CN114152221A - 一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，包括如下步骤：首先借助三维激光扫描对接触面的表面形态进行确定，得到粗糙面的三维扫描影像和点云数据；然后将三维激光扫描试验得到的数据点导入Winsurf中生成接触面的粗糙表面形态；随后采用分形维数对组合材料接触面粗糙度进行量化，并利用改进的立方体覆盖法对分形维数进行计算；利用Matlab软件对其计算方法进行程序化处理，获得分形维数的计算程序；最后将数据点导入编写的计算程序中，得出接触面的分形维数，即接触面的粗糙度。该粗糙度确定方法不受组合材料种类和接触面形态的限制，还能高精度量化粗糙度，在工程中便于测定和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种采矿工程中组合材料随机形态接触面粗糙度的确定方法。
背景技术
矿山废料胶结充填是实现矿业绿色低碳开发的重要技术途径，而充填体与矿山岩石之间的接触面粗糙度是影响充填体胶结性能的重要因素之一。因此实现不同材料之间接触面的粗糙度的定量表征对评估充填体胶结性能具有重要意义。
现有接触面粗糙度表示方法大多数都是针对规则形态的接触面，主要有最大峰谷距法、灌砂法及改进的灌砂法、相对粗糙度法、定性分析方法等，而随机形态接触面的粗糙度表示方法尚未完善。由于采矿工程中爆破后的岩石表面多为不规则的随机形态，导致这些确定方法在实际工程中难以实现准确评估。因此亟需一种随机形态接触面的粗糙度的确定方法。
岩体结构面通常是是粗糙起伏凸凹不平的，其起伏变化特征千变万化，但是其分布具有分形特征。分形理论在研究复杂物体上具有显著优势。因此，可采用分形维数对岩石节理面与充填体表面之间的接触面粗糙度进行定量表征。目前对于计算分形维数的方法主要有三角形棱柱表面积法、投影覆盖法、立方体覆盖法和改进的立方体覆盖法等。而改进的立方体覆盖法既可以在有效避免了覆盖过程中的人为因素并且更好地体现了粗糙岩石形貌的复杂性的同时，还能提高计算精度。因此，采用改进的立方体覆盖法对分形维数进行计算。
针对以上不足，该发明采用分形维数对组合材料的随机形态的接触面粗糙度进行定量化描述，利用改进的立方体覆盖法对分形维数进行计算，同时对计算方法进行编程，实现了组合材料的随机形态接触面的粗糙度的定量表征。
发明内容
本发明设计了一种便于实现的、能够定量评估组合材料的随机形态粗糙程度的方法，旨在改善现有的组合材料接触面粗糙度确定方法，为采矿工程矿坑回填之后接触面抗剪强度及稳定性评估提供计算依据。
1：一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.借助三维激光扫描对组合材料接触面的表面形态进行扫描，得到接触面的三维扫描影像和点云数据；
b.将三维激光扫描试验得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态；
c.采用分形维数对接触面粗糙度进行量化，并利用改进的立方体覆盖法计算分形维数；利用Matlab软件对分形维数的计算过程进行程序化处理，获得分形维数的计算程序；
d.将通过三维激光扫描和Winsurf软件得到的接触面数据点导入编写的计算程序中，得到接触面的分形维数，即接触面粗糙度。
2.进一步，步骤a中，通过三维激光扫描获得任意接触面的三维影像和点云数据；三维激光扫描仪选用大尺度三维激光扫描仪器，其精度为0.1mm，量程为300mm，扫描的材料大小为150mm×150mm(长×宽)的长方体；三维激光扫描试验对材料的测量间距为δ，δ的取值范围在10-4m～10-1m的数量级上，其最大取值为9mm。
3.进一步，步骤b中将得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态。
4.进一步，步骤c采用改进的立方体覆盖法对粗糙表面分形维数进行估算，操作步骤如下：
(1)在平面XOY上建立正方形网格，网格中每格的尺寸与三维激光扫描试验的测量间距相同，均为δ；为了在计算分形维数时使接触面表现出分形特征，δ的取值范围在10-4m～10-1m的数量级上；
(2)在建立的正方形网格中，正方形的4个角点处分别对应4个高度h(i,j)，h(i,j+1)，h(i+1,j)和h(i+1,j+1)；1≤i,j≤n-1，n为每边的量测点数；
(3)用边长为δ的立方体对粗糙表面进行覆盖，计算覆盖区域δ×δ内的立方体个数；改进的立方体覆盖法改进了覆盖的起始位置，覆盖的起始位置在基准平面处，即为过坐标原点且与XOY面平行的平面；因此，接触面的立方体个数Ni,j依据下式进行计算：
式中，INT为取整函数；
(4)计算覆盖整个粗糙表面所需的立方体总数N(δ)，立方体总数N(δ)可依据下式进行计算：
(5)在观测尺度δ的取值范围内，由于粗糙表面具有分形性质，按照分形理论，立方体总数N(δ)与尺度δ之间关系表达为：
N(δ)～δ-D (3)
式中，D为分形维数；
(6)在观测尺度δ的取值范围内，改变观测尺度δ的数值，即改变三维激光扫描试验的测量间距或建立的正方体网格尺寸；对接触面再进行5次以上覆盖，分别计算每次覆盖时整个粗糙表面所需的立方体总数；
(7)将得到的各组N(δ)与δ的数据分别取对数，获得的lgN(δ)～lgδ曲线；根据立方体总数N(δ)与尺度δ之间的关系，曲线的斜率表示该接触面的分形维数，即接触面粗糙度；分形维数的取值范围为2＜D＜3。
5.进一步，步骤d中，利用Matlab软件对分形维数计算方法进行编程以获取程序化操作方法。
相比于现有粗糙度确定方法，本方法具有如下优势：可实现在组合材料中大面积随机形态接触面的粗糙度的测定；操作简单易行，计算方便快捷，测量结果准确，能直接应用于工程。
