损伤跨尺度演化致结构失效过程的模拟和分析方法

摘要

在大型工程结构中，材料内部微、细观损伤与整体结构的尺度存在显著差异，使得传统单一尺度上的损伤分析，难以准确描述结构材料内部微、细观损伤跨尺度演化规律与结构整体劣化之间的联系。应对此类工程结构安全性分析的需要，研究大型工程结构微、细观损伤机理，本文致力于在多尺度框架下寻求解决大型工程结构中损伤跨尺度演化致结构失效过程的模拟和分析问题。本研究主要内容包括：
　　⑴发展了模拟混凝土损伤演化过程的多重网格自适应模拟方法。并通过数值算例验证了所发展方法的可行性与有效性。研究发现，该方法可以合理的模拟混凝土构件在地震荷载作用下的宏观损伤演化到整体构件失效的过程。在模拟过程中，该方法可以自动识别不同区域的损伤程度进行多重网格的建模。表明该方法可以克服传统单一尺寸网格的有限元方法模拟损伤问题时其精度强烈依赖于网格尺寸的缺陷，能以较小的计算代价减小模拟过程中由损伤引起的应力梯度变大而产生的误差，为预测混凝土构件在极端荷载作用下的宏观损伤分布提供了一种高效的数值研究手段。
　　⑵发展了模拟混凝土构件损伤演化致失效过程的基于材料细观构造图像的跨尺度自适应模拟方法。并通过数值算例验证了所发展方法的可行性与有效性。研究发现，该方法可以并发的模拟混凝土构件从材料的细观损伤到局部宏观失效，最后到构件整体失效的跨尺度过程。在模拟过程中，该方法可以自动识别损伤区域进行基于图像的细观建模用以考虑损伤区域材料内部真实的细观构造。表明该方法可以以较小的计算代价模拟混凝土构件的跨尺度损伤演化的过程，为研究混凝土构件在极端荷载作用下的材料内部细观损伤跨尺度演化规律与结构整体劣化之间的联系，提供了一种高效的数值研究手段。
　　⑶发展了模拟大型混凝土结构损伤演化致失效过程的基于材料细观构造图像的多尺度跨层次自适应模拟方法。并通过数值算例验证了所发展方法的可行性与有效性。研究发现，该方法可以并发的模拟大型混凝土结构从材料层次的细观损伤到构件层次上的局部宏观失效，最后到结构整体失效，这个多尺度跨层次的损伤演化与失效过程。为了提高计算效率，在模拟过程中，该方法将整个计算区域离散为三个尺度不同的子区域，并且随着损伤演化的过程不同尺度的子区域可以自适应的转换。表明该方法可以以较小的计算代价模拟大型混凝土结构的跨尺度损伤演化的过程，为研究大型混凝土结构在极端荷载作用下的材料内部细观损伤跨尺度演化规律与结构整体劣化之间的联系，提供了一种高效的数值研究手段。
　　⑷针对钢构件高周疲劳问题建立了描述宏观连续均匀的疲劳损伤与群体短裂纹演化行为关系的多尺度疲劳损伤模型。并利用所发展的多尺度疲劳损伤模型建立了基于钢材微观构造图像的短裂纹成核与扩展行为多尺度模拟的方法。研究发现，所发展的多尺度疲劳损伤理论模型与模拟方法不仅可以描述金属构件与结构的宏观疲劳损伤演化，而且还可以描述材料内部微观尺度上短裂纹群体演化的行为，克服了传统研究疲劳问题的方法只能从单一尺度的角度研究疲劳行为的不足，为从多尺度的角度研究金属构件与结构在高周疲劳作用下的损伤机理提供了一种新的理论模型与数值研究手段。
　　⑸针对钢构件在低周疲劳或高、低周疲劳交互作用下的损伤问题建立了描述宏观连续均匀的疲劳损伤与群体短、长裂纹共同演化行为关系的多尺度疲劳损伤模型。并利用所发展的多尺度疲劳损伤模型建立了基于钢材微观构造的群体长、短裂纹共同演化的疲劳损伤多尺度模拟的方法。研究发现，所发展的多尺度疲劳损伤理论模型与模拟方法不仅可以描述金属构件与结构在低周疲劳或高、低周疲劳交互作用下的宏观疲劳损伤演化，而且还可以描述材料内部长、短裂纹群体演化的行为，克服传统研究疲劳问题的方法只能从单一尺度的角度研究疲劳行为的缺陷，为从多尺度的角度研究金属构件与结构在低周疲劳或高、低周疲劳交互作用下的损伤机理提供了一种新的理论模型与数值研究手段。
　　⑹发展了模拟大型钢结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟方法。并以昂船洲大桥为例来说明所发展的方法可行性。研究发现，该方法可以并发的模拟关键构件中易损部位微观尺度上短裂纹萌生与扩展与关键构件宏观尺度上疲劳损伤演化，直至结构整体疲劳失效这个多尺度跨层次的过程。表明该方法可以以较小的计算代价模拟大型钢结构跨尺度的疲劳损伤演化过程，为研究大型钢结构材料内部微观疲劳损伤跨尺度演化规律与结构整体劣化之间的联系，提供了一种高效的数值研究手段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 相关领域研究现状综述

