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关键词： 海冰   离散元方法   扩展多面体   冰载荷   极地船舶   风电基础结构  

摘要： 随着寒区油气等自然资源的开发利用,冰区船舶及海洋工程装备设计研究备受国际社会关注。极地船舶及寒区海上风电工程装备分别作为支撑发展北极航道运输和寒区可再生能源开发的重要海洋工程装备,研发设计该工程装备具备极高的战略价值。极地船舶作为北极航道运输、破冰引航、科学考察及救援任务于一体的重要海洋工程装备,面临复杂冰区航行工况,需具备较好的结构抗冰性能和操纵破冰能力,并进一步满足海洋工程结构作业保障工作。此外,针对寒区单桩风电基础结构,其不可避免地遭受海冰侵袭,对其运行安全、结构可靠性等方面带来严重危害。因此,需要采用合理有效的方法开展冰区船海工程结构抗冰性能及其运动响应计算研究,为极地船舶破冰航行安全及风电结构抗冰设计提供重要参考。本文采用扩展多面体离散单元法模拟海冰初始场,开展冰区船海工程装备结构冰载荷及运动响应计算研究。首先,针对极地船舶定常航行冰载荷问题研究,目前国内外已取得较为丰富的研究成果,但对非定常破冰航行及操纵破冰性能研究内容尚且匮乏,尤其是基于离散元方法的六自由度仿真计算。这里基于离散元方法研究船体在海水作用下的六自由度运动响应,采用舵桨操纵计算模型对极地船舶非定常航行冰载荷及操纵破冰性能展开计算分析;另外,针对海冰与风电基础结构作用下的抗冰性能问题,将装有抗冰锥结构的单桩风电基础结构作为研究对象,对海冰-锥体结构作用过程中上下锥、不同锥径及冰况下的结构冰载荷及振动位移响应展开数值模拟,分析了上下锥及冰况影响下的冰力变化差异。本文主要研究内容如下:发展了极地船舶非定常六自由度直航运动模型。模拟了定常航速下的直航破冰过程,将计算结果分别与Dubrovin及Lindqvist冰阻力公式结果进行对比,验证了该方法的可行性。后续基于非定常运动模型,分析了冰况对极地船舶航速、冰载荷及运动状态的影响。采用极地船舶非定常操纵模型,对敞水操纵计算结果与实船试航结果进行比较,验证该计算模型的可靠性;对冰况及操纵角影响下的极地船舶操纵性能响应结果开展比较分析。建立了风电基础结构“质量-刚度-阻尼”计算模型,模拟了海冰与单桩锥体风电基础结构的相互作用过程,模拟结果与ISO及IEC规范计算结果有较好的一致性,验证了该离散元法的可行性,并分析了锥径及冰况影响下的结构冰载荷及运动响应。最后,对本文开展的研究工作进行了总结与展望。

