構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是研究地質(zhì)構(gòu)造的一種有效方法，是幫助地質(zhì)學(xué)家研究構(gòu)造變形過(guò)程和形成機(jī)制的重要手段。構(gòu)造物理模擬的實(shí)質(zhì)是根據(jù)相似性原理，在砂箱等實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，通過(guò)模擬構(gòu)造形成過(guò)程，研究地質(zhì)構(gòu)造的成因和演化機(jī)理，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的成因進(jìn)行定性和定量分析。本課題的目的是在綜合國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)造物理模擬的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并研制滿足相似理論的實(shí)驗(yàn)裝置。 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置是一套機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；論文在對(duì)主要地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象與成

2、因分析的基礎(chǔ)上，從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，總結(jié)了地質(zhì)體形成的受力與變形規(guī)律，提出了實(shí)驗(yàn)裝置加載單元應(yīng)該具有的基本功能；按照相似性理論，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，完成了加載系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)體、底摩擦儀等部分的概念設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞糠侄闻c隆起加載模塊，可實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)和分段變形地質(zhì)體的構(gòu)造變形模擬，該模塊的深度方向動(dòng)力加載功能，實(shí)現(xiàn)了刺穿、窟窿等構(gòu)造現(xiàn)象的模擬；設(shè)計(jì)的底部摩擦儀

3、模塊，可完成大洋板塊俯沖構(gòu)造和無(wú)限長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的走滑物理模擬；可調(diào)向、變位置式加載小車模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷亩帱c(diǎn)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(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)、力加載單元，可實(shí)現(xiàn)位移、速度的精確控制，使實(shí)驗(yàn)由定性向半定量、定量化發(fā)展；這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，極大地?cái)U(kuò)展了地質(zhì)工作者的實(shí)驗(yàn)?zāi)M領(lǐng)域。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械加載單元實(shí)現(xiàn)的功能，論文重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)裝置電氣控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，論述了控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，

4、以整個(gè)系統(tǒng)為對(duì)象，優(yōu)化組合，開(kāi)發(fā)了基于可編程序控制器的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)采用“分散控制、集中管理”結(jié)構(gòu)，既與實(shí)驗(yàn)裝置模塊化的體系相適應(yīng)，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，實(shí)現(xiàn)了易操作、便維護(hù)、易擴(kuò)展、便升級(jí)的目的。 為了獲得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中地質(zhì)體頂面變形的完整數(shù)字記錄信息，實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程的反演，論文首次將光學(xué)三維輪廓術(shù)測(cè)量技術(shù)引入構(gòu)造物理模擬測(cè)量，為解決實(shí)驗(yàn)砂箱邊界陰影、實(shí)驗(yàn)體頂面變形復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)濾波、質(zhì)量圖、相位展開(kāi)、標(biāo)定等環(huán)

5、節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新；針對(duì)傅里葉變換輪廓術(shù)測(cè)量復(fù)雜頂面形狀時(shí)，出現(xiàn)頻率混疊的問(wèn)題，使用了多種濾波方法對(duì)變形光柵圖進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)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(cè)量精度和測(cè)量范圍；針對(duì)傳統(tǒng)相位展開(kāi)算法出現(xiàn)的拉線現(xiàn)象，提出了基于背景梯度-相位導(dǎo)數(shù)偏差質(zhì)量圖、結(jié)合邊緣檢測(cè)信息的兩種相位展開(kāi)新算法，克服了相位展開(kāi)中的誤差傳遞問(wèn)題，有效地恢復(fù)了實(shí)驗(yàn)體頂面三維信息；文中還提出了一種具有較高標(biāo)定精度和效率的新三維輪廓

6、術(shù)系統(tǒng)標(biāo)定方法-基于BP和RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的兩段式相位測(cè)量輪廓術(shù)標(biāo)定技術(shù)，提高了測(cè)量精度；通過(guò)上述研究，基本實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體頂面變形信息的數(shù)字記錄，為實(shí)驗(yàn)反演奠定了基礎(chǔ)。在進(jìn)行構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)剖面變形測(cè)量、記錄時(shí)，本文以砂箱側(cè)面獲取的剖面圖像為研究對(duì)象，建立了一種小波域與空域相結(jié)合的二維圖像預(yù)處理技術(shù)，取得了較好的圖像處理效果；以數(shù)字圖像處理為工具，運(yùn)用灰度變換、圖像濾波、二值圖像處理、目標(biāo)獲取、地質(zhì)類型判斷等技術(shù)，編制了地質(zhì)構(gòu)造類型的定量判