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正融碎屑冰冻体剪切强度劣化机理数值模拟研究

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煤炭学报 2024年

作者：孟秋杰宋宜祥黄达马文钟助河北工业大学土木与交通学院北京科技大学土木与资源工程学院三峡大学土木与建筑学院长安大学地质工程与测绘学院

冰川碎屑冰冻体的冰水赋存状态对温度的变化非常敏感。近年受到气候变暖影响，由碎屑冰冻升温融化而引发的冰崩灾害被广泛报道。为了研究温升条件下碎屑冰冻体的抗剪强度劣化行为，提出了正融碎屑冰冻体的有限-离散元数值模型（F-DEM）... 详细信息

冰川碎屑冰冻体的冰水赋存状态对温度的变化非常敏感。近年受到气候变暖影响，由碎屑冰冻升温融化而引发的冰崩灾害被广泛报道。为了研究温升条件下碎屑冰冻体的抗剪强度劣化行为，提出了正融碎屑冰冻体的有限-离散元数值模型（F-DEM）。模型将碎屑冰冻体概化为冻土、碎石实体单元以及粘聚力单元，将根据实验所得的碎屑冰冻体抗剪强度升温劣化描述为粘聚力单元的粘结强度的升温劣化过程。首先，在冻土内预置使用“牵引-分离”准则的粘聚力单元来代表孔隙冰。然后，在ABAQUS中使用用户自定义子程序VUSDFLD，通过温度场变量对粘聚力单元的粘结强度劣化规律进行控制。将数值结果与实验进行对比，发现峰值抗剪强度、变形模式、破坏模式等宏观响应特征和强度劣化规律与试验结果吻合较好。对融冰率、碎石率和载荷水平等条件对碎屑冰冻体剪切力学行为的影响进行了研究，结果表明当融冰率小于等于2%，剪切破坏模式为粗糙的“锯齿状”；随着融冰率增加（>2%），剪切破裂面逐渐向较为平滑的“圆弧状”转变。在冻土-碎石界面强度差异较大容易形成应力集中，导致裂缝沿该界面形成渐进式贯通。含石率的增加会导致碎屑冰冻体抗剪强度的降低。随融冰率增加，碎屑冰冻体抗剪强度对含石率的敏感性降低。对于维持着较高剪切负荷的碎屑冰冻体来说，环境温度的轻微上升可能导致剪切应变的突变。恒载下的变形可分为三个阶段：初始阶段，发育阶段以及快速变形阶段。在初始阶段，剪切应变先增加后稳定；在发育阶段，应变出现拐点；在快速变形阶段剪切应变快速增加。拐点的温度随着初始剪切应力的增加而降低，两者近似为线性关系。较高的应力水平下，碎屑冰冻体的剪切应变对温度的改变十分敏感。未来应就模型简化方法、参数取值规律、冰水相变和尺寸效应等问题进行进一步研究，以适应实际冰川案例中剪切强度劣化行为的模拟。

关键词：碎屑冰冻体融化直剪试验剪切力学行为有限-离散元

丝素蛋白/碳纳米管复合膜的制备及其作为柔性传感器的应用研究

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丝素蛋白/碳纳米管复合膜的制备及其作为柔性传感器的应用研究

作者：孟秋杰东华大学

学位级别：硕士

丝素蛋白由于其优异的生物相容性和可降解性,被广泛用于构建生物兼容柔性电子器件,基于丝素蛋白的生物传感器在可穿戴器件的应用中引起人们越来越多的重视。碳纳米管作为一种高长径比、具有优异的电化学性能的纳米填料,是赋予丝素蛋白... 详细信息

