结构行为一致多尺度有限元模型修正及验证

研究面向结构健康监测和损伤评估的含局部细节的结构多尺度有限元模型的修正和验证方法.以实验室的大跨桥梁结构钢箱梁纵向加劲桁架缩尺试样为研究平台,具体讨论了多尺度模型修正和验证的实施过程.首先分析了影响此结构多尺度模型精度的一些因素,如边界约束刚度、焊趾及其附近的几何及材料参数等,然后采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行修正,并通过不同于修正过程的加载工况和不同位置处的实测数据从动力特性和静力响应等多方面对所建的结构多尺度有限元模型进行了验证.结果表明:基于子结构方法建立的结构行为一致多尺度模型是有效的.     

面向结构状态评估的多尺度损伤模型

为了满足大跨结构健康监测和状态评估的需要,提出了计算结构损伤破坏的微宏观多尺度损伤模型.将结构微损伤变量定义为物质点处应力水平的函数,建立了非线性有限元模型,通过迭代求解来实现微损伤的耦合分析.为了考虑微损伤的累积效应,将结构的宏观损伤定义为微损伤的空间统计平均,选取均匀化遍历函数作为微损伤的空间分布概率密度函数,建立了宏微观损伤的关联模式,通过响应等效的方法来验证宏微观损伤关联模式的有效性.计算结果表明:耦合迭代求解技术可以降低微损伤分析过程中的网格敏感性;结构在均匀化宏观损伤下的响应与在非均匀微损伤下的响应吻合良好.采用多尺度损伤模型,可以有效实现结构的局部微损伤向均匀化宏观损伤的等效转换,有助于提高面向结构状态评估的有限元模型的计算效率.     

基于多尺度模拟的网壳结构地震损伤过程分析

近年来突发事件作用下网壳结构的倒塌事故屡有发生,如何开展此类结构在地震作用下的抗倒塌机理研究已成为确保工程结构安全的重要课题之一。为研究地震作用下空间网格结构的倒塌过程及破坏行为,进而揭示结构的倒塌机理,以网壳结构为研究对象,基于结构多尺度模型,模拟网壳结构地震作用下损伤演化的全过程。计算结果表明:多尺度损伤模型能够兼顾结构整体上的线弹性响应和局部易损部位上的塑性损伤特征,从而更有效地模拟结构的损伤破坏过程。     

大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟

通过对桥梁结构健康监测和评估研究现状的简单评述，讨论了结构健康监测和状态评估中的关键理论与技术问题，介绍了笔者近年来在大型桥梁以健康监测和状态评估为目标的结构模拟方面开展的一系列关键理论和技术问题研究；通过对2个大跨悬索桥——香港的青马大桥和江苏的润扬长江公路大桥的有限元建模和模型修正过程，探讨了大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟的技术要求、建模方案与策略．研究表明：大跨桥梁以结构状态评估为目标的有限元模拟，必须是建立于衔接理论基础上的多尺度结构模拟．在桥梁结构整体动力响应分析确定了关键损伤构件的基础上，需进一步建立关键构件的局部模型以分析在桥梁结构全尺度有限元模型中无法模拟的细节行为，即发生于焊连接件的局部应力集中和损伤累积行为．     

大型土木结构多目标一致逼近有限元模拟方法

阐述了大型土木结构多目标一致逼近模拟中的3个关键问题,即多目标一致逼近有限元模型的建立、单目标多因素同时修正技术及多目标多因素同时修正技术,并从多目标一致逼近模拟的特征和需求等方面来探讨多目标一致逼近模拟策略.重点阐述了多目标一致逼近模拟的建模过程,即如何建立多目标一致逼近有限元模型使之能够同时满足结构损伤分析和状态评估过程中的多目标模拟和结构行为一致多尺度模拟的需求.为考证多目标一致逼近模拟方法的可行性,以焊接钢桁架结构为研究对象,具体阐述了该结构包括一级模拟目标(动力特性)、二级模拟目标(整体名义应力)和三级模拟目标(局部热点应力及其分布规律)的多目标模拟过程.研究结果表明:钢桁架结构多目标一致逼近有限元模型的模拟结果均好于多目标模拟有限元模型,尤其是三级目标的模拟更加准确.     

