基于小波分形特征与模式识别的矿山微震波形识别研究

在前人研究的基础之上,探讨,验证了矿山微震信号的分形特征,并根据微震信号的特征确立了相关的无标度区间及分形盒维数算法.利用矿山爆破振动,岩石破裂及电磁干扰3类信号频谱分布不同这一特征,结合小波分析与分形理论,通过MATLAB编制相应程序,对3类信号进行了5层小波包分解,求取了指定特征频带上重构信号的分形盒维数.以该盒维数为信号特征,建立23维特征向量,通过SVM支持向量机对300组矿山现场微震信号进行了训练和分类识别.研究结果表明特征频带上的分形盒维数与信号的整体盒维数接近,表明特征频带上的分形盒维数表征了整体的分形特征;3类信号具有明显分形特征,电磁干扰信号最为明显;SVM识别网络识别微震信号,识别正确率高,但运算速度及识别效率仍有待提高.     

泡沫混凝土分形维数与抗压强度的关系研究

研究了泡沫混凝土孔结构的分形特征,并利用盒维数法计算泡沫混凝土微观结构图片的分形维数,分析不同孔结构的泡沫混凝土分形维数的变化规律。通过抗压强度试验,研究了分形维数与抗压强度的关系,建立了分形维数与密度的回归方程,对理论值与实测值进行对比。结果表明:泡沫混凝土的孔结构具有分形特征;随着分形维数增大,泡沫混凝土的28d抗压强度和密度逐渐减小;28d抗压强度和密度的计算值与实测值较为接近。     

桥梁拉索损伤声发射监测及其临界损伤判断

通过拉伸试验,得到了钢绞线整个损伤过程的声发射特征参数,测试结果表明：采用计数、能量、持续时间、幅值和时间的相关点图来综合表征损伤,不但可以跟踪全过程损伤,而且还可以准确判断出断丝信号和非断丝信号以及断丝位置,并发现钢绞线在屈服变形之前,声发射特征参数并不明显,屈服阶段之后,声发射的特征参数逐渐增大,在临近断裂时,声发射特征参数迅速增大。最后采用声发射特征参数时间序列分形理论研究了钢绞线的损伤演化规律,在加载初中期,分形维数变化不大,当钢绞线裂纹进入快速扩展阶段,分形维数出现“最大-最小”变化模式,运用此模式可为钢绞线临界损伤破坏提供一个新的判据。     

基于孔结构的胶凝砂砾石材料渗透性能研究

为探究孔结构特征对胶凝砂砾石材料渗透性能的影响规律，进行了渗透试验和核磁共振试验；在此基础上引入分形理论，借助分形维数分析孔结构特征参数与渗透系数的关联性，进行胶凝砂砾石渗透性能的机理性研究。结果表明：随着粉煤灰掺量的增加，孔隙结构得到改善，大孔隙向小孔隙演变，孔隙率逐渐减小，渗透系数呈现出递减的趋势；分形维数能够定量表征孔隙结构的复杂程度，粉煤灰掺量的增加使得孔隙结构趋于复杂，分形维数逐渐增大；采用孔隙率和分形维数的渗透系数预测模型回归效果较好，可为胶凝砂砾石材料渗透性能优化设计提供理论依据。     

煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究

为提高电磁辐射预测煤岩体动力灾害的准确性,采用室内试验和分形理论相结合的方法研究单轴压缩煤体产生的电磁辐射分形特征.研究结果表明:煤岩体受载过程中产生的电磁辐射脉冲数在时间上具有明显的分形特征,分形维数与煤样的冲击能指数成正幂指数关系;当受载煤岩体处于压密阶段时电磁辐射分形维数较小;处于弹性阶段时,电磁辐射分形维数有一个较小增长,并保持在一个稳定的水平;当受载煤岩体处于塑性阶段时,电磁辐射分形维数大幅度提高;临近主破裂时电磁辐射逐渐降低;主破裂时电磁辐射分形维数降低到最低水平;残余变形阶段,电磁辐射分形维数先增长后减少,总趋势减少.利用上述研究成果,成功地对7249工作面的冲击地压进行准确的预测预报.实践表明,计算脉冲数分形维数的电磁辐射法能够预测煤岩动力失稳现象.     

