構造物理模擬實驗裝置關鍵技術研究.pdf

1、構造物理模擬實驗是研究地質(zhì)構造的一種有效方法，是幫助地質(zhì)學家研究構造變形過程和形成機制的重要手段。構造物理模擬的實質(zhì)是根據(jù)相似性原理，在砂箱等實驗環(huán)境內(nèi)，通過模擬構造形成過程，研究地質(zhì)構造的成因和演化機理，對地質(zhì)構造的成因進行定性和定量分析。本課題的目的是在綜合國內(nèi)外同類設備優(yōu)缺點的基礎上，對構造物理模擬的關鍵技術進行研究，并研制滿足相似理論的實驗裝置。 構造物理模擬實驗裝置是一套機電一體化實驗系統(tǒng)；論文在對主要地質(zhì)構造現(xiàn)象與成

2、因分析的基礎上，從動力學和運動學的角度，總結了地質(zhì)體形成的受力與變形規(guī)律，提出了實驗裝置加載單元應該具有的基本功能；按照相似性理論，運用模塊化設計方法，完成了加載系統(tǒng)、實驗臺體、底摩擦儀等部分的概念設計，確定了裝置的功能和基本參數(shù)，給出了系統(tǒng)的總體方案和各分功能模塊的結構設計。設計的實驗模型底部分段與隆起加載模塊，可實現(xiàn)非均質(zhì)和分段變形地質(zhì)體的構造變形模擬，該模塊的深度方向動力加載功能，實現(xiàn)了刺穿、窟窿等構造現(xiàn)象的模擬；設計的底部摩擦儀

3、模塊，可完成大洋板塊俯沖構造和無限長運動的走滑物理模擬；可調(diào)向、變位置式加載小車模塊，實現(xiàn)了對實驗模型的多點多方向加載，與底部加載單元聯(lián)合使用，可模擬地質(zhì)體三維受力狀態(tài)；伺服驅動的運動、力加載單元，可實現(xiàn)位移、速度的精確控制，使實驗由定性向半定量、定量化發(fā)展；這些結構設計的創(chuàng)新，極大地擴展了地質(zhì)工作者的實驗模擬領域。 根據(jù)實驗裝置機械加載單元實現(xiàn)的功能，論文重點介紹了實驗裝置電氣控制系統(tǒng)的總體方案設計，論述了控制系統(tǒng)的關鍵技術，

4、以整個系統(tǒng)為對象，優(yōu)化組合，開發(fā)了基于可編程序控制器的分布式運動控制系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)采用“分散控制、集中管理”結構，既與實驗裝置模塊化的體系相適應，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，實現(xiàn)了易操作、便維護、易擴展、便升級的目的。 為了獲得實驗過程中地質(zhì)體頂面變形的完整數(shù)字記錄信息，實現(xiàn)模擬過程的反演，論文首次將光學三維輪廓術測量技術引入構造物理模擬測量，為解決實驗砂箱邊界陰影、實驗體頂面變形復雜等問題，對濾波、質(zhì)量圖、相位展開、標定等環(huán)

5、節(jié)進行了改進創(chuàng)新；針對傅里葉變換輪廓術測量復雜頂面形狀時，出現(xiàn)頻率混疊的問題，使用了多種濾波方法對變形光柵圖進行處理，實驗表明采用漢寧濾波和小波多分辨率特性提取有效分量，抑制了頻譜混疊，提高了測量精度和測量范圍；針對傳統(tǒng)相位展開算法出現(xiàn)的拉線現(xiàn)象，提出了基于背景梯度-相位導數(shù)偏差質(zhì)量圖、結合邊緣檢測信息的兩種相位展開新算法，克服了相位展開中的誤差傳遞問題，有效地恢復了實驗體頂面三維信息；文中還提出了一種具有較高標定精度和效率的新三維輪廓

6、術系統(tǒng)標定方法-基于BP和RBF網(wǎng)絡結合的兩段式相位測量輪廓術標定技術，提高了測量精度；通過上述研究，基本實現(xiàn)了地質(zhì)體頂面變形信息的數(shù)字記錄，為實驗反演奠定了基礎。在進行構造物理模擬實驗剖面變形測量、記錄時，本文以砂箱側面獲取的剖面圖像為研究對象，建立了一種小波域與空域相結合的二維圖像預處理技術，取得了較好的圖像處理效果；以數(shù)字圖像處理為工具，運用灰度變換、圖像濾波、二值圖像處理、目標獲取、地質(zhì)類型判斷等技術，編制了地質(zhì)構造類型的定量判