大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景

针对大型土木结构安全服役的迫切需求,提出了"治结构之未病"的学术理念和结构多尺度损伤预后的研究思路.指出这类结构安全的共性问题是其损伤跨越了材料、构件和结构层次,是从微/细观到宏观尺度的多尺度、跨层次非线性演化.从发展多尺度损伤预后方法的驱动力、结构多尺度损伤预后相关理论研究现状、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题与解决思路以及大型土木结构多尺度损伤预后的发展趋势等方面,综述了大型土木结构多尺度损伤预后研究的现状、研究思路与应用前景.指出结构多尺度损伤预后研究需解决的关键科学问题包括结构损伤多尺度非线性演化机理、结构遭遇极端灾害作用时损伤跨层次突变导致灾变的机理及其损伤过程预测以及大型土木结构损伤过程模拟与分析中的不确定性和预后可靠性等.最后,展望了发展结构多尺度损伤预后理论对于结构全寿命安全的应用前景.     

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.     

左心室多尺度模拟

本文给出了左心室多尺度模拟的整体框架:利用改进的Level Set模型来分割心脏核磁共振图像,进而可获得三维左心室计算模型;采用Holzapfel-Ogden非线性各向异性模型来模拟左心室心肌的被动力学响应;优化带激励电流项的Fenton-Karma细胞尺度的电势模型来模拟左心室器官的主动收缩过程.再基于推广的Immersed Boundary法,把上述左心室的被动弹性响应、主动收缩过程与血液流动进行流固耦合计算.文中给出了左心室在舒张末期、收缩末期的数值结果,与临床测量和前人所得结果相吻合,验证了本文方法的有效性.     

损伤跨尺度演化导致的混凝土强度尺寸效应

基于直接从混凝土破坏机理出发建立的混凝土材料微裂纹模型,对不同尺寸的混凝土三点弯梁试样进行了多尺度建模,对损伤演化导致的试样破坏进行了数值仿真分析,探讨了混凝土尺寸效应的发生机理.研究结果表明:混凝土材料微裂纹模型能成功模拟混凝土中微裂纹分布式生长、聚合、宏观裂纹形成与扩展、试样破坏的全过程;随着混凝土梁试样尺寸的增大,试样中的微裂纹数目及其分布的随机性也随之增加;这些裂纹在微细观尺度上的无序效应在损伤跨尺度演化过程中被放大,导致混凝土试样的宏观力学行为随之变化,即强度减小,断裂能增大,宏观性能的离散度减小;损伤跨尺度的非线性串级发展是导致混凝土强度尺寸效应的根源;相较于Bazant尺寸效应,模拟结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律.     

基于多尺度模型修正的结合梁斜拉桥损伤识别方法

以灌河大桥为工程背景,提出了基于多尺度有限元模型修正的结合梁斜拉桥损伤识别方法.首先基于现场环境振动试验结果和两阶段响应面方法对初始多尺度模型进行修正,并将修正后模型定为原始未损伤状态;进而,利用多尺度模型修正方法对结构不同部位不同程度的损伤进行识别,并探讨了模态曲率损伤指标和单元模态应变能损伤指标对不同结构尺度损伤的敏感性.分析结果表明:在不考虑噪声干扰情况下,模态曲率和单元模态应变能指标对精细小尺度单元区域主梁微小(1%)损伤均较为敏感,可识别出结构的损伤位置,而对大尺度单元区域的损伤敏感性略低;在考虑噪声干扰情况下,精细小尺度单元区域比大尺度单元区域在损伤识别方面的抗噪性更好,且模态应变能损伤指标的抗噪性略优于模态曲率损伤指标.故而提出的多尺度建模及其损伤识别方法具有应用到实际工程中微损伤识别的潜力,并为大跨结构损伤预后奠定了基础.     

基于多尺度分析的混凝土随机损伤本构关系

通过多尺度能量积分与能量损伤表达建立宏-细观尺度之间的联系,即混凝土宏观尺度的损伤演化可以通过细观单元的分析获得.根据随机细观单元的数值分析结果,积分得到基本细观单元能量的演化,分别计算受拉与受剪损伤的演化曲线.建议了实用的损伤演化公式,并基于基本单元分析获得随机损伤发展参数的均值、标准差及其概率密度分布.混凝土宏观试验的模拟结果验证了多尺度随机损伤本构模型的正确性.     