岩爆过程的声音信号特征研究

 为探究岩爆过程的声音信号特征,采用自主研发的真三轴岩爆试验机系统,在室内实现花岗岩岩样的岩爆过程模拟,并对试验过程中的声音信号进行全程监测,分析岩爆过程声音信号的波形特征、分形特征以及频谱特征。研究结果表明,岩爆的声音信号波形变化特征能够反映岩爆所经历的主要破坏过程,临近岩爆弹射破坏前,存在一段声音信号波形幅值较小的“相对平静期”;岩爆过程的声音信号幅值具有时间分形特性,声音信号幅值分形维数持续增加至峰值后在一段时间内持续下降至最低值可作为岩爆发生的前兆信息;岩爆过程中,不同破坏现象具有不同的声音频谱特征,声音信号主频总体呈“高频向低频迁移”的演化趋势,频谱形状经历“多峰–单峰”的交替变化过程。岩爆过程的声音信号在波形、幅值的时间分形维数、频谱3个方面具有显著特征与内在演化规律,声音信号的变化特征可作为岩爆预测的前兆信息。     

矿料级配分形维数与沥青混合料路用性能间的关系

运用分形理论计算AC-20C型沥青混合料级配的分形维数,并通过试验研究了级配分形维数与矿料性能和沥青混合料部分路用性能的关系。研究表明:AC-20C型沥青混合料级配分形维数随级配由粗到细呈逐渐增加的趋势;随着分形维数的增加,AC-20C型沥青混合料的矿料性能先增加后减小,沥青混合料的水稳定性变强,高温稳定性变差。     

龄期和掺合料对混凝土孔隙影响的分形学评价

为研究龄期和掺合料对混凝土孔隙的影响，采用压汞法测试不同龄期和不同掺合料混凝土的孔结构参数，并计算混凝土孔隙的体积分形维数，探究孔隙体积分形维数的变化及其与强度和耐久性的关系。结果表明：混凝土的孔结构具有明显的分形特征，随着龄期的增长，孔隙率逐渐降低，而孔隙体积分形维数逐渐增大，混凝土孔隙结构越来越不规则；不同掺合料混凝土孔隙体积分形维数与强度和氯离子渗透系数都有一定相关性，强度随分维的增大而增大，氯离子渗透系数随分维增大而降低；掺合料会影响混凝土孔隙结构，掺加矿粉会使混凝土的孔隙率降低，孔隙体积分形维数增大，而掺加粉煤灰会使混凝土早期孔隙率增大，孔隙体积分形维数降低。     

高应变率下饱水冻结红砂岩变形破坏分析

以白垩系红砂岩为研究对象,利用SHPB动态冲击试验,研究低温状态下红砂岩的变形破坏和能量传递规律,分析不同程度负温对岩石强度性能、损伤变量及能量耗散规律的影响;通过引入分形维数D,建立冻结红砂岩块度分形计算模型,探究块度分形维数与破碎断裂能之间的关系。研究结果表明,饱水红砂岩在低温状态下的动态强度随温度降低(25℃～-40℃)呈先增大后减小的趋势,这与单轴实验中岩石强度随温度降低逐渐增大的趋势有着较大的差异,而随着温度的降低,红砂岩张拉破裂面积先增大而减小,这说明饱水冻结红砂岩破坏模式由张拉破坏向剪切破坏逐步过渡;冻结岩石试件的宏观破坏与破碎断裂能W_(FD)有着密切的关系,破碎断裂能W_(FD)越大,破碎体数量越多,岩石破坏越严重,而破碎断裂能W_(FD)与分形维数D正相关,破碎过程中耗散的断裂能越多,相应的分形维数就越大,但分形维数D随破坏断裂能W_(FD)增加的速率逐渐放缓。     

冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学特性研究及分形评价

为了研究冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学性能,采用落锤试验机装置,测定废玻璃粉掺量分别为0、5%、10%、30%的混凝土梁在冲击荷载中的力学强度和变形性能。根据盒维数算法思想及数字图像存储原理,设计了基于Matlab计算功能的冲击荷载下混凝土试件损伤裂缝分形维数的简易算法。结果表明:相同废玻璃粉掺量下,随落锤下落高度增加,加载时间均在0.40 ms左右,加载速率、荷载峰值、混凝土梁竖向位移、对混凝土梁所做的功及裂缝分形维数值均逐渐增加,具有显著的应变率相关性;相同高度随着废玻璃粉掺量增加,荷载峰值略有增加,而加载时长略有减少。     