丝素蛋白由于其优异的生物相容性和可降解性,被广泛用于构建生物兼容柔性电子器件,基于丝素蛋白的生物传感器在可穿戴器件的应用中引起人们越来越多的重视。碳纳米管作为一种高长径比、具有优异的电化学性能的纳米填料,是赋予丝素蛋白功能性的良好纳米填料。因此,基于丝素蛋白和碳纳米管的复合材料在柔性传感器的应用领域引起了广泛的关注和研究,并取得了一些重要的进展。随着柔性电子,特别是可穿戴电子的持续发展,越来越要求功能器件制备工艺的简化以及创新。目前制备丝素蛋白碳纳米管基的传感器都是通过溶液共混、原位生成以及高温碳化等方法。在蚕茧中原位生成碳纳米管操作复杂,并且周期长;碳化又需要将近1000℃的高温,不利于节约能源和环保;溶液共混是制备丝素蛋白碳纳米管功能材料较为简便的方法,但是,从目前的制备工艺来看,丝素蛋白在整个柔性器件中只是发挥基底的作用,并且由于碳纳米管的分散性问题,在共混时往往需要对碳纳米管化学改性或者加入表面活性剂促进分散。因此,提出一种简便的基于溶液共混的工艺制备丝素蛋白碳纳米管功能材料具有重要的意义。本文聚焦于再生丝素蛋白和碳纳米管共混膜的制备工艺,提出了基于磷酸溶剂的一锅法制备再生丝素蛋白/碳纳米管共混膜。其次通过溶剂置换法在共混膜中引入甘油,成功制备了一种具有柔性、导电性、生物相容性和可降解性的再生丝素蛋白基复合膜。首先,从微观形态、凝胶行为分析了丝素蛋白/碳纳米管分散液的分散效果及性能;其次,从形貌、内部相互作用、二级结构、结晶性能以及机械性能等方面对所制备的复合膜的物理化学性能进行表征;最后,通过将复合膜制备成应变和温度传感器,对碳纳米管含量的添加对其传感性能的影响进行表征和讨论,从而深入探讨在外力和温度的影响下,基于碳纳米管作为电子导体的传感器的内部传感机制。实验结果表明:(1)丝素蛋白可在磷酸溶剂作用下溶解,丝素蛋白分子链中的芳香族氨基酸残基,如酪氨酸(4.9%),苯丙氨酸(0.6%),与碳纳米管表面形成强π-π相互作用,从而实现对碳纳米管的均匀分散。(2)碳纳米管添加量对复合膜的形貌、二级结构和机械性能有一定影响。随着碳纳米管的添加量从1%增加到7%时,复合膜的截面结构变得更加紧密,结晶度提高,机械性能增强,最高断裂强度可以达到1.20MPa。(3)将不同碳纳米管含量的复合膜制备成应变和温度传感器,可以发现,其应变传感灵敏度可以达到13.7,温度传感灵敏度可以达到1.652%/℃。且当碳纳米管含量高于渗流阈值(1.18wt%)时,其温度传感性能大幅度下降,这是由于热辅助电子传输机制(隧穿和跳跃效应)所决定的。(4)将复合膜传感器应用于人体运动监测,可以发现其不仅对于胳膊、手腕、腿部等大形变的运动具有较好的信号监测,并且对于喉咙,声音等微小的运动具有较好的识别效果。此外,基于复合膜小应变传感稳定性的性能以及优异的温度传感性能,可用于医疗护理和人体温度的准确监测。

关键词：磷酸丝素蛋白碳纳米管生物相容电子柔性传感器

基于改进自编码网络的加工中心电主轴故障预警方法研究

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基于改进自编码网络的加工中心电主轴故障预警方法研究

作者：孟秋杰合肥工业大学

学位级别：硕士

电主轴作为高端数控设备的核心部件直接决定了数控设备的加工水平。对电主轴进行状态监测和故障预警,可以减少设备非计划停机时间、降低设备维护成本以及延长设备剩余使用寿命。现有电主轴的故障预警研究较少考虑设备状态演变特性和复... 详细信息