焊接结构损伤区细观裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征

为了研究焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法,以含细观裂纹的焊接构件为对象,采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术同步记录试样内部细观结构和宏观力学性能变化过程.实验发现,试样变形过程中试样在弹性模量减小的同时,其内部细观裂纹不断萌生、扩展和聚合,扩展形态表现出显著的分形特征,且分形维数随试样塑性变形呈线性增加的趋势.综合考虑裂纹扩展形态的分形维数度量与裂纹扩展的物理意义,提出了一种多尺度损伤表征方法,以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性,并用传统的损伤量化方法进行验证.结果表明,新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.     

基于需求驱动的输变电工程多尺度场景建模

针对输变电工程不同阶段所面临的多维管理问题,提出基于需求驱动的输变电工程三维模型的多尺度分级方法,并根据多尺度分级方法实现了输变电工程的多尺度场景构建。首先,采用统一建模语言(unified modeling language, UML)系统梳理输变电工程的组成要素及其相互之间的关系,并在此基础上根据输变电工程不同周期的应用需求提出输变电工程多细节层次模型。其次,运用Google SketchUp和3DS Max(3D Studio Max)建模软件构建不同尺度的输电杆塔和变电站模型,并在SuperMap软件中将三维模型与三维地形环境匹配融合构建完整的多尺度输变电工程场景。最后,通过构建某地的多尺度输变电工程场景,对所提出的尺度分级方法进行了验证。结果表明基于工程需求构建的输变电工程多尺度场景能有效地应用于不同的工程管理阶段。     

基于损伤和能量指标的隧道结构地震反应分析

采用Hilbert-Huang变换的波谱分析技术,对输入地震波进行波谱分析;并根据能量原理,推导损伤状态下的能量反应方程.基于损伤能量方程对隧道结构进行非线性地震反应分析,讨论了隧道结构的抗震薄弱部位及其渐近破坏过程.研究结果表明：隧道衬砌拱肩和墙脚是隧道抗震的薄弱部位,在一些强震作用下,仰拱也会出现破坏,隧道抗震设计应加强这些部位的抗震措施.研究结果可为隧道结构抗震设计提供依据和指导.     

混凝土结构多尺度建模界面连接方法

分别采用变形协调方法和力的平衡方法建立了混凝土单柱的多尺度模型,分析了混凝土柱在静力荷载下的内力分布特征及动力荷载下的变形性能,并对多尺度模型界面连接方式的合理性进行了分析.在此基础上,以某三层钢筋混凝土框架结构为例,分别建立了结构的实体模型、梁模型和力平衡界面连接下的多尺度模型;计算了多尺度模型的低周往复性能,并与试验结果进行对比,以验证力平衡界面连接方式在多尺度建模中的有效性.结果表明:在静力荷载作用下,运用力平衡方法处理界面连接较变形协调方法更符合实际受力情况;在动力荷载作用下,2种界面连接方式都是可行的.采用多尺度模型进行整体结构建模,既能可靠地实现结构整体受力行为的模拟,还能反映结构关键部位的受力性能,计算效率显著提高.     

润扬长江大桥结构损伤预警系统的设计与实现

研究了润扬长江大桥结构损伤预警系统的功能、体系结构、数据库和应用软件的设计与实现方法.提出了结构损伤预警系统的两级架构设计和两阶段实现方法,以保证结构损伤预警的实时性和准确性.建议采用Client/Server和扩展Browser/Server两种系统模式相结合的形式将结构健康监测系统与损伤预警系统相互结合,并采用MIMOSA数据库规范进行损伤预警数据库的设计.针对基于扩展Browser/Server模式的损伤预警软件特点,提出分别采用ActiveX技术和ASP技术实现客户端和服务器端应用的软件设计方法,并在此基础上编制了润扬长江大桥结构损伤预警系统软件.     

基于LINK 的结构系统建模方法研究

针对有限元和试验模态分析的局发性，探讨了一种有限元分析与动态试验相结合的模型修正方法，即基于LINK的结构系统建模方法。将计算与试验结果进行数据融合，以给定模态置信度准则为基础，进行模型的迭代修正分析，进而构造精确的结构系统动力模型，最后基于LINK方法，对梁结构进行了计算与试验相结合的建模分析，取得了良好的效果。