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2015年  第37卷  第7期

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復雜采空區激光掃描拼合散亂點云球面投影三角剖分算法
羅周全, 羅貞焱, 張文芬, 周吉明, 黃俊杰
2015, 37(7): 823-830. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.001
摘要:
利用三維激光掃描技術對采空區進行探測以建立三維可視化模型,從而準確獲取其三維空間位置和形態,是礦山采空區事故隱患綜合治理工作中的重要環節.但由于采空區形態復雜,往往需要從多個方位對其進行多次探測才能準確獲取采空區完整的三維形態.如何對多次探測點云數據拼合后的散亂點云構建三角網格模型,是實現復雜采空區三維探測建模的關鍵.本文提出了采空區激光掃描拼合散亂點云數據球面投影三角剖分生長算法,首先選定球心將原位點云投影到球面上得到投影點云,然后對投影點云進行三角剖分,最后將投影點云三角網空間拓撲關系還原到原位點云,從而構建復雜采空區三角網模型.為了有效實現算法,研究了球面投影參數設定、XYZ三向單元柵格點云搜索策略、三角形生成規則、優勢頂點邊界切分策略、邊界閉合策略、不規則三角形優化策略等多種方法.實際應用表明,所研究的算法能夠生成優質的采空區三角網模型,為實現復雜采空區三維精確建模及可視化管理提供了重要技術支持.
基于顆粒流程序的非定常西原體模型
楊振偉, 金愛兵, 高永濤, 王凱, 孫浩
2015, 37(7): 831-838. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.002
摘要:
為實現巖石試樣蠕變全過程的準確模擬,并從細觀角度探究蠕變過程中微裂隙的發生和發展規律,在二維顆粒流程序(PFC2D)中開發出具有黏彈塑性特征的西原體流變接觸本構模型,進一步提出包含兩種非定常元件的非定常西原體模型,推導了模型本構關系和蠕變方程.在PFC2D中調用自定義西原體流變模型,通過參數調試,獲得與真實試樣具有相同強度特性的數值試樣.以室內單軸壓縮蠕變試驗數據為基礎,在Matlab中對模型非定常參數進行擬合反演分析.在此基礎上,進行單軸壓縮蠕變試驗的模擬,計算過程中分別采用定常和非定常兩種模型,并對微裂隙進行監測.對比分析結果表明:定常模型僅適用于衰減和穩定蠕變階段;非定常模型也可用于描述加速蠕變階段,從而準確模擬蠕變全過程;加速蠕變階段主要是由微裂隙的加速發展而產生,加速蠕變將導致試樣剪切破壞.
考慮圍巖松動圈支護體影響的深埋圓形隧道襯砌優化設計
楊凱, 吳順川, 吳慶良, 高永濤, 王運慶
2015, 37(7): 839-843. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.003
摘要:
首先考慮圍巖松動圈支護體的影響,在完全接觸條件下,根據彈塑性力學理論,推導出深埋圓形隧道每層襯砌切向應力和徑向應力分量的解析解;然后根據混凝土和圍巖材料受力狀態的不同,選用不同的破壞準則,引入功能梯度材料思想,構建了不同彈性模量雙層混凝土圓形襯砌優化設計的目標函數,即當目標函數為最小值時,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ層結構同時接近或達到預設破壞狀態,在設計上才最為合理;最后對襯砌材料的彈性模量和襯砌厚度分別進行了優化設計.算例分析表明:(1)隨著圍巖應力的增大,E2/E1E2/E3都減小.在相同大小的圍巖應力作用下,總有E2/E1<E2/E3,故而建議設計時Ⅰ層襯砌的彈性模量應大于圍巖松動圈支護體的彈性模量.(2)隨著圍巖應力的增大,Ⅰ層襯砌的厚度增大.在相同大小的圍巖應力作用下,當E2/E1>E2/E3時所求得的Ⅰ層襯砌最優厚度總是小于E2/E1<E2/E3時所求得的Ⅰ層襯砌厚度,故而可通過改變Ⅰ層襯砌和圍巖松動圈支護體的彈性模量相對大小來調整Ⅰ、Ⅱ層襯砌的厚度.
