结构损伤一致多尺度模拟和分析方法

以一个重要的大跨桥梁为工程背景,基于非线性有限元分析软件ABAQUS,研究了大跨结构以损伤分析和状态评估为目标的结构多尺度模拟中的一系列关键理论和技术问题,包括多尺度建模方法和策略、基于子结构方法和基于多点约束衔接方法的多尺度建模过程,结构一致多尺度模型的修正和验证,以及应用多尺度模型进行结构损伤分析的方法与策略.研究结果表明,应用所提出的大跨结构一致多尺度建模方法和策略,能够有效地建立适用于实际大跨桥梁结构损伤分析的多尺度有限元模型,满足不同尺度下结构特性分析和局部损伤演化过程仿真计算的需要.而基于多尺度模型进行的局部疲劳损伤累积的仿真分析结果表明,发生于局部焊接细节的疲劳损伤与结构的局部应力响应之间有较大的耦合作用,在结构的多尺度损伤分析过程中应予考虑才能得到比较准确的寿命评估结果.     

描述微裂纹成核与扩展的疲劳损伤多尺度模型及其应用

利用多尺度模拟的方法建立了针对疲劳损伤累积过程中微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤多尺度模型,对模型的有效性进行了实验验证,并将其应用于变幅疲劳载荷下某装甲车传动轴的疲劳寿命评估中.研究结果表明,所提模型能同时预测宏观尺度疲劳损伤与细观尺度微裂纹的成核与扩展率,利用该模型所预测的宏观疲劳损伤值与实验所测值相符.该模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程,又能综合反映细观尺度下微裂纹的成核与扩展行为.利用这种多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段所消耗的疲劳寿命,为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供了一种新途径.     

TiC颗粒增强钛基复合材料宏细观力学性能分析

结合均匀化理论与不动点迭代法,提出了均匀化方法用于解决周期性多尺度问题的有限元框架,建立了具有典型微观结构的TiC颗粒增强钛基复合材料的单胞有限元模型.从宏观尺度出发采用不动点迭代方法给出了微观尺度下单胞有限元的位移边界条件,对其拉伸力学性能进行了数值模拟研究.给出了TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下的宏观等效力学性能,并与实验结果进行对比,验证了该方法的有效性和可靠性.     

结构损伤多尺度描述及其均匀化算法

为了解局部细节含细观缺陷结构在劣化初期的力学行为,建立了结构损伤在细、宏观尺度下的分析模型.基于均匀化方法和连续损伤力学框架,提出了一个可实现跨越细、宏观尺度结构损伤演化过程分析的均匀化算法.算例分析说明了所提出的结构损伤多尺度描述及其算法的可行性和必要性.研究结果表明:考虑结构中含细观缺陷部位的细观损伤描述和所建立的结构损伤多尺度算法,可对结构实现跨细、宏观尺度的应力、应变、损伤等力学量的同时获取,从而能够同时获得结构局部的细观损伤状态、演化过程及其对结构宏观应力应变响应与失效的影响.随着局部细观损伤的发展将导致构件整体力学性能的下降,这种考虑由于结构自身固有特点存在易损部位的结构损伤多尺度分析,对于正确认识结构的损伤失效行为是非常必要的.     

基于均匀化理论的页岩基质流固耦合尺度升级

页岩基质通常由微尺度的有机质和无机质组成,由于这两种介质的力学性质差异较大,且气体在两者中的赋存方式和流动机制均不相同,要准确刻画气体在页岩基质中的流固耦合过程,需针对两种介质建立不同的微尺度模型,但由于计算效率问题,微尺度模型无法直接用于宏观模拟。基于均匀化理论建立一种页岩基质流固耦合尺度升级方法,将微尺度上有机质和无机质各自特征有效地表征到宏观模拟中。首先,将页岩基质看成是由有机质和无机质组成的非均质多孔弹性介质,考虑真实气体在这两种介质中不同的赋存方式和流动机制,建立微尺度流固耦合模型;然后,采用均匀化理论进行尺度升级,推导得到页岩基质的宏观等效流固耦合模型,并给出相关等效参数的定义和计算方式;最后,通过数值算例验证方法的正确性,并分析有机质力学性质、体积分数和分布对页岩气藏宏观流固耦合数值模拟的影响。结果表明有机质弹性模量越小、无机质连通性越好,累积产气量越高,而有机质体积分数越高,早期的累积产气量越低,后期的累积产气量越高。     

