）复合材料制备过程中孔隙演化特征的新方法．基于压汞测试数据,根据海绵分形模型及热力学关系模型导出的多孔介质分形维数计算公式,计算了致密化各阶段C／C复合材料孔隙的分形维数,并研究了分形维数随孔隙演化过程的变化规律．结果表明C／C复合材料属于多孔分形介质,孔隙分形维数随孔隙率的减小而增大,但同时受到热解炭织构形态的影响,从各向同性到高织构热解炭,分形维数减小．分形维数综合反映了C／C复合材料内部孔隙的复杂程度和热解炭的形貌特征,是监控C／C复合材料致密化过程中孔隙演化的一个有效参数．     

圆柱形粗糙表面的弹塑性分形接触模型

基于分形理论建立了圆柱形粗糙表面力学模型,采用W-M函数模拟了与分形维数D,形貌尺度参数G有关的圆柱形粗糙表面的等效轮廓.推导了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,得到了圆柱形粗糙表面均分份数与微凸体尺度的变化关系.对传统的微凸体面积密度分布函数进行改进,获得各频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到整个圆柱形粗糙表面的无量纲接触载荷与无量纲真实接触面积之间的关系.研究结果表明:粗糙表面中微凸体的临界接触面积是尺度相关的,微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形.圆柱形粗糙表面的力学性能与微凸体的分布范围相关.当前6个频率指数的微凸体小于等于临界弹性频率指数,粗糙表面表现出近似的弹性性质,当前6个频率指数的微凸体处于临界弹性频率指数和临界塑性频率指数之间,粗糙表面表现出先弹性后弹塑性的性质.当前6个频率指数的微凸体大于临界塑性频率指数,粗糙表面呈现非弹性变形性质.     

河床表面分形度量及其在河型判别中的应用

将表面分维概念引入河流动力学,提出河床表面形态的分形度量方法,并通过实际河段分析与概化模型试验结合的手段,对不同河型亚类、不同基本河型的河床表面分形维数进行对比研究,并将河床表面分形维数应用于河型判别.结果表明:由于河床形态是河型判别的一个主要依据,而河床表面分形维数又可对河床形态进行整体度量,因此河床表面分形维数可在一定程度上体现河型、甚至河型亚类之间的差异,实际分汊河段比较中,微弯高水分汊的河床表面分形维数最大、弯曲低水分汊及顺直中水分汊次之、微弯低水分汊最小;在试验范围内,一定流量下,则是分汊河型的河床表面分形维数最大、弯曲河型次之、顺直河型最小,可以认为在收集更多实测河段资料并统一算法后,河床表面分形维数可作为河型的判据之一.     

分形空间中力学规律的适应性原理与标度不变性原理

本文应重整化群的参数空间变换和标度空间变换的方法证明了分形空间的力学规律的适应性原理和标度不变性原理。从空间变换的角度讲．从分形空间的物理规律到欧式空间的物理规律变换就是标度不变性的变换,从欧氏空间的物理规律到分形空间的物理规律变换就是一个适应性变换。其推论是分形空间的能量守恒定律、力的合成及其位移的合成在分形空间上保持形式不变。同时,Carpinteri的分形空间的空间维数关系利用重整化方法获得证明,即分形空间的体积的维数溢出量等于分形空间的截线和截面的维数溢出量之和。     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

岩体粗糙单裂隙流体渗流机制的实验研究

岩体的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂,岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题．为了探究岩体粗糙裂隙的渗流机制和粗糙结构的影响,本文通过岩体单裂隙物理模型的水渗流实验,利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数和PMMA材料制作了不同分形维数粗糙单裂隙的物理模型,利用高速摄相机记录了粗糙裂隙水渗流的全过程,分析了水渗流性质随裂隙粗糙性的变化规律及粗糙结构对渗流机制的影响,阐述了粗糙结构中水渗流的流动阻力构成,建立了水流阻力与裂隙粗糙性关系的分形模型,提出了粗糙单裂隙分形等效渗透系数和计算公式,为理解和定量描述岩体粗糙单裂隙渗流性质及其与裂隙结构之间的关系提供了实验依据和参考．     

柴油高压喷雾燃烧火焰碳烟颗粒形貌及其纳观结构分析

柴油机是热效率最高、单位体积和比功率密度最大、应用最广泛的动力装置之一.但柴油机喷雾混合扩散燃烧的本质会导致颗粒物的大量产生.为了深入了解柴油机缸内温度和压力条件下喷雾火焰中碳烟颗粒的生成及其演化的详细机制,本研究利用热泳探针采样及高分辨透射电子显微镜成像(HRTEM)的方法对定容燃烧弹(CVCC)中柴油喷雾火焰中生成的颗粒进行了采集并结合成像分析研究了其表观形貌、纳观结构的特性,并进一步提取了其形貌结构的参数.本文还详细考察了不同负荷(喷油量)对基元颗粒和团聚体的形态特征及分形几何参数的影响.结果表明,随着喷油量的升高,团聚体分形维数增加,团聚体颗粒结构越来越紧凑.不同喷油量下的基元粒径呈正态分布,粒径随喷油量的增加而增加.颗粒的微晶长度随喷油量增加而增加,但微晶曲率和微晶碳层间距随喷油量增加而减少,由此表明随着喷油量的增加,颗粒样品的石墨化程度提高,氧化活性下降.我们在此基础之上还进一步分析了回转半径、颗粒投影面积、圆度和球度、基元粒子数等相关参数的结果.     