基于PEM-JFEM方法的節理巖質邊坡穩定性評價
肖術, 吳順川, 高永濤, 韓光, 周喻, 程愛平
2015, 37(7): 844-850. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.004
摘要:
以贊比亞一露天銅礦南幫邊坡(礦體下盤)為研究對象,將Rosenbluth點估計方法與節理有限元方法相結合應用于該節理發育的巖質邊坡穩定性評價中.建立以邊坡巖體材料強度參數(內摩擦角和黏聚力)為輸入變量,安全系數為輸出變量的概率模型,點估計狀態函數的求解過程引入節理有限元方法.通過現場節理及結構面調查,建立邊坡節理有限元模型求解邊坡安全系數,得到基于安全系數的邊坡變形破壞概率統計指標,對邊坡穩定性進行了概率分析,分析結果與現場失穩情況一致.該方法既考慮了巖體材料參數在賦值過程中實際存在的不確定性,同時也考慮了節理巖質邊坡的節理屬性,充分體現了巖層接觸作用的非線性關系,使得對節理巖質邊坡的穩定性評價更加合理.
黃原酸甲酸酯的電子結構與浮選性能關系的密度泛函研究
曹飛, 孫傳堯, 王化軍, 陳飛武
2015, 37(7): 851-856. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.005
摘要:
運用密度泛函理論計算一系列黃原酸甲酸酯捕收劑的幾何構型和電子結構,結合Klopman的普遍化微擾理論,研究前線軌道性質(形狀和能量)、自然鍵軌道電荷、電負性、絕對硬度等參數與捕收劑浮選性能之間的相關性.黃原酸甲酸酯的鍵合原子為C=S雙鍵中的S原子,最高占據軌道能量、自然鍵軌道電荷、電負性等參數只能推斷捕收劑的浮選活性.黃原酸甲酸酯所表現出的選擇性,主要是因為黃銅礦表面Cu原子的d軌道電子轉移到捕收劑的最低空軌道(LUMO)和能量第二低空軌道(LUMO+1)形成反饋π鍵,從而增強了捕收劑對黃銅礦的浮選能力.空軌道能量(ELUMOELUMO+1)大小可較好地解釋捕收劑的選擇性強弱.
基于鎳鐵冶煉工藝流程中物質流和能量流的模型與軟件
劉鵬, 李寶寬, 吳文遠
2015, 37(7): 857-866. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.006
摘要:
通過對鎳鐵冶煉生產工藝中物質流和能量流平衡過程研究,獲得了鎳鐵冶煉工藝中各個環節熱量的利用率和損耗情況,以及紅土礦、還原劑和熔劑在各部分中反應率,并分析了紅土礦和鎳鐵合金中Ni含量對爐渣中鎳鐵成分的影響.構建針對鎳鐵冶煉工藝系統的總體物質流和能量流計算模型,在保證系統總體計算模型的前提下,又具有協同各子工藝系統的物質流和能量流計算模型的功能.依據各子工藝系統中物質流和能量流的關聯性,計算煙氣和爐氣的利用率及熱量損失,并利用VB軟件對冶煉工藝流程計算軟件進行開發.
FexO-TiO2體系的固相反應機理
任中山, 胡曉軍, 鄭建超, 周國治, 薛向欣
2015, 37(7): 867-872. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.007
摘要:
采用擴散偶法研究了1323~1473 K下FexO-TiO2體系的固相反應,反應過程中氧分壓由一定比例的CO-CO2混合氣體控制.擴散偶截面的微觀形貌用電子探針進行觀察,并對Fe2+、Ti4+和O2-離子的擴散濃度輪廓進行定量分析.結合FeO-TiO2體系相圖確定了固相反應中有鈦鐵晶石、鈦鐵礦和假鐵板鈦礦相生成,且它們的生長受擴散控制.依據擴散組元的摩爾分數變化繪制了鐵離子的擴散路徑圖,并在此基礎上描述了該體系的固相反應機理.