电主轴作为高端数控设备的核心部件直接决定了数控设备的加工水平。对电主轴进行状态监测和故障预警,可以减少设备非计划停机时间、降低设备维护成本以及延长设备剩余使用寿命。现有电主轴的故障预警研究较少考虑设备状态演变特性和复杂机电设备加工特点,导致电主轴的状态监测模型精度低以及阈值设置不合理造成的故障预警准确率低。针对以上问题,本文分析了电主轴常见故障产生的原因,基于电主轴正常运行过程中采集的主轴温度、主轴轴承振动信号以及主轴电机电流等数据,利用改进自编码网络建立电主轴状态监测模型,并基于该模型制定故障预警策略实现电主轴故障预警,主要工作内容如下:1.本文在了解电主轴的结构和工作原理的基础上,对现场电主轴的常见故障进行统计,总结分析了电主轴常见的故障表现形式和故障部位。最后确定了以主轴温度和主轴振动信号为主要故障特征参数,同时为了更为全面对电主轴进行掌握,又引进了主轴电机电流等参数。并基于OPC协议设计数据采集方案,保证数据传输的实时性和稳定性。2.针对电主轴在早期运行阶段无法产生丰富的故障样本,本文选择设备的正常数据作为训练样本,利用自编码网络重构正常数据得到正常样本的特征。其次考虑设备的状态演变是一个随时间逐渐劣化的过程,在此过程中电主轴产生的运行数据呈时间序列数据的特点,在自编码的基础上引入LSTM单元,提高挖掘时间序列特征的能力。利用改进后的自编码网络对电主轴正常状态下特征参数进行重构,建立主轴正常状态模型。当设备处于正常运行状态,模型可以重构正常输入数据,使重构误差保持在较小误差范围内;当设备偏离正常状态时,数据的重构误差逐渐增大,超出正常数据的误差范围。3.为了进一步对设备偏离程度进行量化分析,采用加权的欧式距离计算重构数据和输入数据的差异程度,并作为预警指标。在预警指标的基础上,基于区间估计实时计算报警阈值。当预警指标超过报警阈值,可认为电主轴发生异常进入劣化状态,发出故障预警。最后,通过某工厂的数控加工中心进行实验,结果表明该方法能够有效进行电主轴的故障预警。最后,以某变速箱箱体生产线为应用场景,结合本文的研究方法设计开发故障预警原型系统,为电主轴的稳定运行提供技术支持。

关键词：电主轴故障预警自编码网络时间序列长短期记忆网络

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数字水印在电子病历版权保护中的应用研究

数字水印在电子病历版权保护中的应用研究

作者：孟秋杰中南大学

学位级别：硕士

摘要：电子病历作为医疗信息化的核心,表现出诸多优势：比如电子病历使病历书写规范化及标准化,提高了医生的工作效率;保证了病历完成的时效性及准确性,降低了医疗差错等。但是在我国电子病历并没有得到进一步的发展,其主要的原因是电... 详细信息

摘要：电子病历作为医疗信息化的核心,表现出诸多优势：比如电子病历使病历书写规范化及标准化,提高了医生的工作效率;保证了病历完成的时效性及准确性,降低了医疗差错等。但是在我国电子病历并没有得到进一步的发展,其主要的原因是电子病历的安全性,尤其是电子病历的版权保护问题。电子病历的记录内容可以作为法律“证据”,为了防止电子病历伪造而引发的医患纠纷,就必须对电子病历的版权进行保护。数字水印作为版权保护的一种有效技术,本文将研究如何使用该技术实现对电子病历的版权保护。本文首先介绍了我国电子病历标准化进程,重点叙述了电子病历文档的格式标准,明确了电子病历归档后的格式是XML;然后阐述了数字水印的基本理论知识,包括数字水印发展、分类和基本模型,其中重点阐述了XML数字水印技术;在分析各类XML水印算法的基础上,结合电子病历的特点,提出了一种基于模糊查询的XML数字水印方案,该水印方案将数据库模糊查询的思想引用到XML文档中,通过XML模糊查询技术可以极大提高水印方案的鲁棒性。最后使用可移植性较强的JAVA语言对基于模糊查询的XML数字水印方案进行具体的设计和实现,并通过实际的电子病历对系统进行相关测试。测试结果表明,嵌入水印信息的电子病历可以很好抵抗格式攻击、删除节点、新增节点和更改节点等多种攻击方式。图15幅,表3个,参考文献62篇。

关键词：数字水印 XML 模糊查询电子病历 CDA 版权保护

软硬互层岩质反倾边坡弯曲倾倒离心模型试验与数值模拟研究

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岩土工程学报 2020年第7期42卷 1286-1295页

作者：黄达马昊孟秋杰宋宜祥长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 重庆大学土木工程学院重庆400044 河北工业大学土木与交通学院天津300401

西部山区工程建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,多具有软硬互层结构,水平深度可达300 m。为进一步探明软硬互层反倾边坡的倾倒变形机制,融合离心模型试验与UDEC模拟,研究了此类边坡的破坏模式与影响因素,并通过点对分析,讨论了变形的... 详细信息