复合材料板热传导问题的二阶双尺度算法

给出了具有三维周期结构的复合材料板热传导问题的二阶双尺度算法。首先,从三维的复合材料板模型出发定义局部单胞函数。根据得到的局部单胞函数计算出等效的均匀化参数,进而得到均匀化方程。其次,利用温度的积分投影近似求解均匀化方程的均匀化解。最后,利用均匀化解和局部单胞函数构造出复合材料板热传导问题的二阶双尺度近似解。     

复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度计算方法

给出了具有三维周期结构的复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度计算方法。首先,从三维的时间分数阶对流扩散问题出发定义局部单胞函数。根据得到的局部单胞函数计算出等效的均匀化参数,进而得到均匀化方程。其次,利用积分投影近似求解均匀化方程的均匀化解。最后,利用均匀化解和局部单胞函数构造出复合材料板时间分数阶对流扩散问题的二阶双尺度近似解。     

基础隔震结构连续化模型研究

根据建筑的变形特征,基于连续化分析方法将规则基础隔震结构的上部结构等效为悬臂Timoshenko梁进行分析.根据铁木辛柯梁理论建立基础隔震连续化模型运动方程,求解隔震悬臂梁的周期和振型,推导连续化模型的正交条件,利用振型叠加方法求解结构的地震响应.连续模型基本动力参数分别采用粒子群优化算法和差分进化法进行计算,优化目标取上部结构前两阶周期等效.分析表明,粒子群算法、差分进化法的前期收敛速度较快;到优化迭代中期,粒子群算法收敛速度比差分进化算法快;在优化迭代后期,粒子群算法和差分进化算法优化结果相近.最后,对工程算例的有限元模型和连续化模型进行动力特性及地震作用分析,结果表明,两种模型位移时程、加速度时程、峰值位移、峰值加速度的分布规律基本一致.基于Timoshenko梁理论建立的连续化模型适用于多层和高层基础隔震结构分析.采用连续化模型进行分析计算精度高、算法简洁、便于参数分析及地震响应预测.     

面向结构安全评估的大跨斜拉桥基准有限元模型

探讨了以结构安全评估为目标的大跨斜拉桥基准有限元模型建立与修正的策略与方法.采用基于灵敏度分析的模型参数修正方法建立并修正了润扬大桥斜拉桥的整体动力分析模型.在此基础上建立了扁平钢箱梁的局部应力分析模型,并采用子模型方法进行钢箱梁整体尺度与局部尺度之间的跨尺度衔接.分析结果表明,润扬大桥斜拉桥多尺度有限元模型的计算结果与实桥测试结果吻合良好,说明该多尺度模型能够较好地满足桥梁结构损伤诊断与状态评估的技术要求,可以作为该桥结构安全评估的基准有限元模型.     

基于两阶段响应面方法的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型修正

以灌河大桥为工程背景,建立了结构精细有限元模型和多尺度有限元模型,并进行全桥环境振动试验,以获取结构的实测动力特性.基于两阶段响应面方法,分别对多尺度模型与精确有限元模型之间的误差和初步修正后多尺度模型与实际结构之间的误差进行修正,并将修正后结果与实测值进行比较.结果表明:经过两阶段响应面模型修正后的计算结果与实测结果吻合较好,最大频率相对误差不超过8%,模态保证准则MAC值基本在90%以上,说明两阶段响应面方法能够较好地进行多尺度模型修正,保证修正后的模型参数仍然具有其物理意义;修正后的有限元模型可以进一步应用于多尺度损伤识别及损伤预后,服务于桥梁健康监测及安全评估.