花岗石抛光表面的粗糙度、分形维数及其关系研究

对两种典型的不同晶粒度的花岗石抛光表面的分形特性和粗糙度特性进行了研究，分析了花岗石抛光表面的分形维数、粗糙度与金刚石磨盘目数的关系，同时也对组成花岗石的重要成分的分形特性及粗糙度做了分析。研究了花岗石抛光表面粗糙度与分形维数的相互关系，并对两者作为花岗石表面质量评价指标的适用性进行了讨论。     

随机结构粗糙表面的湿润性研究

依据荷叶表面具有的不规则自相似微纳双重结构,引入分形几何学构造类似荷叶的随机分形结构,建立相应的Cassie、Wenzel模型接触角方程,分析随机分形结构的分形维数和结构参数对其润湿性的影响。结果表明:分形结构表面的分形维数越大,结构越致密,接触角越大;分形结构中微/纳尺度参数之比越大,接触角也越大。然而,随机结构即使分形维数趋于最大的3.0,Wenzel模型表观接触角也不能达到超疏水的150°,Cassie模型最大表现接触角大于150°;更适合用于制备超疏水表面。     

STM研究光盘材料结构转变前后表面形貌的分形维数

采用ＳＴＭ在纳米尺度上对光盘材料结构转变前后表面微观形貌进行了研究，ＳＴＭ结合图象处理和傅利叶分析法可以较好地用于研究薄膜表面形貌的分形特征，用电子束蒸发制备的无定形态记录介质薄膜表面形貌在纳米尺度上呈现出分形特征，经加热晶化后介质薄膜发生结构转变，表面形貌的分形维数增加。     

基于分形维数的CFRP切削加工表面三维形貌评定方法

提出了基于表面灰度图像的分形维数来表征碳纤维复合材料(CFRP)加工表面形貌的方法,并进行了试验验证.结果表明,在计算尺度范围内,采用分形维数来表征CFRP加工表面形貌是可行的,切削加工表面的形貌和其分形维数密切相关,表面越粗糙,分形维数值越大;同表面粗糙度常规表征方法相比,分形维数更能全面客观描述表面的整体形貌特征.该方法只须加工表面灰度图像,数据处理速度快,有较好的实用价值.     

泡沫铝微结构的分形特及与子L隙率的关系研究

采用分形理论对泡沫铝材料微结构进行了研究,利用面积周长分维算法证明了其微结构在一定尺度内具有自相似性的分形特征.利用Siterpinski地毯模型研究了包沫铝孔隙率与分维之间的关系.研究结果表明.引入分形维数的分析模型能够较好地反映泡沫铝微结构与孔隙率之间的关系.     

ABS塑料断面形貌特征及分形分析

分析测字了ＡＢＳ塑料冲击断面的形貌特征及对应的分形维数值，结果表明，不同断面表貌特征所对应的分形维数测量值不同，ＡＢＳ无缺口冲强度随满足自相似原理的形貌特征对应的分形维数测量值增大而线性增高，不满足自相似原理的形貌特征所对应的分形维数测量值量宏观冲击强度间无明显关系，但其大小仍合理表征了相应尺度范围内的形貌的特征变化。     

无氧铜超精加工表面微观形貌的分形维数表征

单点金刚石超精密加工能够获得纳米级的低粗糙度表面。进一步的实验表明,采用该工艺进行退火态无氧铜切削,已加工表面在刀痕基础上还会出现清晰的晶界浮凸现象。传统的粗糙度概念无法有效表征与区分含有晶界浮凸信息的超精加工表面微观形貌。引入分形维数概念,采用该理论中尺码法对无氧铜超精加工表面的微观形貌进行分形维数计算;为降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息,设计表面信号带阻滤波方法。计算结果表明,超精加工后的表面分形维数包含了加工刀痕与晶界浮凸信息,由于两者尺度相近,传统的粗糙度测量无法区分其差异;采用带阻滤波与尺码法耦合方式,能够有效识别晶界浮凸特点,定量地反映微观尺度下超精加工表面的形貌特征信息。     

复合评定法在三维粗糙表面评定中的应用

提出一种将双树复小波与分形理论相结合的复合评定方法。即利用双树复小波近似的平移不变性和方 向性好等优点,将信号分解成更为细腻的低频和高频信号,同时根据多尺度下信号分形维数的不变性,利用图像灰 度值自相关求得高低频信号的分形维数,通过计算高低频信号分形维数之间的差值（即分形维数距)来确定双树复 小波的分解尺度。仿真结果表明复合评定法可以较好地提取基准面,且分形维数距确定分解层数的准确性通过均 方根*Sq值得到了验证;两个实例均说明,复合评定法可以很好地提取具有分形特征的纳米级三维粗糙表面基准或 波纹度,为实际工程表面评定提供了可靠的理论基础。     

