冰碛土和冰水堆积物填料颗粒形状特征分析

土体颗粒形状特征对填料的工程特性影响显著。采用光学显微镜照相技术获取冰碛土和冰水堆积物填料颗粒大样本的随机二维平面投影,运用数字图像处理技术测得其几何参数,得到用于描述颗粒轮廓形状和棱角性的形状指数;基于数理统计和分形理论,分析各粒径组冰碛土和冰水堆积物颗粒轮廓形状和棱角性形状指数的分布特征,讨论粒径组间颗粒形状指数离散性及颗粒形状的分形特性。研究表明:冰碛土和冰水堆积物均呈块状且棱角性相当,冰碛土颗粒块体性更强;轴向系数表征颗粒轮廓形状优于长宽比,棱角性系数对颗粒棱角性描述优于粗糙度;冰碛土颗粒分形维数主要集中在0. 966 1～1. 281 6,冰水堆积物分形维数主要集中在0. 974 3～1. 454,两种填料颗粒在2～10 mm粒径范围内分形特征最为显著。     

基于三维扫描与数值技术的粗集料形状特征与级配研究

粗集料体系作为混凝土主要组成部分,其颗粒构成对混凝土各项性能的改善起到了关键作用。为优化粗集料体系颗粒构成,以实现粗集料形状特征和级配精细化、数字化分析目标,采用激光三维扫描技术获取了粗集料的点云坐标,结合三维图像技术,进行粗集料的几何形状重构与三维形状参数准确测量,并提出球度、长短轴长比、粒径离散度和级配分形维数等指标。同时,基于粗集料的点云数值处理技术与分形理论,计算得到级配粒径和表面分形维数等指标,表征评价不同粒径粗集料形状特征及级配。研究结果表明：激光三维扫描和数值技术可快速重构出粗集料的真实形状,并能准确得到粗集料三维形状参数,提出的球度、长短轴长比和粒径离散度指标均能较好地对粗集料形状特征进行表征评价。其中,长短轴长比在表征粗集料球形度方面更具显著性与敏感性;采用三维图像数值技术与分形理论计算得到的粗集料级配分形与表面积分形维数,与粗集料粒径、表面粗糙度有密切联系,实现了粗集料几何特征的数值描述与评价;同时采用质量加权得到的粗集料级配分形维数,建立的粗集料颗粒级配计算函数计算结果与试验结果一致,研究结果可为粗集料级配的快速优化分析表征提供技术支持。     

干湿循环作用下膨胀岩的崩解特性及分形特征

对湖南株洲地区不同初始粒径的膨胀岩样进行室内浸水崩解试验,在干湿循环作用下对其崩解物的粒径分布规律、耐崩解性特征与分形特征进行研究。基于岩石破碎分形理论,推导了考虑不同初始粒径与不同循环次数的膨胀岩崩解分形维数计算公式。试验结果表明:初始粒径的大小对膨胀岩的崩解特性及分形特征存在较大的影响。在粒径较大的粒组中,初始粒径越大,该粒组的百分含量越大,且几乎不随循环次数的增加而发生变化;在粒径较小的粒组中,初始粒径越大,该粒组的百分含量越大,但随循环次数的增加先增加后减小。随着循环次数的增加,耐崩解性指数逐渐减小;初始粒径越大,耐崩解性指数越小。计算结果表明:随着循环次数的增加,分形维数逐渐增大;初始粒径越大,分形维数越大。其结论可为膨胀岩工程提供参考。     

二维细长柱体气动力特性试验研究

为了研究包括圆柱体和正多边形的二维细长柱体的气动力特性,对具有5种不同表面粗糙度的圆柱体和4种正多边形(12、16、20、24)柱体进行了风洞模型测力试验。对于圆柱体,分析了雷诺数和表面粗糙度对其气动力特性影响规律;对于正多边形柱体,分析了雷诺数、风攻角以及正多边形边数对其气动力特性影响规律。结果表明:圆柱体表面粗糙度对气动力特性具有明显影响,随着粗糙度增大,阻力系数减小,雷诺数效应减弱;在特定风攻角下,各正多边形柱体气动力系数随雷诺数均变化不大;在试验雷诺数范围内,正多边形柱体的气动力系数随风攻角变化不大;就整体趋势而言,正多边形柱体随着边数增加平均阻力系数减小,平均升力系数增加。     