关键词： 硬脆性岩石   离散元法   细观结构   蠕变   化学反应速率理论  

摘要： 深埋地下工程的赋存环境中常见的硬脆性岩石,在高应力条件下会表现出强烈的变形和破裂的时间效应。岩石破裂的时间效应行为会使得地下工程在开挖卸荷后的一段时间及其后期的运行阶段产生破坏,在高地应力条件下甚至会表现出迟滞性的岩爆现象。与金属材料不同,硬脆性岩石破裂的时间效应行为并不是由于晶体内的位错塞积形成的,而是与其表现出特定脆性行为的矿物成分、微损伤及其细观结构特征密切相关,因此也被称为脆性蠕变。把握好岩石的细观结构是在数值模拟中再现其宏观力学特征的基础,这也是目前国际计算岩石力学领域学者关注的重点和热点。本文基于颗粒离散元方法开展了硬脆性岩石的矿物成分、初始微裂隙和矿物晶体结构特征对其宏观力学特性的影响,以及破裂的时间效应研究,主要成果如下: 1.针对硬脆性岩石中矿物成分界面接触问题,推导了不同矿物晶体间的弹性理论关系式,并在此基础上开展了岩石多矿物成分数值模型的非均质性研究。通过建立等径晶粒模型和差异晶粒模型,研究了晶粒尺寸非均质性对于岩石宏观物理力学特性的影响。建立了不同矿物成分比例数值模型进行研究,并通过主要矿物成分三元等值线图分析了矿物成分非均质性对岩石宏观物理力学特性的影响。结果表明:建立的矿物成分数值模型在一定程度上能反映岩石中几何非均质性和材料非均质性。 2.针对硬脆性岩石初始加载段的裂隙闭合现象,构建了初始微裂隙表征模型并改进了裂隙张开间隙计算公式。数值结果表明:基于初始微裂隙模型的数值试样能较好地拟合裂纹闭合段,以及试样的横向扩张行为,模拟得到的泊松比非常接近物理试验值。结合等径晶粒数值模型和初始微裂隙模型构建了含初始微裂隙的多矿物成分数值试样,并在此基础上开展了一系列数值模拟试验,结果表明:只考虑矿物成分和初始微裂隙无法完全描述硬脆性岩石的非线性特征,因此,晶体结构对其渐进损伤过程具有显著的影响。 3.针对硬脆性岩石中矿物晶体的晶粒形状和朝向引起的各向异性,提出了晶粒织构模型(GTM)。在此基础上,研究了晶粒纵横比和晶粒倾角变化对于岩石宏观力学特性的影响。通过分析矿物占有比例和接触类型比例,发现晶粒纵横比的增大增加了晶界接触的比例,而倾角的变化对矿物占有比例和接触类型比例影响不大,但对晶界张拉裂纹的数量和压拉比有显著影响。因此,晶粒各向异性织构对岩石的宏观力学行为有显著的控制效应。 4.基于应力腐蚀理论,引入了“黏结面”的概念,并通过定义黏结面的损伤,推导出了等效强度退化模型及相应的强度迭代理论关系式。通过将等效强度退化模型与平节理接触模型相结合,进行均一材料模型的蠕变模拟试验。黏结面退化模型的蠕变时间曲线表现出强烈的稳定蠕变特征,蠕变过程中剪切裂纹和张拉裂纹呈等比例增长,蠕变时间和应力比的关系与平行黏结应力腐蚀模型模拟得到的结果接近。 5.结合初始微裂隙模型和速率过程理论提出了黏性节理接触模型并通过VC++开发了相应模型。将黏性节理接触模型应用于Ld B花岗岩的蠕变模拟中,其蠕变时间曲线具有蠕变三阶段特征,并且发现蠕变过程中主要产生的是张拉裂纹。不同应力比下的蠕变时间较黏结面退化模型的模拟结果与物理试验测得数据更加吻合。 6.建立了同时考虑矿物成分、初始微裂隙和晶体结构的含初始微裂隙GTM模型,并开展了单轴压缩和直接拉伸模拟试验。通过与Ld B花岗岩的物理试验数据对比可知,含初始微裂隙GTM模型能真实描述硬脆性岩石的宏观力学特性(压拉比、特征应力特征,以及双弹性模量特征等)。通过将等效强度退化模型和黏性节理模型同时加入到GTM模型中进行了蠕变模拟试验,发现其蠕变时间曲线具有明显的三阶段特征,破坏形式以穿晶破坏为主,蠕变模拟结果与物理试验数据接近,并且其拟合曲线表现出两段不同特征,说明两种蠕变机制(晶内蠕变和晶界蠕变)分别在不同的应力水平下发生主导作用。

关键词： Bauschinger effect   Dislocation glide kinetics   High entropy alloys   Hydrogen   Low cycle fatigue   Plastic strain  

摘要： This study explores critical issues in the fatigue behavior and fundamental mechanisms of cyclic deformation in alloys for structural and hydrogen-energy applications using plastic strain-controlled low cycle fatigue (LCF) and constant microstructure plastic strain rate change experiments. The materials of interest are strain-hardened Type 316L austenitic stainless steel and annealed CrMnFeCoNi high entropy alloy (HEA), both in the hydrogen-precharged (H-precharged) and non-charged conditions. The LCF tests were conducted at a constant plastic strain rate of 1x10-3 s-1, probing plastic strain amplitudes between 0.1% and 0.7% in 316L and between 0.3% and 0.8% in the CrMnFeCoNi alloy. The plastic strain rate change experiments are a unique type of experiment designed to explore the fundamental mechanisms that control dislocation glide in the context of thermal activation theory. They were conducted periodically at two different regions of the lifetime, probing operational activation area values that represent the evolving and dynamic equilibrium states of the microstructure at plastic strain amplitudes between 0.3% and 0.8%. In the strain-hardened 316L austenitic stainless steel, cyclic stress response curves show continuous softening in both H-precharged and non-charged conditions at all plastic strain amplitudes. Internal hydrogen increases the cyclic strength by enhancing the effective component of the flow stresses, especially at low plastic strain amplitude. However, the increase in effective stress is accompanied by a significant reduction in initiation and total fatigue lifetimes in the H-precharged condition. At high amplitudes, back stresses become more significant in both material conditions and, although hydrogen still leads to earlier failure, the difference in LCF lifetimes is reduced. Scanning electron microscopy (SEM) observations reveal earlier onset of multiple slip in the presence of hydrogen at low strain amplitudes, indicating that the premature fa