1．2．1 破坏力学理论研究现状

1．2．2 结构疲劳分析方法研究现状

1．2．3 结构损伤多尺度分析的研究现状

1．3 本文的主要工作

第二章 混凝土损伤演化致失效过程的多重网格自适应模拟与计算方法

2．1 损伤演化过程的多重网格自适应模拟方法

2．1．1 多重网格自适应数值模拟的变分原理

2．1．2 混凝土损伤演化方程

2．1．3 损伤演化过程分析的多重网格自适应有限元方程

2．2 损伤演化过程分析的多重网格自适应有限元计算的实施技术

2．2．1 损伤演化致失效过程的模拟策略

2．2．2 计算方法的实施流程

2．2．3 “孤岛单元”消除技术

2．3 混凝土柱在地震荷载作用下的损伤演化致失效过程的模拟与分析

2．3．1 数值分析案例：混凝土柱动态损伤破坏

2．3．2 混凝土柱动态损伤演化致失效过程的模拟

2．3．3 实验验证与分析

2．4 本章小结

第三章 混凝土构件损伤演化致失效过程的跨尺度自适应模拟与计算方法

3．1 基于材料细观构造图像的钢筋混凝土损伤演化的数值模拟

3．1．1 基于材料细观构造图像的混凝土细观模型建立方法

3．1．2 混凝土材料细观损伤演化模拟的有限元基本方程

3．1．3 混凝土及其各细观区域Ωmesok的损伤演化方程

3．1．4 模型参数反演

3．1．5 钢筋混凝土拉拔损伤演化过程的细观数值模拟

3．2 混凝土构件损伤跨尺度演化过程的自适应模拟与分析

3．2．1 考虑材料细观非均质的损伤演化跨尺度自适应模拟与分析的策略

3．2．2 混凝土损伤演化跨尺度自适应模拟的有限元基本方程

3．2．3 数值分析案例

3．3 考虑骨料与基体之间界面真实厚度的多重网格自适应多尺度模拟

3．3．1 考虑骨料与基体之间界面损伤的多重网格模拟

3．3．2 数值分析案例

3．4 本章小结

第四章 混凝土结构损伤演化致失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与计算方法

4．1 混凝土结构损伤演化的多尺度跨层次自适应模拟的思路与策略

4．2 混凝土结构损伤演化的多尺度跨层次自适应模拟与分析的有限元理论

4．2．1 损伤多尺度跨层次演化过程自适应模拟的区域交分原理

4．2．2 损伤多尺度跨层次演化过程自适应模拟与分析的有限元方程组

4．3 数值分析案例

4．4 本章小结

第五章 钢构件高周疲劳损伤演化的多尺度模拟与分析

5．1 描述短裂纹成核与扩展行为的疲劳损伤多尺度模型

5．1．1 由短裂纹成核与扩展主导的疲劳损伤变量的定义

5．1．2 描述短裂纹群体演变效应的疲劳损伤演化方程

5．1．3 疲劳损伤多尺度模型

5．2 疲劳损伤多尺度模型中的参数反演与模型验证

5．2．1 模型参数反演

5．2．2 模型验证

5．3 基于钢材微观构造图像的短裂纹萌生与扩展行为模拟及其疲劳损伤多尺度分析

5．3．1 考虑钢材微观构造的疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

5．3．2 数值分析案例

5．4 本章小结

第六章 钢构件在高、低周疲劳交互作用下损伤演化的多尺度模拟与分析

6．1 描述长、短裂纹交互扩展行为的疲劳损伤多尺度模型

6．1．1 长、短裂纹共存时的疲劳损伤变量定义

6．1．2 长、短裂纹的疲劳演化行为

6．1．3 描述长、短裂纹群体共同演变效应的疲劳损伤演化方程

6．1．4 疲劳损伤多尺度模型

6．2 多尺度疲劳模型的参数反演与模型验证

6．2．1 模型参数反演

6．2．2 模型验证

6．3 考虑钢材微观构造的群体长、短裂纹共同演化的疲劳损伤多尺度模拟

6．3．1 基于钢材微观构造图像的高低周疲劳损伤多尺度模拟与分析方法

6．3．2 数值分析案例

6．4 本章小结

第七章 大跨桥梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟方法

7．1 大跨桥梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟的思路与策略

7．2 昂船洲大桥工程及其结构设计

7．2．1 昂船洲大桥工程概述

7．2．2 昂船洲大桥疲劳设计车辆荷载

7．3 昂船洲大桥钢箱梁结构疲劳损伤多尺度跨层次演化过程模拟

7．4 本章小结

第八章 全文总结与展望

8．1 本文的主要研究成果

8．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文