Ti-Mg復合脫氧鋼中夾雜物細化機制
鄭萬, 劉磊, 李光強, 吳振華, 朱誠意
2015, 37(7): 873-882. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.008
摘要:
為了探討鋼中細小夾雜物的形成機制,采用掃描電鏡和能譜儀表征了鋼中夾雜物的形貌、尺寸、成分及數量,理論計算了脫氧產物的生成優勢區圖,討論了夾雜物長大的影響因素.鋼中夾雜物的組成以MgO-Al2O3-TiOx為核心,表面包裹析出MnS,鋼液中未發現單獨的Al2O3和TiOx夾雜;夾雜物的形貌為近球形,平均尺寸為1μm左右,數量在1000 mm-2以上.鎂含量較高的鋼中含有少量以MgO-Al2O3和MgO為核心的夾雜物,不利于夾雜物的球形化,鎂含量宜控制在50×10-6以下.鎂的脫氧能力強,形核臨界尺寸小、形核數量多以及鋼液中鎂、鋁和鈦復合脫氧的高熔點產物的特性有效地控制了鋼中夾雜物的擴散與碰撞長大趨勢.
Ti-Mg復合脫氧對鋼熱影響區組織和沖擊性能的影響
宋明明, 宋波, 胡春林, 辛文彬, 宋高陽
2015, 37(7): 883-888. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.009
摘要:
利用Gleeble-1500熱模擬試驗機進行焊接熱模擬實驗,研究16Mn鋼經微Ti和Ti-Mg處理后焊接熱影響區組織及沖擊性能的變化,并利用掃描電鏡和能譜分析法觀察和分析實驗鋼的夾雜與沖擊斷口形貌.Ti和Ti-Mg復合處理試樣的熱影響區顯微組織分別主要是晶界塊狀鐵素體+晶界側板條鐵素體和晶內針狀鐵素體+晶界塊狀鐵素體.經Ti處理后鋼中夾雜物主要為5μm左右的TiOx+MnS復合夾雜,經Ti-Mg復合脫氧后鋼中夾雜物主要為2μm左右Ti-Mg-O+MnS組成的復合夾雜,且后者明顯細化了鋼中夾雜物尺寸.Ti-Mg復合脫氧試樣中存在大量細小夾雜顆粒,一方面可釘扎裂紋,另一方面誘導形成了使大量針狀鐵素體,大焊接熱輸入條件下Ti-Mg復合脫氧試樣熱影響區沖擊韌性明顯強于單獨Ti處理的試樣.
小方坯結晶器水溫水速對傳熱過程影響
彭尊, 包燕平, 梅寧, 楊利康, 張峰
2015, 37(7): 889-895. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.010
摘要:
通過建立結晶器內鋼液和水的二維對流-傳熱耦合模型過程,研究了小方坯結晶器冷卻水入口溫度和流速對銅管溫度和結晶器內平均熱流的影響.該模型使用Fluent進行求解,模擬了鋼液和冷卻水的流動和傳熱,凝固坯殼的生長,以及熱量以輻射和導熱兩種通過保護渣和氣隙.通過將坯殼厚度和銅管溫度與其他研究的結果進行對比來驗證模型準確性.研究結果表明,結晶器冷卻水的溫度顯著影響銅管的冷面溫度,水溫超過313 K會導致銅管冷面最高溫度超過水的沸點.水流速升高0.49 m·s-1能夠消除水溫升高4 K帶來的不利影響.
低碳鋼中納米尺寸碳化物的相間析出行為
黃耀, 趙愛民, 程永峰, 汪小培, 楊靖波, 劉華清
2015, 37(7): 896-904. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.011
摘要:
采用掃描電鏡和透射電子顯微鏡對低碳Ti-Mo系的熱軋板進行了組織分析,同時對其中的納米粒子析出行為進行了研究.強化機理分析表明析出強化對于屈服強度的貢獻值可達291 MPa.隨著卷取溫度的降低,納米粒子相間析出的排間距會減小,相間析出的排間距與其在鐵素體中形核點位置有一定的離散值,但基本上呈一定的固定值.α/γ界面的觀察和采用不同理論的計算結果表明相間析出的產生主要與α/γ界面的臺階形成有關,相間析出的排間距大小由臺階高度、晶界擴散系數、等溫溫度、臺階面遷移速率等決定.