反复冻融作用下粉质黏土的微观分形特征研究

粉质黏土作为一种常用的路基填料,受冻融循环作用的影响后其微观结构的变化直接导致路基强度的改变。为研究多次冻融后土体力学强度与微观结构的关系,以东北地区粉质黏土为研究对象,进行不同冻融循环次数下土体的扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及无侧限抗压强度试验。基于分形理论,分别计算土体颗粒、孔隙三维分形维数,并据此建立分形维数与力学强度的关系公式。研究结果表明:随冻融次数的增加,土体颗粒重新排列,整体性受到破坏,孔隙体积呈波动上升的趋势;试样含水量升高后,5~20μm孔径的孔隙含量逐渐减小,而0.3~5μm孔径孔隙含量增加;分形维数很好地反映了冻融循环过程中土体微观结构的变化特点,由分形维数与无侧限抗压强度构建的回归方程得知,分形维数越大,土体强度越大。     

基于离散元法的钢轨粗糙型面构造及其分形特性

铁路中常用的钢轨由于制作工艺、轮轨相互作用、腐蚀等多方面的因素,导致其表面是粗糙而非光滑的。为了更加精确地表征钢轨的粗糙程度,提出一种基于离散元法构建钢轨粗糙外表型面的方法。首先,通过钢材抗拉强度试验仿真验证选取的离散元力学参数和模型的可靠性,根据规范绘制钢轨的几何轮廓,并在此基础上用不同粒径的球体颗粒填充钢轨的几何图形,实现对钢轨粗糙型面的离散元模拟。其次,对具有粗糙型面的钢轨离散元模型进行图像处理,识别钢轨的粗糙轮廓线。然后,对钢轨轮廓线进行数据提取和坐标标定,获得钢轨粗糙轮廓线的坐标数据,以便进行后续的分析和处理;最后,构造轮轨接触区钢轨顶面的凸峰高度曲线,选定评定长度(40 mm)和取样长度(8 mm),分析其范围内外表型面的粗糙度和分形维度。研究结果表明,运用离散元法建立的具有粗糙型面的钢轨模型具有分形特性;从评定长度和取样长度2方面计算得到的钢轨粗糙度和分形维数分别相差1.46%和0.15%。运用离散元法可以模拟钢轨的粗糙型面,并且该方法是可行的。基于离散元法模拟钢轨的粗糙轮廓的方法,为进一步研究提供了新的思路,具有一定的参考价值和工程意义。     

基于分形渗流模型的导电沥青混凝土的分维计算

引入分形理论研究导电通路的分布特征,利用分形维数描述导电沥青混凝土从绝缘体到导体的转换过程。基于Matlab平台,结合常规的图像处理方法,获取图像的盒维数信息,分析分维与导电相材料体积掺量之间的关系。研究结果表明:导电通路的分布图具有明显的统计意义的自相似性,分形维数在二维平面内随石墨掺量增加而增大,变化趋势类似于电阻率与石墨掺量的依赖性。说明分形维数可明确地、定量地表征导电沥青混凝土中形成导电渗流途径的连通程度。     

循环荷载下重载铁路道砟磨耗破碎及力学特性试验研究

为深入研究重载列车循环动载作用下散粒体道砟的颗粒磨耗破碎和力学行为劣化等特征,开展3种不同动应力幅值下的室内大型动三轴试验。通过对染色道砟颗粒进行激光扫描和三维重构,量化分析不同循环加载应力状态下不同粒径道砟颗粒的磨耗破碎特征,深入分析循环加载下试样的宏观力学特性和力学行为劣化等。研究结果表明,循环加载后道砟颗粒普遍从原始粒径破碎至相邻粒径,偶尔出现破碎至相隔粒径的现象,另有质量占比1%左右的少量道砟颗粒破碎至最小粒径4.75～22.4 mm;在相同的循环加载动应力幅值下,随粒径的增大,道砟颗粒破碎至相邻粒径的质量占比总体呈增大趋势;循环加载过程中颗粒磨耗存在尖角磨损、棱边磨耗与表面纹理改变等3种典型类型,动应力幅值230 kPa下颗粒最大磨耗深度为0.36～5.2 mm,平均磨耗深度为0.03～0.62 mm,颗粒磨耗程度随粒径的增大而逐渐加剧,尖角磨损出现的数量更多且概率更大,其次为棱边磨耗;循环加载三轴试验前后各粒组颗粒含量变化幅度与级配曲线偏移距离随动应力幅值的增大而增大,Bg、Br与BBI 3种颗粒破碎指标均随动应力幅值的增大而增大,Br与BBI两者对动应力幅值的变化反应程度...     