节理岩体结构的分形几何研究

在岩体结构宏观分区的基础上,应用分形几何的观点从三维角度对分区内的岩体结构进行了研究。应用随机不连续面三维网络模拟技术建立岩体结构统计均质区内不连续面的概化模型,借助计算机模拟再现岩体结构;从岩体结构网络图中抽取“样本”,通过计算二维、三维样本的分形维数,表明三维分形维数等于二维分形维数加1,从三维角度表明统计均质区内岩体结构具有统计自相似性。     

分形理论在有限容积预混合燃烧研究中的应用

将分形理论应用于有限容积预混合燃烧阶段 ,通过计算火焰速度和分数维数等参数 ,并与准维燃烧模型相结合 ,得到了有限容积的燃烧放热率 ,探索了将分形理论应用于有限容积燃烧的研究。     

基于数字岩心的页岩储层岩石细观损伤机制研究

岩石损伤对储层的力学性能及渗流特性等具有显著影响。为研究页岩储层岩石的细观损伤机制,基于CT扫描试验重构三维数字岩心,基于单轴压缩试验及巴西劈裂试验获取岩石力学参数,结合岩石塑性损伤本构模型开展了单轴压缩数值模拟。结果表明：(1)页岩受压时,损伤从孔隙密集区开始发展,后损伤值升高,损伤范围扩展,直到各损伤区贯通,形成剪切斜裂缝。(2)压缩损伤和拉伸损伤存在不同的应力阈值,页岩受压时,压应力先达到压缩损伤的应力阈值,压缩损伤最先产生;拉伸损伤在压缩损伤较大处产生,且表现出滞后性,其损伤体积小于压缩损伤。(3)研究区页岩的孔隙等效直径分布范围为0～200μm,其中,等效直径为10～40μm的孔隙对孔隙度的贡献最大。随着孔隙度的增加,峰后强度的下降速度变缓,岩石延性逐渐增大。(4)孔隙空间分布对页岩的损伤扩展形式及破坏形式存在极大影响,引入分形维数表征孔隙空间分布的复杂程度,发现孔隙的分形维数仅在孔隙度较大时才影响岩石的峰值强度,相同孔隙度下,分形维数越大,峰值强度越低;分形维数对岩石弹性模量的影响极小;孔隙度和分形维数对岩石的损伤体积均存在较大影响,孔隙度和分形维数越大,损伤体积越大。     

石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律研究

为探究石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律,应用高分辨X射线三维CT检测系统对经过不同温度热冲击试验处理的标准石灰岩试件进行观测,结合图像处理软件统计并计算石灰岩二维分形参数,对石灰岩热冲击破裂后的二维分形参数演化规律进行研究。结果表明：高温石灰岩在20℃水中热冲击冷却时,随着温度由200℃升至600℃,二维分形维数D单调递增,且D在200℃～400℃上升幅度小于400℃～600℃阶段。对于裂隙强随机分布的石灰岩,引入裂隙发育指数K,并得到在20℃水中热冲击下K关于石灰岩温度T的拟合关系式;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,随着水温由20℃升至100℃,任意方向的二维分形维数逐渐减小,且具有方向差异性;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,裂隙面三维分形容量维数与二维分形维数演变规律一致,且两者具有高度拟合的线性关系。研究结果可以丰富和发展高温岩石力学理论。     

分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性

为探究分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性,对骨料粒径分布满足分形理论的胶结充填体开展超声波探测、单轴压缩和微观扫描试验,研究胶结充填体的超声波、强度和变形特性及微观结构特征;建立考虑骨料粒径分布和多种颗粒介质及接触界面的胶结充填体颗粒流模型,探讨胶结充填体承载全程能量、裂纹、力链和颗粒破坏的演化规律,从微细观层面揭示骨料粒径分布对胶结充填体力学特性的影响机制。结果表明:胶结充填体的超声波速度和抗压强度与骨料粒径分布分形维数呈二次多项式关系,而峰值应变与分形维数呈负相关。胶结充填体的最优骨料粒径分布分形维数介于2.4～2.6,其表现出更均匀的微观结构。胶结充填体的峰值应变能随骨料粒径分布分形维数先增大后减小,但分形维数低的骨料粒径分布更有利于强化结构内的摩擦效应。胶结充填体内的裂纹由骨料尖角应力集中处萌生,并沿胶结–骨料界面发育,其在胶结基质内则沿最弱或最薄胶结基质向临近骨料尖角或断裂界面扩展。低骨料粒径分布分形维数的胶结充填体容易发生局部力链断裂,表现出明显的早期局部裂纹积聚和颗粒碎胀,分形维数的增大可以弱化该局部破坏特征,但细骨料含量的增多导致界面过渡区的扩大化,诱发更多的胶结–骨料界面力链断裂。     

