基于细观尺度模拟的复杂节点应力场估计方法

摘要

空间结构复杂节点连接杆件多，且杆件尺寸、角度等不同，造成节点在结构承受荷载时的受力较为复杂，且一个节点的失效会引起与其相连的杆件内力变化甚至失效，从而影响结构的局部甚至整体安全。在实际工程结构健康监测系统中，无法布置足够数量的传感器跟踪节点的应力场变化，且传感器仅能获得其所在位置的局部信息，同时由于安装位置受限，某些不利位置无法安装传感器。然而，细观尺度模拟可以对节点在内力作用下的应力场进行较为精确的模拟，获取节点的应力场分布。因此，有必要运用细观尺度模拟和应力监测数据对节点的应力场进行估计。本文以珠海歌剧院贝壳钢结构的焊接箱型节点为背景，提出基于细观尺度模拟的复杂节点应力场估计方法。
　　建立基于细观尺度模拟的节点应力场估计方法。给出细观尺度模型中的监测数据模拟值表达方法，分析多尺度有限元模型中由于不同尺度界面连接造成的应力失真区宽度并给出确定方法，实现复杂节点细观尺度模型的建立。提出基于细观尺度模拟的节点应力场估计方法，获取应力变化矩阵，建立节点的荷载边界条件与应力监测数据的对应关系，进而估计荷载边界条件，实现节点应力场的获取。以一连接四根构件的焊接箱型节点为例，验证所提方法的可行性。
　　研究节点应力场估计方法的影响因素。通过定义应力变化矩阵行向量范数和条件数，提出应力变化矩阵病态程度的判定方法。通过给定不同的传感器整体空间分布位置和传感器在杆件上的局部布置位置改变应力变化矩阵中行向量的相关性及数据数量级之间的差距，分析应力变化矩阵的条件数和荷载边界条件估计结果。通过对比分析，验证应力变化矩阵判定方法的合理性。
　　研究基于传感器个数缩减的应力场估计方法。根据应力变化矩阵中元素的大小关系，提取对应力绝对贡献率较低的节点内力，对其进行缩减，从而实现传感器个数缩减；提出基于广义逆矩阵的应力场估计方法，给定不同的传感器缩减个数，通过最小范数解求取并估计节点应力场。通过缩减不同的内力和缩减不同数量的传感器，分别运用基于内力缩减的应力场估计方法和基于广义逆矩阵的应力场估计方法，获取节点应力场估计结果并对误差进行对比分析，论证所提方法的有效性和工程适用性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 基于细观尺度模拟的节点应力场估计方法

2.1 引言

2.2 应力监测数据的模拟值表达

2.3 不同尺度连接失真区宽度的确定

2.4 复杂节点的应力场估计方法

2.5 焊接箱型节点的应力场估计

2.6 本章小结

第3章 节点应力场估计的影响因素分析

3.1 引言

3.2 应力变化矩阵状态的影响因素分析

3.3 行向量相关性对应力变化矩阵病态程度的影响分析

3.4 矩阵数据数量级差异对应力变化矩阵病态程度的影响

3.5 本章小结

第4章 基于传感器个数缩减的应力场估计方法

4.1 引言

4.2 基于未知内力个数缩减的应力场估计方法

4.3 基于广义逆矩阵的应力场估计方法

4.4 基于传感器个数缩减的焊接箱节点应力场估计

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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