附图说明
图1接触面表面形态；
图2接触面的粗糙表面形态；
图3改进的立方体法计算粗糙表面分形维数结果。
具体实施方式
具体操作步骤
a.借助三维激光扫描对组合材料接触面的表面形态进行扫描，得到接触面的三维扫描影像和点云数据；
b.将三维激光扫描试验得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态；
c.采用分形维数对接触面粗糙度进行量化，并利用改进的立方体覆盖法计算分形维数。利用Matlab软件对分形维数的计算过程进行程序化处理，获得分形维数的计算程序；
d.将通过三维激光扫描和Winsurf软件处理后的得到的接触面数据点导入编写的计算程序中，计算接触面的分形维数，即接触面粗糙度。
实例说明
针对全尾砂胶结充填体—混凝土接触面对该计算方法进行说明。
a.借助三维激光扫描对接触面的表面形态进行扫描，如图1所示；
b.将三维激光扫描试验得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态，如图2所示；
c.基于改进的立方体覆盖法计算分形维数并利用Matlab软件对其进行程序化处理。采用5个不同观测尺度δ(δ1＝5×10-4m，δ2＝9×10-4m，δ3＝2×10-3m，δ4＝4×10-3m，δ5＝8×10-3m)进行覆盖，分别计算覆盖整个粗糙表面所需的立方体总数。随后将得到的5组N(δ)与δ的数据分别取对数，获得的lgN(δ)～lgδ曲线，最终曲线的斜率即表示该接触面的分形维数，即D＝2.12，分形维数范围在2-3之间。如图3所示。由此说明该专利可以对接触面粗糙度进行量化，所提出的确定方法是可行的。
Claims (5)
1.一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.借助三维激光扫描对组合材料接触面的表面形态进行扫描，得到接触面的三维扫描影像和点云数据；
b.将三维激光扫描试验得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态；
c.采用分形维数对接触面粗糙度进行量化，并利用改进的立方体覆盖法计算分形维数；利用Matlab软件对分形维数的计算过程进行程序化处理，获得分形维数的计算程序；
d.将通过三维激光扫描和Winsurf软件得到的接触面数据点导入编写的计算程序中，得到接触面的分形维数，即接触面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，步骤a中，通过三维激光扫描获得任意接触面的三维影像和点云数据；三维激光扫描仪选用大尺度三维激光扫描仪器，其精度为0.1mm，量程为300mm，扫描的材料大小为150mm×150mm(长×宽)的长方体；三维激光扫描试验对材料的测量间距为δ，δ的取值范围在10-4m～10-1m的数量级上，其最大取值为9mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，步骤b中将得到的数据点导入Winsurf软件中生成接触面的粗糙表面形态。
4.根据权利要求1所述的一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，步骤c采用改进的立方体覆盖法对粗糙表面分形维数进行估算，操作步骤如下：
(1)在平面XOY上建立正方形网格，网格中每格的尺寸与三维激光扫描试验的测量间距相同，均为δ；为了在计算分形维数时使接触面表现出分形特征，δ的取值范围在10-4m～10- 1m的数量级上；
(2)在建立的正方形网格中，正方形的4个角点处分别对应4个高度h(i,j)，h(i,j+1)，h(i+1,j)和h(i+1,j+1)；1≤i,j≤n-1，n为每边的量测点数；
(3)用边长为δ的立方体对粗糙表面进行覆盖，计算覆盖区域δ×δ内的立方体个数；改进的立方体覆盖法改进了覆盖的起始位置，覆盖的起始位置在基准平面处，即为过坐标原点且与XOY面平行的平面；因此，接触面的立方体个数Ni,j依据下式进行计算：
式中，INT为取整函数；
(4)计算覆盖整个粗糙表面所需的立方体总数N(δ)，立方体总数N(δ)可依据下式进行计算：
(5)在观测尺度δ的取值范围内，由于粗糙表面具有分形性质，按照分形理论，立方体总数N(δ)与尺度δ之间关系表达为：
N(δ)～δ-D (3)
式中，D为分形维数；
(6)在观测尺度δ的取值范围内，改变观测尺度δ的数值，即改变三维激光扫描试验的测量间距或建立的正方体网格尺寸；对接触面再进行5次以上覆盖，分别计算每次覆盖时整个粗糙表面所需的立方体总数；
(7)将得到的各组N(δ)与δ的数据分别取对数，获得的lgN(δ)～lgδ曲线；根据立方体总数N(δ)与尺度δ之间的关系，曲线的斜率表示该接触面的分形维数，即接触面粗糙度；分形维数的取值范围为2＜D＜3。
5.根据权利要求1所述的一种基于分形维数的组合材料接触面粗糙度确定方法，其特征在于，步骤d中，利用Matlab软件对分形维数计算方法进行编程以获取程序化操作方法。
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2021
- 2021-10-27 CN CN202111252709.7A patent/CN114152221A/zh active Pending
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Legal Events
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