西部山区工程建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,多具有软硬互层结构,水平深度可达300 m。为进一步探明软硬互层反倾边坡的倾倒变形机制,融合离心模型试验与UDEC模拟,研究了此类边坡的破坏模式与影响因素,并通过点对分析,讨论了变形的力学机制。数值模拟时,在岩层内预置随机裂隙,获得了破裂面的演化规律。结果表明:数值模拟与试验的位移曲线及破裂面形态吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变阶段、稳态变形阶段和失稳破坏阶段;坡体前部为压剪复合变形,后部则以拉张为主;边坡主破裂面呈弧形,由坡脚快速贯通至坡顶,整体为拉–剪性破裂面;坡体内发育3条破裂面,可作为分界线将变形体分为极强倾倒区、强倾倒区和弱倾倒区;坡脚岩体变形后期压致拉裂,逐渐折断脱离母岩,最终导致变形岩体沿不同的破裂面形成渐进后退式破坏;边坡在倾角与坡角之和大于等于120°时才较易破坏,坡角主要影响破坏难易,倾角则控制变形规模。

关键词：反倾边坡软硬互层倾倒变形离心模型试验离散元数值模拟

软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形离心模型试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第7期40卷 1357-1368页

作者：黄达谢周州宋宜祥孟秋杰罗世林河北工业大学土木与交通学院天津300401 重庆大学土木工程学院重庆400045

针对软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形演化模式尚不明确的问题,基于相似原理以及地质资料,以水泥、石膏等作为相似材料建立3组边坡物理模型:一组为单一硬岩层状反倾岩质边坡,另外2组为不同层厚比的软硬互层状反倾岩质边坡。通过离心模型... 详细信息

针对软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形演化模式尚不明确的问题,基于相似原理以及地质资料,以水泥、石膏等作为相似材料建立3组边坡物理模型:一组为单一硬岩层状反倾岩质边坡,另外2组为不同层厚比的软硬互层状反倾岩质边坡。通过离心模型试验,运用图像量测技术,探究软硬互层状反倾岩质边坡与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形破坏模式的差异性,分析不同软硬岩层厚比中软岩对于边坡整体倾倒变形程度以及边坡极限承载力的影响。研究表明:(1)软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形模式与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形模式存在差异。前者在倾倒变形过程中产生两级破裂面:主破裂面与次级破裂面,次级破裂面首先贯通,其上浅层岩体失稳,进而深部不连续弯折带相互贯通,主破裂面形成,边坡整体失稳,向下垮落。(2)倾倒变形过程中主破裂面以下岩体几乎未发生倾倒,可将该面定义为倾倒-未倾倒岩体的分界线;次级破裂面发育深度与主破裂面相比更浅,但是其上浅层岩体倾倒变形程度更大,且更易发生失稳破坏,该面为边坡倾倒变形的最危险破裂面。(3)由于软岩强度较弱的影响,软硬互层状反倾岩质边坡其破裂面形态呈弧线形,与单一硬岩层状反倾岩质边坡不同。(4)软岩的存在对于边坡的极限承载力与倾倒变形程度也有影响,且软硬岩层厚比不同,影响不同。相比于单一硬岩层状反倾岩质边坡,软硬岩层厚比为1∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力提高,倾倒变形程度减小;而软硬岩层厚比为2∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力降低,倾倒变形程度增大。

关键词：边坡工程软硬互层倾倒变形离心模型试验反倾岩质边坡

基于离心机和数值模拟的软硬互层反倾层状岩质边坡变形特征分析

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水文地质工程地质 2021年第4期48卷 141-150页

作者：李彦奇黄达孟秋杰河北工业大学土木与交通学院天津300400

我国西部山区建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,它们多具有软硬互层结构。为进一步探明软硬互层反倾岩质边坡的变形破坏规律,本研究融合大型土工离心机试验与自开发的可以综合考虑节理面拉剪和压剪破坏的Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合... 详细信息

我国西部山区建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,它们多具有软硬互层结构。为进一步探明软硬互层反倾岩质边坡的变形破坏规律,本研究融合大型土工离心机试验与自开发的可以综合考虑节理面拉剪和压剪破坏的Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则,对此类边坡进行试验与数值模拟分析。首先,结合监测点位移和应力曲线对边坡的变形破坏过程进行详述并验证了所提出的强度准则及所建立的数值模型的正确性;然后,基于此数值模型研究不同几何因素对此类边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:(1)节理单元采用Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则可以较准确地模拟软硬互层反倾边坡的层间错动以及岩层弯折;(2)此类坡体倾倒变形破坏全过程为:层间先出现相互错动,然后边坡自坡脚部位开始出现弯曲变形,随后坡体后缘出现拉张裂缝,与此同时边坡整体向临空面弯曲倾倒,最终形成2个或3个破坏面;(3)随着岩层倾角的增大,边坡一级破坏面逐渐向坡体深处发展;(4)随着硬/软岩层厚比的减小,坡顶竖向位移变小,且坡体滑动的整体性逐渐增强;(5)随着软/硬岩层厚比的增加,坡体破坏面逐渐由粗糙的"锯齿状"向平滑的"圆弧状"过渡。

