延性金属动态拉伸断裂的损伤演化研究

延性金属动态拉伸破坏(层裂)是跨空间尺度、跨时间、跨结构层次的多尺度耦合现象,是不可逆的、远离平衡的非线性演化过程,如何联系微观尺度上的损伤机制理解和宏观尺度上的破坏行为预测是当下学术界面临的挑战.本文结合课题组之前的工作,对延性金属动态拉伸断裂的宏观响应、损伤演化机理和物理模型构建的研究进展和现状进行了评述,从多个时空尺度对延性金属动态拉伸断裂进行全面介绍,并分析了延性金属动态拉伸断裂的跨尺度演化研究所面临的困难和挑战.     

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.     

工程结构损伤的两个重要科学问题--分布式损伤和尺度效应

工程结构的失效起始于底层,即从材料中的孤立的空洞成核开始,形成微裂纹,发展为宏观裂纹,直至整个结构破坏,因此分布式损伤和尺度效应在工程结构损伤问题中显得十分重要,本文简要介绍了一种处理分布式损伤（微损伤）的方法－“统计细观损伤力学”,以及其于该方法讨论了分布式损伤的演化规律,对于跨尺度失效问题的尺寸效应,通过分析应力波引起的损伤问题（存在2个反映尺度效应的Deborah数）,指出各类尺度耦合的机理和特征是关键点。     

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．     

双连梁短肢剪力墙结构非线性随机演化分析

在混凝土随机损伤力学研究的基本框架内,基于混凝土弹塑性损伤本构模型和概率密度演化理论,从荷载位移曲线、混凝土和钢筋应变、混凝土损伤和截面内力几个方面对双连梁短肢剪力墙结构进行了分析.分别通过样本轨道、系综数值特征和概率密度三种方式描述了结构非线性随机演化力学行为.研究表明,在结构不同层次的反应中,出现了概率密度曲面"多脊"和"多峰"的复杂演化现象,混凝土非线性与随机性耦合使得结构不同层次的反应变得复杂多样.研究同时发现,在结构受力行为演化过程中,随机性与确定性之间可以互相转化.     

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.     

三传一反多尺度

简述了化学工程科学演化的历史及其逐步扩展为过程工程的发展趋势,指出多尺度法在发展过程工程中的前景,并举例说明了这一方法的思路和有效性,最后提出了若干应当重视的问题.     

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.     

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.     

地震损伤评价的累积滞回耗能计算

从地震损伤评价的角度出发,概括常见的两种经典模型的参数计算方法及存在的缺陷,并建议研究累积滞回耗能的必要性.基于4个HRB 400级钢筋混凝土柱的低周加载试验,研究累积滞回耗能的计算方法.此外,为了进行地震损伤指数的计算,根据试验结果,建立累积滞回耗能与极限位移的关系.     

结构初始损伤识别的随机弹性模量

为进一步借助环境激励条件识别结构损伤,导出了求解未损伤结构与损伤结构随机弹性模量的方程.该方法从特征值问题出发,视泊松比参数、弹性模量参数分别为常量与随机变量,并结合结构的有限单元模型以及实测数据.通过引入结构单元损伤因子,对结构的初始损伤进行识别.该方法既可精确评价结构的初始损伤程度,也可初步估计初始损伤的位置,为结构损伤自动识别技术的实际工程应用提供了理论基础.     

一种延性材料的统计损伤演化模型

通过对微孔洞成核,成长过程的合理简化,建立了微孔洞演化的控制方程,得到了延性材料微孔洞数密度及损伤演伤方程的解析式。据此讨论了孔洞成核和成长对损伤演化的作用,为连续损伤理论的唯象描述提供了有参考价值的分析。提出了统计损伤与连续损伤理论相结合的损伤演化模型的锥形。     

受弯复合材料梁损伤演变的理论模型与实验

基于连续介质损伤力学理论，研究了受弯复合材料梁的损伤演变问题．提出了考虑拉压响应的弹脆性损伤演变的理论模型与本构方程．在方程推导中，假设材料及其损伤都是正交异性的，且材料主轴与损伤主轴一致．     

结构在地震作用下的损伤评估方法

建筑结构应该能够承受一定地震运动的作用，同时也应该允许其产生一定的损伤。对于结构在地震作用下的损伤评估有多种的方法。本文将分别对从累积损伤方面、变形方面、变形和累积损伤的总和方面、刚度退化方面得到的损伤模型的特点进行评述。     

复合材料加筋单元初始分层损伤参数影响分析

复合材料加筋结构在制造过程中往往会存在不同形式的初始分层损伤,这些初始分层损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。本文采用两种本构关系的粘接元模拟粘接良好界面和分层界面胶膜。并对含不同损伤面积、不同损伤形状、不同损伤位置的加筋单元进行了面外拉伸分析,得到了剩余强度与损伤参数之间的关系。对于复合材料的损伤与失效,本文采用了Cuntze失效准则及Puck刚度退化模型,较好的模拟了复合材料失效及刚度退化过程。模拟结果和试验结果吻合较好,证明了本文中算法的有效性。     

数值分析法对顶煤压裂损伤参数的研究

运用弹塑性耦合有限元数值分析正交试验法,系统研究了放顶煤开采中顶煤压裂的损伤变量D随开采深度H,煤的强度R。和煤层厚度的变化规律,得出开采深度和煤的强度是影响顶煤损伤参数的主要因素,煤层厚度等因素影响是微弱的。     

岩体损伤节理的计算机模拟及分形分析

利用计算机随机模拟方法模拟了岩体损伤节理的分布,从分形几何角度出发给予定量描述,由分形维数和节理方向定义损伤节理的损伤张量。和传统的计算方法比较,本文的分形损伤张量计算方法具有明显的优越性。     

复合材料层板损伤失效分析

基于连续损伤理论,利用多标量损伤模型,考虑单层板失效前由微裂纹损伤所造成的刚度下降,将Hoffman准则作为复合材料单层板在复杂应力状态下的极限损伤条件,应用该准则对含圆孔复合材料层合板在单向拉伸载荷下的损伤破坏过程进行了数值分析,并与常规(无损伤)失效准则的结果进行了比较.计算表明:损伤引起单层刚度下降,使应力重新分布,加速应力向未损伤层和周围单元转移,从而使应力集中得到缓解,层板的单层破坏载荷明显提高,从而提高层板的极限载荷,提高程度受铺层方式的影响.可见,由损伤引起的刚度下降应在层板失效分析中加以考虑.     

基于模态振型的简支梁损伤识别

相比结构的频率,振型反应的信息更加丰富.振型曲率是对结构损伤十分敏感的一个指标;利用简支梁结构损伤前后的1阶振型曲率差对其进行损伤识别,对损伤位置有较好的识别效果,而利用高阶振型无法进行识别;对于简支梁损伤程度,利用振型曲率差只能进行定性的识别,随着损伤程度的加深,图形突变增大.