界面分形参数对法向接触刚度影响的研究

基于最小二乘法将分形表面简化为三角函数的叠加,采用弹塑性有限元方法计算界面的接触刚度,定量表征了法向接触压力、法向接触变形及法向接触刚度的关系,研究结果揭示了粗糙面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度的影响机制。结果表明:存在基体最优建模厚度,可有效提高粗糙面接触刚度的计算效率;法向接触刚度随法向接触变形及法向接触压力的增加呈现非线性增加趋势;表面分形维数和特征尺度参数对法向接触刚度影响显著,法向接触刚度随分形维数增加而增加,但随特征尺度参数增加而减小。     

机械结合面切向接触刚度的三维分形理论建模

将微凸体的弹塑性变形区进一步划分,并考虑三维结合面形貌的W-M函数,推导了三维机械结合面切向分形接触刚度的理论模型。数值模拟了结合面的三维切向接触刚度随着分形维数D、分形尺度系数G、材料特征参数间的变化趋势,以及二维分形和三维分形间的对比分析。仿真结果显示:机械结合面的三维切向接触刚度与法向载荷和材料特征参数成单调递增关系,与分形尺度系数成单调递减关系;而其与分形维数之间以D=2.5为界,依次成递增与递减关系;三维分形下的结合面切向接触刚度大于二维分形下的结合面切向接触刚度。切向接触刚度模型的构建可为后续粗糙表面接触非线性动力学及整机动力学模型的建立提供基础。     

整体式载体的分形研究

整体式Al2O3载体结构实测结果表明,虽然不同组分、不同条件下形成的块体具有不同的结构,但孔隙尺寸均满足分形标度律,是一种分形.本文构造了整体式载体分形体,提出了整体式载体的一种分形模型--蜂窝分形体,导出了关联表面积和体积增量的分形表达式,并分析了表面分维数的几何意义.本文在测得载体孔径分布的基础上,利用该模型的表面积与体积增量分形表达式,从压汞法的实验数据,研究了整体式载体分维数:实验得到的比表面积、体积增量及样品制备条件、孔隙尺寸等性能与分维数的关系,与模型提出的结论符合得很好,此方法对优化制备条件与块状载体的性能有重要意义.     

混凝土断裂面多重分形谱的二次拟合研究

基于混凝土断裂面的分形特性,采用Weierstrass-Mandelbrot (W-M)分形曲面法构造了具有不同分形特征参数的混凝土分形断裂面;对比研究了混凝土分形断裂曲面的多重分形特性,得到了混凝土分形断裂面的多重分形谱曲线。针对混凝土多重分形谱曲线的几何特性,利用最小二乘法对混凝土分形断裂面的多重分形谱进行了二次拟合;对拟合结果进行了定量分析,并对拟合函数进行改进,从而实现了对混凝土断裂面多重分形谱曲线的简化计算。试验结果与拟合结果的对比研究显示,该文所提出的多重分形谱拟合方法能够较好地实现对混凝土断裂面的多重分形谱曲线的模拟,并对多重分形谱的变化规律和趋势进行较为精确的表达。研究成果对研究混凝土断裂面的形成规律乃至混凝土结构或构件的优化设计提供了一种新的思路和方法。     

爆破振动信号时频特征的三维分形特性研究

为进一步研究爆破振动信号能量特征,基于小波包变换方法对爆破振动信号时频能量特征进行分析。在二维矩形盒维数模型的基础上建立了计算三维曲面分形盒维数模型,并计算得到实测爆破振动信号时频能量谱的三维分形盒维数D3d=2.148 8。该分形维数满足空间分形条件2D3d3,验证了爆破振动信号时频能量谱具有三维分形特征。经研究三维分形曲面盒维数D3d与其剖面二维分形盒维数D2d之间的数值关系,表明计算空间分形曲面分维数的常规假设D3d=D2d+1并非严格成立。研究表明,所提出的长方体覆盖空间曲面的分形维数计算方法可行、有效,为进一步研究爆破振动信号特征、控制爆破地震效应提供了新的研究思路。     