Nb對中碳低合金耐磨鋼組織和性能的影響
耿志達, 武會賓, 趙愛民, 汪小培, 張巖, 程俊業
2015, 37(7): 905-912. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.012
摘要:
通過光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、力學性能測試等手段分析了微量合金元素鈮對低合金耐磨鋼組織和性能的影響.加入質量分數為0.034%的Nb后,耐磨鋼的硬度提高HB 9,-20℃夏比沖擊功從29.4 J提高到37.6 J,耐磨性能提高3.5%.硬度和韌性提高的主要原因是組織的細化和析出強化,含Nb鋼在奧氏體化過程中析出納米級的細小NbC第二相,并且釘扎奧氏體晶界,抑制晶粒的長大,釘扎類型符合Zener模型,但不同于之前研究者所得的比例系數.
硼鋼熱沖壓微觀組織仿真及力學性能預測
黃鳴東, 王寶雨, 李學濤, 周靖
2015, 37(7): 913-918. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.013
摘要:
基于Johnson-Mehl-Avrami相變動力學模型和Koistinen-Marburger方程,建立了硼鋼22Mn B5車門防撞梁熱沖壓過程的熱機械-相變耦合有限元模型,得到了車門防撞梁熱沖壓過程中板料溫度、微觀組織及維氏硬度的分布特征,研究了保壓壓力和保壓時間對防撞梁熱沖壓零件的性能影響.仿真結果表明:車門防撞梁頂部冷卻速度為137.3℃·s-1,側壁冷卻速度為69.8℃·s-1,冷卻速度決定了防撞梁各個部位的微觀組織和維氏硬度;隨著保壓壓力的增大,獲得95%以上馬氏體的防撞梁的保壓時間縮短,可加快生產節拍.進行了防撞梁熱沖壓試驗,對微觀組織及維氏顯微硬度進行了檢測.結果表明:車門防撞梁保壓10 s后,頂部及側壁均已轉化為板條狀馬氏體組織,且頂部硬度為508 HV,側壁硬度為474 HV.
高硅鋼近柱狀晶初始組織的形變、再結晶行為及磁性能
劉璐, 張寧, 楊平, 秦鏡, 毛衛民, 葉豐
2015, 37(7): 919-927. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.014
摘要:
采用電子背散射衍射技術對高硅鋼近柱狀晶初始組織直接熱軋、溫軋、冷軋和退火組織及織構演變進行分析,并測定相應退火板的磁性能.該實驗條件下組織與織構演變規律體現了表層剪切細小組織和中心層粗大組織的競爭關系,其中中心層組織與原始立方取向相關或表現為α線取向.柱狀晶的影響在最終退火組織中仍存在,少量立方取向區域可遺傳到最終退火板中,雖然沒有大量出現,仍有效削弱了{111}織構.形變退火過程中與原始立方取向線有關的晶粒尺寸普遍較大,有利于磁性.樣品最終的磁感應強度低于文獻報導的強{120}〈001〉或{100}〈021〉織構樣品,但高于普通無取向高硅鋼,且軋向和橫向磁感應強度值差異小,所以柱狀晶組織有利于無取向高硅鋼的制備.
Inconel600合金高溫微動磨損特性
辛龍, 馬妙, 陸永浩
2015, 37(7): 928-935. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.015
摘要:
采用SRV-Ⅳ高精度微動磨損試驗機研究核電材料Inconel600合金的高溫微動磨損行為和機制.溫度升高有利于黏著區的形成,抑制微滑區的產生,促使摩擦系數和磨損量逐漸減小.摩擦氧化主要發生在環狀滑動區,中心黏著區相對很少.高溫下氧元素分布較室溫下的更加聚集.中心黏著區表面氧含量較低,表層大量存在Ni、Cr和Fe的單質.磨痕表面氧化物由NiO、Cr2O3和Fe3O4組成.室溫和高溫條件下磨痕表面中心黏著區和環狀滑動區交界處產生了微裂紋,高溫下裂紋萌生在微滑區,與室溫下相比,高溫下裂紋萌生的數量更少,長度更短.
