煤岩图像处理及细观损伤本构模型研究

发布时间：2016-11-13 11:26

  本文关键词：煤岩图像处理及细观损伤本构模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

《重庆大学》 2015年

煤岩图像处理及细观损伤本构模型研究

孙传猛  

【摘要】：如何构建反映煤岩变形破坏全过程的本构模型,一直是采矿工程领域十分关注的问题。由于煤岩本身的复杂性,以及试验条件、测量手段等限制,目前有关煤岩损伤理论还需进一步发展完善。本文基于细观力学试验和细观结构量化试验,分别采用细观损伤理论的两类构建方法,系统性地研究了煤岩变形破坏全过程,建立了煤岩弹-脆性损伤本构模型和MCDC模型,并运用于实例进行了对比分析。煤岩细观量化结果的精确与否,直接影响上述本构模型的准确程度。数字图像处理(DIP)技术是一种有效的细观结构信息量化手段,具有精确测量和数字表达等优点。然而,由于学科跨度较大,DIP技术在岩石力学中运用往往滞后于自身发展,更多地采用传统图像分割方法,无法满足煤岩图像处理要求。本文引入基于偏微分方程图像处理理论,并结合煤岩图像特点,提出了能够准确全面地表达煤岩细观结构信息的改进C-V模型和改进LBF模型。主要研究成果如下：1)通过引入图像增强算子、规范初始水平集函数等技术改进了C-V模型和LBF模型。相比传统图像处理技术和以往的基于偏微分方程的方法,对普遍存在灰度不均一、弱边缘、噪声污染严重、目标与背景对比度低等特点的煤岩图像,改进的模型具有更强的适应性和更高的分割精度。2)煤岩细观结构信息中各度量损伤的基准及其定义的损伤变量,与宏观力学响应有明显对应关系,且均在煤岩极限承载强度处发生急剧改变,表明煤岩是一种脆性或准脆性材料。本文定义的基于面积与方位角的损伤变量,反映了煤岩材料的各向异性,其数值最大方向为损伤主要发生方向,可以作为计算损伤的简化方向。3)图像纹理信息可以作为度量煤岩材料损伤的基准。图像纹理信息包括分形维数和纹理特征参数,分形维数着重于目标内容的形态,而纹理特征参数则侧重描述图像内容的空间分布。采用纹理特征参数作为度量损伤基准定义的损伤变量,综合考虑了煤岩表面细观结构的形态信息和空间分布关系,同时由于不需要各细观结构的具体信息参数,实际应用更加方便。其与轴向应变具有显著的非线性关系,可以表述为DT=aε2+bε+c,并由此建立煤岩弹-脆性损伤本构模型,损伤本构方程为4)煤岩内部广泛存在的孔隙、裂隙等初始损伤,常常造成宏观应力-应变曲线存在较长的裂隙压密阶段,而现有的损伤本构模型对此较少关注。本文基于细观计算损伤理论构建了含初始损伤和线弹性损伤影响的MCDC模型,对上述阶段进行了准确描述。其与以往细观计算损伤模型的区别还在于：①其概率分布模型采用对数正态分布,具有“比例效应”、中心极限定量等充足的概率论理论支撑以及煤岩体微细观结构信息统计规律的实际支持；②采用正则化Heaviside函数对对数正态模型导致的保守性进行了修正。5) MCDC模型有机地联系了煤岩初始损伤和线弹性阶段损伤实际情况,这区别于已有的细观计算损伤模型；MCDC模型无需时刻考察材料损伤演化状况且无需对其进行拟合,这区别于第一类细观损伤理论研究方法。因而MCDC模型既具有实际损伤支撑,又具有参数数量少、参数数值确定容易、物理意义明确、模拟精度高等优点。

【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

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