仿生人工木材的研究进展

天然木材是地球上丰富的自然资源,具有优异的力学特性与美学特征,也是一种独特的工程材料;同时,由木材衍生出来的一些多功能复合材料,也被广泛地应用于各个领域。但是,天然木材这种生物质资源也有很多缺陷,其形貌以及性质易受环境等外在因素的影响而发生改变,并且由于生长周期过长,木材的供给量不能满足日益增长的需求量。受天然木材独特的分级多孔结构和化学成分的启发,研究人员通过利用先进的仿生合成技术进行自组装实验设计,研制出具有与天然木材分级多孔结构相似、力学性能更好的仿生人工木材。相比于天然木材,仿生人工木材在力学性能、功能性、智能性、防腐蚀、防火方面上优势明显。笔者从设计原理、制备方法、功能化设计等方面阐述了仿生人工木材的研究进展,为发展具有天然木材独特各向异性结构的高性能仿生工程材料提供参考,同时也分析了仿生人工木材现阶段发展所面临的问题、挑战以及进一步发展方向。     

变温马氏体相变细观选择性的初步研究

变温马氏体相变的相变驱动力由化学驱动力和力学驱动力组成。本文从细观角度出发,提出在假设每一晶粒存在几率相同的内部缺陷及每个晶粒保持单一种类相的基础上,对于吉布斯自由能相等(即温度相同)的晶粒,形状改变比能对晶粒是否发生相变起着选择性的作用。并以此为基础通过有限元法分析,给出了45#钢临界形状改变比能与温度的关系。     

耦合各向异性蠕变损伤的黏弹性薄板的弯曲

设损伤张量的主方向与应力张量主方向相同,基于Schapery的耦合损伤增长的对应原理,得到考虑各向异性蠕变损伤的黏弹性本构关系.将薄壁结构沿厚度方向分层,建立层合模型,且由Kachanov的损伤演化方程描述损伤沿层中各点处2个主方向的发展.具体分析了承受均布荷载的四边简支黏弹性薄板的弯曲,给出耦合各向异性损伤黏弹性薄板蠕变弯曲问题的控制方程、边界条件以及求解方法.数值算例表明:黏弹性薄板弯曲时的材料主方向与时间基本无关;当荷载在一定范围内时由于内力的重新分布,考虑损伤后的黏弹性薄板挠度最后趋于稳态值;损伤沿厚度方向的非均匀演化引起拉弯耦合效应增加了板的变形;基于各向同性损伤模型所得板的蠕变变形大于各向异性损伤模型所给出的值.     

各向异性地层中随钻地层测试压力响应数值模拟

在随钻地层测试器测试过程中,钻井液动态侵入和地层各向异性会导致不同的压力响应特征,并直接影响地层压力测试结果的解释精度。为此,基于各向异性多孔介质渗流理论,建立了钻井液侵入条件下横观各向同性地层随钻地层测试压力响应数学模型,采用有限元方法对模型进行求解,通过与经典解析解对比进行了模型验证,并分析了渗透率各向异性、地层产状、抽吸间歇时间、抽吸探头半径对随钻地层测试压力响应的影响规律。结果表明：在抽吸前阶段,地层各向异性和地层产状对钻井液侵入导致的井周增压影响较大;在压力恢复阶段,由于井周地层增压作用的影响,测试压力响应初始值会高于原始地层压力,且压力呈先升高后降低的演化趋势;渗透率各向异性程度越小、地层倾角和倾向越小,抽吸压降阶段的压力响应初始值越大、压降值越大、压力恢复速率越低;抽吸间隔时间和抽吸探头半径对压力响应也有一定影响,抽吸间隔时间越小,测试初始压力越大,探头半径越大,压力恢复速率越快。揭示了渗透率各向异性对随钻地层测试压力响应的影响规律,研究结果可为随钻地层测试结果解释和地层参数反演提供理论依据。     