技术创新型企业专利产出与其经济产出之间关系的实证研究

本文对技术创新型公司的专利产出与经济产出之间的关系进行了个案实证分析,计算结果表明,该公司的专利产出与经济产出（年销售收入/利润）之间存在非常显著的正线性相关性,回归分析得到（1999～2005年）：Y＝980190.408＋1042.706X,式中,X为该公司中国发明专利申请数,Y为对应的年销售收入（万元）.研究还发现,随公司专利申请数量的增加,可能出现由线性相关向非线性幂函数相关的转变,表现出专利对经济产出的“组合增强”效应.     

金刚石薄膜的导热性质研究

利用光交流加热法测量了3个单层的金刚石膜试样平行于表面方向的热扩散率,再根据金刚石体积比热容的公认值,确定金刚石膜的热导率.测量结果表明,不同工艺条件下制备的金刚石膜,其热导率可以有很大的差别.3个样品中,测得的热导率最低值为0.50W/cm·K,最高值为7.70W/cm·K,这些差别与工艺参数甲烷气含量密切相关.测量了2个样品热导率在室温和160℃之间的变化,热导率与温度的关系由金刚石内部多种散射机制决定.对光交流加热法测量,如金刚石膜那样高热扩散率样品存在的端部效应引起的原理误差作了分析和修正.     

利用有限Fourier系数算法求解光学制造中误差校正输入数据

光学自由曲面是一类极难制造的异形曲面, 采取计算机控制光学表面成型技术制造时, 元件表面材料去除量由单位去除函数与输入参量(驻留时间)之间的卷积分决定. 求解加工驻留时间, 一般利用低通滤波器或迭代的方法借助于反卷积算法, 但是结果中存在的近似解将会影响加工稳定性. 本研究基于有限Fourier系数算法构建输入参量求解模型, 可以有效提高参量求解精度并保证加工过程的连续稳定. 通过对影响计算机控制光学表面成型工艺参数的仿真分析, 对求解模型实施评价, 实验结果验证这一方法可以指导高精度自由曲面光学元件的超精密制造.     

氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系

为了从微观角度解释ZnO压敏电阻的导电机理,利用电声脉冲（PEA）法,对4种ZnO压敏电阻试样在不同电流密度下的空间电荷分布特性进行了试验．研究结呆表明,空间电荷和电流密度之间的关系与伏安特性曲线具有一致性,可以反映非线性特性．在小电流区,空间电荷与场强和电流密度呈线性关系,空间电荷的增加反映了晶界层表面态的减少和肖特基势垒的变化．小电流区到中电流区存在过渡区,过渡区的电流是由热电子激活和隧道电流共同构成．在中电流区,随着电流的增大,空间电荷会呈减小趋势,当耗尽层减小为零时,空间电荷会基本消失．     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

非线性电池阵列的最大功率匹配

电池功率可表述为自变量与伏安函数(因变量)的乘积.通过建立电池阵列功率函数,把阵列在最大功率下的"同工作点匹配"拓展为"线匹配".根据电池阵列失配损失的数学描述,给出了阵列的自变量和因变量匹配准则,证明了"线匹配"确实存在.在因变量匹配准则下用级数来研究不同电池,可得到级数表述中的各系数之比值恒为常数,给出类函数匹配方法.再以Lambert W函数为媒介,在类函数匹配方法和实际的电池电流方程之间建立起对应关系,给出电池参数匹配方法,可实践指导电池阵列的"线匹配".最后给出了光伏阵列的匹配案例.     

拉伸变形应变硬化指数的实验测量及其精细分析

从应变硬化指数n的定义出发,从理论上导出了在不同的典型变形路径(恒应变速率,恒十字头速度v和恒载荷p)下用实验参数p(变形载荷),v(十字头速度)和l(试样标距长度)表达的一组n值测量公式,并根据这组公式建立了在恒,恒v,和恒p条件下均能测量n(恒的应变硬化指数),nv(恒v的应变硬化指数)和np(恒p的应变硬化指数)的统一测量方法,同时从分析传统测量方法必然存在理论误差和随机误差出发,提出了精确测量方法.还根据典型超塑性合金的实验给出在同一组恒,恒v或恒p变形路的曲线上对n,nv和np的测量结果,由此判明超塑性与塑性变形的结构敏感性.此外在不同组恒,恒v或恒p曲线上用相同的测量公式所测得的同一个n,nv或np也不相同,由此加深了对n,nv和np的数学表达与实测结果之间关系的认识,从而实现了对参数n实验精细分析的目的.     

拉伸变形应变硬化指数的实验测量及其精细分析

从应变硬化指数n的定义出发,从理论上导出了在不同的典型变形路径(恒应变速率ε ,恒十字头速度v和恒载荷p)下用实验参数p（变形载荷）,v（十字头速度）和l(试样标距长度)表达的一组n值测量公式,并根据这组公式建立了在恒ε,恒v,和恒p条件下均能测量 n-ε（恒?的应变硬化指数）,n-v(恒v的应变硬化指数）和n-p（恒p的应变硬化指数）的统一测量方法,同时从分析传统测量方法必然存在理论误差和随机误差出发,提出了精确测量方法. 还根据典型超塑性合金的实验给出在同一组恒ε,恒v或恒p变形路的曲线上对n-ε,n-v和n-p的测量结果,由此判明超塑性与塑性变形的结构敏感性.此外在不同组恒?,恒v或恒p曲线上用相同的测量公式所测得的同一个n-ε,n-v或n-p也不相同,由此加深了对n-ε,n-v和n-p的数学表达与实测结果之间关系的认识,从而实现了对参数n实验精细分析的目的.