关键词： 深部硬岩   细观结构   离散元方法   颗粒模型   晶体解理   微裂纹  

摘要： 岩石材料的宏观力学性能受到其细观结构的控制作用,随着岩石多尺度力学研究的不断深入,具有颗粒可破碎特性的颗粒离散元模型逐渐成为该研究领域的有力工具。以往的研究较少考虑晶内网格形态与岩石矿物晶体结构的对应关系,关于晶内网格形态对颗粒模型计算结果影响规律的研究也相对缺乏,这不利于模型的进一步精细化构建以及对不同模型计算结果的对比分析。在已有研究的基础上,采用Neper插件结合通用离散元程序,并综合考虑矿物晶体的解理特性构建了6种晶内网格划分模式。基于单轴压缩模拟试验分析了不同划分方式对计算结果的影响作用。结果表明,所提出的晶内网格构建方式可以再现矿物颗粒的解理特征,为离散元模型的精细化构建提供了多种选择;晶内网格形态差异对抗压强度的影响最明显,而对泊松比和弹性模量的影响较小;宏观力学参数的稳定性受子颗粒形状和晶内路径方向均匀度的共同影响,其中子颗粒形状的影响更为显著;微裂纹的数量主要与子颗粒几何特征有关,多边形子颗粒相比于三角形子颗粒更易引发岩石破坏时微裂纹总体数量的增加;子颗粒圆形度的增加会减弱颗粒间的互锁作用,从而导致裂纹数量降低。因此,在使用岩石颗粒离散元模型时应充分考虑模型构建方法对于计算结果的影响作用,从而提高仿真计算的可靠度。

关键词： 粒子群优化   Steiner树   电压转换速率约束   X结构   超大规模集成电路  

摘要： Steiner最小树是超大规模集成电路中布线阶段的最佳模型,进一步考虑能够有效防止信号失真的电压转换速率(Slew)约束这一个更为贴近实际芯片设计模型和更具线长优化能力的X结构,首次提出基于混合离散粒子群优化的Slew约束下X结构Steiner最小树算法.首先,为了避免频繁的Slew约束计算,提出了高效的预处理策略,并且提出一种能够有效考虑Slew约束的针对性的惩罚机制.其次,为了能够有效求解该离散问题,基于遗传算子重新设计了粒子群优化算法的离散更新机制,并提出一种更适合遗传算子的引脚对编码方式.然后,为了进一步优化布线树的长度,提出一种有效的精炼策略.最终,提出一种混合修正策略以完全满足Slew约束.实验表明,所提算法可完全满足电压转换速率约束并取得同类工作中最佳的布线结果.

关键词： 个体等级   非线性系统   基本再生数   Perron-Frobenius定理   稳定性  

摘要： 提出并分析一类非线性离散等级结构种群模型。证明了解的非负有界性,定义了基本再生数,建立了种群正平衡态的存在唯一性,并运用非负矩阵特征值理论获得了零平衡态的渐近稳定性与不稳定性条件。

关键词： 木质板材   铺料机   结构优化   均匀度   离散元仿真  

摘要： 铺料过程中物料会出现散料、凹凸、不够均匀、边缘塌陷等问题,造成表面缺陷和内部错乱,影响后续模压成型的紧密压实度,甚至会增加应力集中源,影响内部结构。为了改善铺料平整度与均匀度,提高合格率,采用离散元仿真方法,建立符合实际铺料过程的仿真模型,以木质板材物料颗粒为分析主体,对比铺料机叶片式滚筒不同结构设计参数下物料的动态铺料效果,评价铺料均匀度效果,运用离散系数值为分析依据,优化铺料机结构。结果表明,对铺料质量效果的影响大小关系为滚筒间的间隔>滚筒安装高度>滚筒叶片的数量,且基于设定参数下,各低离散系数因素组合能得到更好的铺料效果,最终选取均匀度较好的铺料机的结构参数,为实际设计制造提供参考。

ISBN: (纸本)9787030708465

关键词： 异常行为识别   姿态传感器   卷积神经网络   结构化信息  

摘要： 煤矿生产“减人提效”的发展趋势使保障工人安全愈发重要,针对当前矿工异常行为检测方法数据量大、鲁棒性不强的问题,提出了一种离散姿态感知量结构化的矿工异常行为识别方法。采用卡尔曼滤波技术优化基于九轴姿态传感器获得的行为感知信息,利用采样窗口截取行为信息后,依姿态感知量轴向结构化为三通道RGB行为图像,结合所设计用于提取时空特征的CTFRN模型,精确提取拟识别5种矿工行为的时空特征,以低运算量、高鲁棒性特点监测矿工异常行为。与其他模型对比结果表明,所提方法较准确率更高,可达99.3%。所设计系统及识别方法可用于实际环境中矿工异常行为实时监测,保障矿工生命安全。

关键词： 复杂网络   时空混沌   同步   参量辨识  

摘要： 本文研究了一类具有不等集群结构的离散网络间的投影同步问题.根据集群网络的拓扑特性,设计了一种自适应的同步控制方法.基于Lyapunov稳定性理论,给出了实现两个离散网络同步所需的控制器以及同步参量的识别率.最后选取三种不同的时空混沌系统作为不同集群所对应的节点进行仿真分析,结果证明了该方法的正确性.