番茄图像保纹理降噪的各向异性动态扩散模型研究

针对番茄图像进行各向异性扩散降噪研究。首先在2-范数梯度阈值计算方法基础上引入图像的局部灰度方差,提出了一种梯度阈值计算方法。其次采用结构相似性(SSIM)作为迭代停止准则,实现了迭代次数的自适应选取,构建出用于番茄图像保纹理降噪的各向异性动态扩散模型。最后在噪声标准差为5、10、15、20、25、30不同情况下,进行2组对比试验。第1组试验结果表明,采用SSIM作为迭代停止准则是有效的、稳定的。第2组试验从峰值信噪比(PSNR)和梯度模值相似性偏差(GMSD)两方面对降噪后的图像质量进行客观评价,并与P-M模型、2-范数模型相比较,结果是所提模型的PSNR平均值最高且GMSD平均值分别降低了15.5%、19.1%,说明采用所提模型降噪后的番茄图像降噪效果有所改进并且与原始图像比较接近;从视觉效果上,采用结果是所提模型降噪后的番茄图像纹理保留较多且清晰。因此,提出的各向异性动态扩散模型在降噪的同时保留了图像纹理,为番茄后期的品质检测奠定了基础。     

树木生长应力与测试分析（Ⅱ）—非均质各向异性体

假定树干为非均质各向异性体，利用各向异性厚壁圆筒理论，并考虑了实际树干髓心的不对称性，推导出以树干髓心为原点的极坐标，在三个坐标轴方向的生长应力分布方程，讨论了不对称性对生长应力的影响。通过对小兴安岭林区兴安落叶松和白桦树的实验，实测了生长应力的分布状态，并与理论结果进行了比较。     

纤维增强复合材料非线性蠕变流动特性

视基体材料为各向同性非线性蠕变体；纤维材料为各向同性线弹性体，基于Ａｂｏｕｄｉ胞元模型对纤维增强复合材料的蠕变特性进行了细观分析。提出并用蠕变面函数讨论复合材料的正交各向异性蠕变流动特性。     

正交各向异性木质平板在均布载荷下挠曲面的研究

胶合板、细木工板、刨花板等用作家具及木结构构件时的变形,可按正交各向异性平板理论进行理论分析,且用微分方程来描述。本文通过广义简支边法和直接求解法,对在均布载荷下,两对边简支,另两对边自由的正交各向异性平板弯曲微分方程的解进行了理论推导及分析。得出如下结论:①两种推导方法所得结果可变换成完全相同的表达形式;②不同条件下级数解的收敛速度均很快;③纠正了日本学者平岛义彦关于此问题研究的部分失误;④理论计算值与部分实测值之间尚存在一定偏差,有待于进一步研究。     

典型阔叶红松林叶面积指数的空间异质性

目的探讨叶面积指数(LAI)的空间异质性及其影响因素，以期为准确地获得局域、区域等大尺度上LAI的空间分布特征提供参考依据。方法依托黑龙江丰林国家级自然保护区30hm2典型阔叶红松林动态监测样地，首先通过LAI与胸高断面积间的经验模型得到阔叶红松林内红松、冷杉、紫椴、硕桦、裂叶榆和色木槭6种主要树种及林分水平上的LAI，然后采用半方差函数和Kriging空间插值等地统计学方法分析LAI的空间异质性特征以及与地形因子(海拔、坡度、坡向和曲率)的相关关系。结果主要树种LAI的变异系数均大于10%，具有中等或强变异性，且变异程度表现为裂叶榆>硕桦>紫椴>红松>色木槭>冷杉。红松LAI的空间结构比(块金值(C₀)/基台值(C₀+C))为0.50，具有中等程度的空间自相关，而其他5个树种的比值均低于0.25，具有强烈的空间自相关；主要树种LAI的变程范围为24m(紫椴)~126m(红松)。红松、裂叶榆和色木槭的空间异质性具有较明显的各向异性结构特点，且红松的LAI在240m尺度范围内时，东西方向(0°)上的空间异质性明显大于南北方向(90°)，240m以后出现相反的结果。红松的LAI与海拔、坡度、坡向和曲率4个地形因子均呈极显著正相关(P＜0.01)，其他树种的LAI与地形因子也表现出不同的相关关系。结论LAI的空间异质性不仅与研究尺度相关，而且与方向相关；地形因子对LAI空间分布的影响存在种间差异，但整体来看，4个地形因子均对LAI的空间分布存在显著影响。      

树木生长应力与测试分析（Ⅱ）─—非均质各向异性体

假定树干为非均质各向异性体，利用各向异性厚壁圆筒理论，并考虑了实际树干髓心的不对称性，椎导出以树干髓心为原点的极坐标，在三个坐标轴方向的生长应力分布方程．讨论了不对称性对生长应力的影响。通过对小兴安岭林区兴安落叶松和白桦树的实验，实测了生长应力的分布状态，并与理论结果进行了比较。