关键词：反倾岩质边坡软硬互层变形特征离心机联合强度准则

反倾软硬互层岩质边坡倾倒变形破坏机理与影响因素研究

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工程地质学报 2021年第3期29卷 602-616页

作者：黄达马昊孟秋杰宋宜祥长安大学地质工程与测绘学院中国西安710054 重庆大学土木工程学院中国重庆400044 河北工业大学土木与交通学院中国天津300401 北京市勘察设计研究院有限公司中国北京100038

倾倒变形常见于反倾结构边坡,特别在具有软硬互层结构边坡中,甚至可发育为深度上百米的大型滑坡。为进一步探明此类反倾边坡倾倒变形的破坏机制,以及边坡形态结构及岩体力学参数等因素的影响规律,以离心模型试验为原型,结合离散元数值模... 详细信息

倾倒变形常见于反倾结构边坡,特别在具有软硬互层结构边坡中,甚至可发育为深度上百米的大型滑坡。为进一步探明此类反倾边坡倾倒变形的破坏机制,以及边坡形态结构及岩体力学参数等因素的影响规律,以离心模型试验为原型,结合离散元数值模拟,分析了倾倒变形的形成过程以及在外界扰动下的破坏机制。并通过单因素分析法、正交设计法等,研究了多种因素对反倾边坡倾例变形的影响,通过极差分析获得了各因素的敏感性。通过在岩层内预置大量多边形随机裂隙,数值模拟较好地实现了对破裂面起裂及延展规律的模拟。结果表明:离心模型试验可较好地还原倾倒变形过程,而离散元数值模拟则可对实验结果进行有效的重现与扩展,两者吻合度良好;岩体变形过程存在3个阶段,即起始变形、稳态变形和失稳破坏等阶段;破裂面呈弧形,在变形积累到一定程度后快速形成;边坡可自下而上形成多级破裂面,并伴随岩层的强烈弯曲变形,在外界扰动下,倾倒变形体将由外到内沿不同破裂面形成渐进后退式破坏;多种影响因素中,边坡形态结构影响最大,层面参数次之,软硬岩岩石力学参数的差异影响较小;具体而言,边坡形态与坡体结构对倾倒变形的影响性大小表现为坡角>倾角>坡高>坡形>层厚比>层厚,坡角、倾角、坡高越大,坡形越外凸,软硬岩层厚差越小,倾倒变形越容易发生;边坡变形规模主要受形态结构因素控制,倾角和坡角影响最显著。

关键词：反倾边坡弯曲倾倒离心模型试验离散元数值模拟敏感性分析

基于遗传规划的复杂地层中盾构滚刀磨损寿命预测

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工矿自动化 2018年第9期44卷 51-58页

作者：乔金丽孟秋杰刘建琴金建星河北工业大学土木与交通学院天津300401 天津大学机械工程学院天津300072

针对复杂地层盾构掘进过程中滚刀磨损量大、使用寿命难以预测且影响滚刀磨损寿命因素具有多元性和不确定性等问题,分析了复杂地层中安装半径、掘进距离、贯入度、刀间距、刀盘转速等主要的滚刀寿命影响因素,建立了基于遗传规划的复杂地... 详细信息

针对复杂地层盾构掘进过程中滚刀磨损量大、使用寿命难以预测且影响滚刀磨损寿命因素具有多元性和不确定性等问题,分析了复杂地层中安装半径、掘进距离、贯入度、刀间距、刀盘转速等主要的滚刀寿命影响因素,建立了基于遗传规划的复杂地层中盾构滚刀磨损寿命预测模型。该模型通过遗传规划将磨损寿命预测问题转化为程序的归纳问题,通过树状函数表达式反映出在复杂地质条件下滚刀寿命影响因素与磨损寿命之间的关系。工程测试结果表明,该模型平均预测误差为16.07%,均方差为0.001 6,均优于简化CSM模型,有效解决了滚刀寿命预测难的问题,为滚刀寿命预测提供了新的解决方法。

关键词：复杂地层盾构滚刀遗传规划滚刀磨损寿命预测