大跨度钢网架双坡屋面结构分区风荷载风洞试验研究

通过某长宽比为5.1∶1的大跨度钢网架双坡屋面结构刚性模型风洞测压试验,得到了结构在不同风向角下的风荷载体型系数,研究了该结构体型系数分布规律、脉动风压系数分布规律以及结构内外表面风荷载分布规律,依据体型系数的不同对结构表面进行了分区,给出了各区域的代表值。结果表明:结构边缘一定宽度范围内,体型系数受流体分离影响较大,其余区域所受影响较小且随风向角变化不明显;结构迎风端脉动风压系数较大,其余区域较小;结构周边建筑对结构体型系数、脉动风压系数、内压系数分布等有一定影响,设计中应考虑周边建筑对结构风荷载的干扰效应。     

不同含水状态火山渣掺配土质砾砂改良填料动力特性及累积变形规律研究

具有多孔轻质特征的火山渣在水和列车动载耦合作用下的颗粒抗破碎能力及填料的变形和强度特性是影响其作为基床填料的关键问题。通过开展体积比3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料的室内动三轴试验,讨论了试样制备、动载及水和动载耦合作用下火山渣颗粒的破碎程度,分析了含水率及围压对改良填料临界动应力和累积塑性变形的影响规律。试验结果表明:处于压实状态的体积比3∶1火山渣掺配土质砾砂改良填料在动载及水和动载耦合作用下的相对破碎率低于3%,颗粒破碎不显著;临界动应力随含水率的增大而减小,随围压的增大而增大,饱和含水状态对应的临界动应力较最优含水状态小42%,但仍能满足普通铁路对基床底层填料动力特性的要求。     

基于图像处理的道砟颗粒二维廓形追踪提取算法

获取道砟颗粒廓形是研究有砟轨道道床力学性能及开展仿真分析的基础。针对传统图像处理中利用边缘检测算法获得道砟二维廓形信息的不足,提出追踪提取算法。采用数码相机和计算机技术搭建图像采集平台,通过颜色空间转化、二值化处理、边界追踪和数据优化等步骤实现了道砟二维廓形的提取。算法特点在于,提取的道砟颗粒二维廓形数据为有序的点列,廓形曲线连续且闭合良好,检测出来的边缘是单像素宽,通过使用游标卡尺测量证明实际廓形的最大粒径在考虑测量误差及精度的条件下二者数值基本相同。同时,基于前期学者对棱角指数的算法对本文提取廓形进行相应计算并与实测值比较,数值基本吻合,从而说明本算法在一定误差及精度条件下的有效性与可靠性。     

多次纺丝与退火对ITO薄膜表面均匀性的影响

通过多次纺丝与退火工艺在普通玻璃载玻片上制备ITO透明导电薄膜,研究了退火工艺对薄膜表面形貌的影响。结果表明:退火不仅提高了ITO颗粒的洁净程度,同时减小了其在薄膜表面的粒径分布。多次纺丝与退火可以提高ITO颗粒的覆盖密度,得到致密性比较好、表面缺陷比较少、表面粗糙度比较小、均匀平整的透明导电薄膜。     

考虑波长因素的高铁无砟轨道不平顺分形分析

保证无砟轨道几何形位服役状态是高速铁路线路养护维修的核心内容,轨道不平顺波长因素直接影响列车运营舒适性.采用分形尺码法对无砟轨道不平顺的分形特征进行分析,讨论分形维数表征轨道不平顺短波、中波和长波的能力,确定分形维数对应的波长范围.对某高铁线路实测200 m区段长度的高低和轨向不平顺样本进行分析,研究不同波段分形维数对应波长尺码的稳定性.研究结果表明:无砟轨道不平顺的分形维数可分为3个波长区间,即D1(0.135～2.16 m),D2(4.32～17.28 m)和D3(34.56～138.24 m);分形维数对应波长尺码具有较好地稳定性;采用分形维数指标可以有效地对区段轨道不平顺的波长进行定量化评定.     

圆形及矩形基础非均质地基极限承载力数值分析

我国经济发达地区广泛分布有软弱黏性土地基,近年大量超高、超大建筑和高速铁路等设施的快速建设对这类复杂地基极限承载力及破坏机理的认识提出更高的要求。采用有限差分方法建立三维数值分析模型,分析强度随深度线性增大的黏性土非均质地基在矩形基础和圆形基础情况下的地基极限承载力和破坏模式。结果表明:黏性土强度不均匀系数越大,地基承载力系数越大;基底粗糙度通过影响土体发生破坏的位置影响地基承载力系数;矩形基础和圆形基础的基础形状系数随着土体强度不均匀系数的增大而减小;数值计算得到的长宽比为10的矩形基础情况下的地基承载力系数与条形基础情况下的地基承载力系数相等。     