取样长度与间隔对花岗石磨削表面分形维数计算的影响

利用高斯滤波对花岗石磨削表面轮廓数据进行处理，再用结构函数分析法，对不同取样长度及不同取样间距时花岗石磨削表面轮廓的分形特性进行了研究，分析了取样长度及取样间距对花岗石磨削表面轮廓分形参数计算结果稳定性的影响，确定了花岗石磨削表面分形参数计算的合适尺度。     

Multirange Fractals in Materials: Applications to Fracture and Mechanical Alloying under Ball Milling

A new model of multirange fractals is proposed to explain the experimental results observed on the fractal dimensions of the fractured surfaces in materials. A new expIanation to the WilIiford's multifractal curve on the relationship of fractal dimension with fracture properties in materials has been given. It shows the importance of fractorizing out the effect of fractal structure from other physical causes and separating the appropriate range of scale from multirange fractals.Mechanical alloying process under ball milling as a non-equilibrium dynamical system has been also analyzed     

基于分形理论的自动舵液压阀故障诊断方法研究

针对自动舵液压阀工作过程中存在的非线性问题,提出一种以阀芯位移信号分形特征为判据的故障诊断方法,并研究了分形特征参数——关联维数的计算方法和参数的选择。在建立液压阀数学模型的基础上,对液压阀正常和故障进行仿真,通过确定时间延迟、嵌入维数和无标度区,计算阀芯位移数据的关联维数。结果表明:不同状态的关联维数值具有明显的可分性,可以定量表征液压阀的工作状态,进而达到装备故障诊断的目的。     

Fractal characteristics of dendrite and cellular structure in nickel–based superalloy at intermediate cooling rate

The fractal characteristics of dendrite and cellular structure of nickel-based superalloy K5 are investigated under directional solidification. Results show that the fractal dimension of the dendrite increases from 1.228 to 1.418 as the withdraw speeds change from 40 to 264 µm/s, whereas the fractal dimension of the cellular changes little as the withdraw speeds from 600 to 952 µm/s. The physical significance of the fractal dimension is analyzed by fractal theory. Based on this, a new idea is proposed that both the fractal dimension and the dendrite arm spacing or cellular spacing be considered to describe the evaluation of the solidification structure completely and integrally.     

Fracture surface topography and fracture mechanism in austenitic SUS316 steel plates fatigued by repeated bending

Fatigue experiments were carried out using the austenitic SUS316 steel plates (the average grain diameter is about 1.3 × 10⁻⁵ m) by repeated bending. The three-dimensional fatigue fracture surfaces were then reconstructed using stereo pairs of scanning electron micrographs by the stereo matching method. Striations were observed on the stage II fatigue fracture surface, while fine slip steps were found on the stage I fatigue fracture surface. The averaged value of the fractal dimension of stage I fracture surface was about 2.2 and was almost the same as that of stage II fracture surface when the fractal dimension was measured in the length scale range smaller than about one grain-boundary length (about 8 × 10⁻⁶ m). This may be attributed to the fact that both fracture surfaces were formed by the same mechanism, namely, slipping-off. According to the two-dimensional fractal analysis, both stage I and stage II fatigue fracture surfaces did not exhibit anisotropy in the length scale range of the fractal analysis smaller than about one grain-boundary length in the SUS316 steel. The fractal dimension of the fatigue fracture surface increased with decreasing the magnification of images when the maximum length scale of the fractal analysis was extended to the size of analyzed area. Magnification dependence of the fractal dimension was associated with large steps and ledges, which were not “typical” fractals.     

The possibility of using platinum foils with a rippled surface as diffraction gratings

The atomic structure and surface relief of thin cold-rolled platinum foils upon recrystallization annealing and loading under ultrahigh vacuum conditions have been studied by low energy electron diffraction (LEED), atomic force microscopy (AFM), and scanning tunneling microscopy (STM). The surface of samples upon high-temperature annealing and subsequent uniaxial extension of recrystallized Pt foils represents a fractal structure of unidirectional ripples on various spatial scales. The total fractal dimension of this surface is D _GW = 2.3, while the fractal dimensions along and across ripples are D _‖ ≈ 1 and D _⊥ ≈ 1.3, respectively. The optical spectra of a halogen lamp and a PRK-2 mercury lamp were recorded using these rippled Pt foils as reflection diffraction gratings. It is shown that Pt foils with this surface relief can be used as reflection diffraction gratings for electromagnetic radiation in a broad spectral range.