密级配沥青混合料集料分形分维与路用性能的关系

从集料结构本身出发,利用分形几何的基本理论,建立沥青混合料集料的粒径分布分形模型、集料体积分形模型和集料孔隙分形模型。集料的体积分形维数是一个饱含丰富信息的重要参数,其与沥青混合料的空隙率存在强相关性,建立AC-16密级配沥青混合料集料体积分形维数与沥青混合料空隙率的回归模型。通过大量路用性能试验,得到AC-16密级配沥青混合料集料的体积分形维数与路用性能指标之间的相关变化规律。集料的体积分形维数增大,沥青混合料的高温性能、抗滑性能呈下降趋势,水稳定性、低温抗裂性呈上升趋势。根据密级配沥青混合料集料体积分形维数与各项路用性能的关系,可对具有不同集料体积分形维数的沥青混合料的路用性能进行预估。     

压力成型对砂浆孔结构、强度及分形维数的影响

采用压汞法测试了不同初始加压时间水泥砂浆的孔结构参数，并计算孔分形维数，研究了初始加压时间与抗压强度、孔结构、孔分形维数之间的关系。结果表明：初始加压时间对砂浆孔隙率和抗压强度的影响显著，加压时间过早或过晚均不利于砂浆抗压强度的发展，初始加压时间宜为养护2.5 h左右；压力成型下砂浆的孔结构具有明显的分形特征，孔分形维数范围为3.0～3.2，孔分形维数与孔隙率存在良好的相关性，能够在一定程度上反映水泥基材料宏观性能的优劣。     

氧化石墨烯水泥净浆的力学性能与微观结构的分形特征

采用改进Hummers法和超声波分散法制备氧化石墨烯片层分散液,利用傅里叶红外光谱(FTIR)和X-射线衍射(XRD)表征GO;测试了不同掺量氧化石墨烯水泥净浆的抗折和抗折强度,通过SEM扫描了水泥净浆水化产物微观图像,结合分形理论计算SEM图像的分形维数并分析其变化规律,探讨了抗压强度与分形维数的关系。研究表明:氧化石墨烯可以有效提高水泥净浆的力学性能和改善其微观结构;分形理论能定量分析不同掺量氧化石墨烯水泥净浆的微观结构变化特征;分形维数随氧化石墨烯掺量的增加呈现逐渐降低的趋势;分形维数和水泥净浆抗压强度存在着良好的二次函数关系,其水泥净浆的抗压强度随分形维数的增加而降低,其最佳掺量为水泥质量的0.03%。     

再生混凝土梁裂纹演化的分形试验研究

对4根不同再生骨料取代率的再生混凝土梁进行四点弯曲试验,运用分形理论对混凝土梁表面裂纹进行分形计算,探讨在全梁区域、纯弯段、弯剪段及单条裂缝分形维数的异同。分析不同再生骨料取代率下分形维数与混凝土梁跨中挠度、最大裂缝宽度等的关系,分析表明:在全梁区域,同级荷载下分形维数随着取代率的变大先下降后上升,当混凝土达到极限荷载后,纯弯段、弯剪段分形维数均随着取代率的变大而变大,并且纯弯段分形维数小于弯剪段,对试验梁AB面典型裂纹分形维数统计发现,伴随取代率的变大,其表面单条裂纹的分形维数也逐渐增大。把分形维数与混凝土跨中挠度、最大裂缝宽度进行二次多项式进行拟合,具有较高的拟合度,有很好的正相关关系。随着取代率的变大,混凝土底部受拉钢筋屈服荷载先增大后减小,且综合分析得出再生混凝土梁粗骨料取代率为30%时性能更优。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。