基于全尺寸试验台的水介质条件下高速轮轨黏着特性试验研究

基于全尺寸高速轮轨关系试验台,模拟轮轨接触界面在水介质条件下的轮轨黏着特性,研究喷水量、轮轨接触表面粗糙度、喷水温度、轴重和运行速度对水介质条件下高速轮轨黏着系数的影响规律。结果表明:水介质条件下,喷水量、轮轨接触表面粗糙度、运行速度对轮轨黏着系数影响较大,喷水温度和轴重对其影响较小;随喷水量的增加轮轨黏着系数逐渐减小,但当喷水量达到200mL·min-1后黏着系数不再减小;随着表面粗糙度的增加,运行速度对轮轨黏着系数的影响逐渐减弱,表面粗糙度增至1.0～1.1μm时运行速度对轮轨黏着系数的影响很小;在40～200km·h-1速度范围内,轮轨黏着系数随速度的增加减小得较快,而在200～400km·h-1速度范围内减小得较为缓慢;轮轨黏着系数随喷水温度的升高而增大,喷水温度为0℃(下雪)时的轮轨黏着系数较常温时下降11%～15%;轮轨黏着系数随轴重的增加而减小,在动车组常用轴重10～16t范围内轴重对轮轨黏着系数的影响只有10%左右。     

平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性仿真分析

兰新高铁接触网平腕臂绝缘子在大风沙尘环境中面临"沙闪"问题,研究不同因素下平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性,可为此环境下绝缘子选型及设计提供理论依据。以FQBJ-25型棒式瓷芯复合绝缘子为研究对象,建立风洞积污仿真模型,采用多场耦合的数值计算方法分析风速、颗粒物粒径及质量浓度3种因素对绝缘子表面积污量的影响。仿真结果表明:随着风速的增大,绝缘子和各个伞裙表面的积污量均增加;当颗粒粒径大于13μm时,各个伞裙表面沉积的颗粒个数随粒径的增大而减少,但绝缘子表面的积污量随粒径的增大而增大;颗粒物质量浓度对绝缘子表面积污量的影响呈线性关系。各个伞裙表面积污量的变化与伞裙结构、风速、粒径及质量浓度有关,当曵力大于重力(大风速小粒径)时,伞裙结构的变化与各个伞裙表面积污量的变化具有一致性,反之,伞裙结构对积污量的变化影响很小。当曵力与重力作用相当时,颗粒物质量浓度越高,伞裙结构对各个伞裙表面积污量的影响越明显。     

沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性研究

为研究沙尘环境下绝缘子表面颗粒积聚特性,基于流体力学和电场分布理论建立多物理场共同作用下的风洞仿真模型,应用有限元法分析计算绝缘子表面颗粒在不同沙尘环境下的绝缘子表面压强和沙尘积聚量。研究结果表明:风速、电势和沙尘粒径均与绝缘子表面颗粒积聚特性有关,风速、电势和沙尘粒径3个变量中任意一个增加,沙尘颗粒碰撞迎风面和背风面产生的压强均会增加且迎风面压强比背风面高;沙尘积聚量随风速增加而快速增加且积聚速度逐渐减缓并趋于平稳,随电势增加而增加且积聚速度比较缓慢,随沙尘粒径增加而缓慢增加并逐渐趋于饱和且积聚速度逐渐减缓。仿真结果与试验结果基本相符。     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

污秽颗粒在腕臂绝缘子表面分布规律仿真分析

为解决兰新高铁接触网腕臂绝缘子污闪问题,研究腕臂绝缘子表面积污规律对预防污闪事故发生、保证牵引供电系统安全运行有重要意义。以FQB-25/12型腕臂绝缘子为研究对象,利用欧拉两相流建立积污仿真模型,以污秽颗粒的体积分数为表征参数,分析颗粒浓度、风速、颗粒粒径及来流角度4种因素对绝缘子表面污秽分布的影响。研究结果表明:绝缘子表面污秽体积分数随空气中污秽浓度呈线性增长;随风速的增大,迎风面污秽体积分数迅速增大,背风面污秽体积分数增长较缓慢;随颗粒粒径增大,迎风面污秽体积分数明显增长,背风面污秽体积不断减小;来流角度在-45°到45°变化时,对于大伞裙,上表面污秽体积分数不断减小,下表面污秽体积分数不断增大,对于小伞裙,上下表面积污程度随来流角度与大伞裙相反。     

基于工业CT的铁路货车铸件缺陷自动检测

针对采用传统方法检测铸件缺陷存在检测效果不明显的问题,为提高检测效率,研究基于工业CT的铁路货车铸件内部缺陷自动检测算法.首先用工业CT扫描重建得到铸件的断面图像,然后对图像计算分形维数,利用铸件缺陷区域分形维数较高的特点自动定位出缺陷的大致区域,再用Facet模型对定位区域进行边缘检测,以便确定缺陷的准确形状.用工业CT对摇枕和侧架进行缺陷检测的结果表明,该方法不仅能获得铸件内部缺陷的位置和准确形状,而且处理自动化程度较高.