石蠟/二氧化硅復合相變材料的制備及其性能
鐘麗敏, 楊穆, 欒奕, 張曉偉, 高鴻毅, 馮妍卉, 馮黛麗
2015, 37(7): 936-941. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.016
摘要:
以石蠟為相變芯材,以正硅酸乙酯為硅源,在酸性條件下通過溶膠-凝膠法制備出石蠟/二氧化硅復合相變材料.應用傅里葉紅外光譜、X射線衍射、掃描電鏡、差示掃描量熱法、熱重法等手段對所制備復合相變材料的形貌、成分、熱性能等進行了表征.實驗結果表明,所制備的石蠟/二氧化硅復合相變材料的形貌是直徑約為2μm的核/殼結構微球.當核/殼質量比為2∶1時,石蠟包覆率為66.3%,熔點為54.2℃,熔化焓為133.8 J·g-1,凝固點為49.5℃,凝固焓為127.5 J·g-1.與傳統的有機高分子殼層材料相比,無機二氧化硅殼層材料具有更好的熱導率,提升了復合相變材料的導熱性能,且其不易燃燒,無腐蝕性,更加安全環保,有效拓展了相變材料在建筑保溫和智能保溫紡織物等領域的實際應用.
金屬材料內部非金屬夾雜超聲檢測的數值模擬
陳丹, 肖會芳, 黎敏, 王善超, 徐金梧
2015, 37(7): 942-949. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.017
摘要:
在金屬材料內部夾雜物的超聲檢測中,如何通過檢測獲得的回波信號辨識夾雜物的屬性和位置,一直是其重點和難點問題.通過建立包含夾雜物缺陷的二維金屬板模型,采用有限元數值模擬的方法,對材料內部超聲波場進行計算,獲得了兩種最典型的夾雜物Al2O3和TiN,以及二者在材料內部不同深度時的超聲回波信號.研究了夾雜物類型和夾雜物深度對超聲回波時域波形以及對界面波、夾雜物缺陷回波和底面回波頻譜分布的影響規律.
基于多區域的油氣懸架油液溫度特性分析
黃夏旭, 楊玨, 申焱華, 張文明
2015, 37(7): 950-954. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.018
摘要:
實際生產中油氣懸架內部油液可能存在溫度梯度,而目前油氣懸架溫升研究中多將其內部的油液整體作為一個研究對象,這會導致對油氣懸架系統溫度變化的預測不準確.針對該問題,將油氣懸架內部油液劃分為多個區域,在油液多區域的油氣懸架的熱力學模型中引入油液流動傳質.通過仿真計算確定油液流動狀態獲取油液傳質的量,分析油氣懸架中各個區域油液溫度的變化趨勢,并將模型計算與試驗結果進行對比.結果表明,油氣懸架內部油液存在溫度梯度,將油液作為整體對象進行研究會存在一定誤差,將油液劃分為多個區域后進行研究能較為精確地描述油氣懸架內部油液溫度變化規律.
基于分段模糊Lyapunov函數的輪式移動機器人軌跡跟蹤控制
張佳媛, 李洪波, 劉賀平
2015, 37(7): 955-964. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.019
摘要:
研究了具有控制輸入約束和外部干擾的輪式移動機器人的軌跡跟蹤問題.在軌跡跟蹤位姿誤差的T-S模型和并行分布補償框架下,利用分段模糊Lyapunov理論給出了滿足控制輸入約束的H控制器設計方法,并證明了閉環系統的穩定性.仿真結果驗證了所提方法的有效性.
基于局部宏觀特征和微觀特征結合的手背靜脈身份識別
王一丁, 于曉婕, 李琛, 穆志純
2015, 37(7): 965-970. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.020
摘要:
手背靜脈身份識別由于其非接觸和不易被污染等獨特的優勢,已成為各種新型生物特征識別手段中的研究和應用熱點.如何提取具有高鑒別性且魯棒的手背靜脈圖像特征是本文的研究重點.本文簡述了基于局部二值模式(local binary pattern,LBP)的特征提取方法及其改進方法的基本原理,討論分析了其不足,并針對不足,提出了一種多尺度塊中心對稱局部二值模式(multi-scale block center-symmetric LBP,MB-CSLBP)算子.本文所提出的MB-CSLBP算子既考慮圖像的局部宏觀特征,也兼顧圖像的微觀特征,獲取了更加全面的圖像信息.在自建的2040幅近紅外手背靜脈圖像數據庫中,用MB-CSLBP方法獲取圖像特征并使用最近鄰分類器進行識別.大量的對比實驗結果表明,本文所提方法的識別率達到98.21%,優于原始LBP及其改進算子,中心對稱局部二值模式(center-symmetric LBP,CS-LBP)和多尺度塊局部二值模式(multi-scale block LBP,MB-LBP)等.
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