損傷跨尺度演化致結(jié)構(gòu)失效過程的模擬和分析方法.pdf

1、在大型工程結(jié)構(gòu)中，材料內(nèi)部微、細(xì)觀損傷與整體結(jié)構(gòu)的尺度存在顯著差異，使得傳統(tǒng)單一尺度上的損傷分析，難以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部微、細(xì)觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結(jié)構(gòu)整體劣化之間的聯(lián)系。應(yīng)對(duì)此類工程結(jié)構(gòu)安全性分析的需要，研究大型工程結(jié)構(gòu)微、細(xì)觀損傷機(jī)理，本文致力于在多尺度框架下尋求解決大型工程結(jié)構(gòu)中損傷跨尺度演化致結(jié)構(gòu)失效過程的模擬和分析問題。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴發(fā)展了模擬混凝土損傷演化過程的多重網(wǎng)格自適應(yīng)模擬方法。并通過數(shù)值算例驗(yàn)證

2、了所發(fā)展方法的可行性與有效性。研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以合理的模擬混凝土構(gòu)件在地震荷載作用下的宏觀損傷演化到整體構(gòu)件失效的過程。在模擬過程中，該方法可以自動(dòng)識(shí)別不同區(qū)域的損傷程度進(jìn)行多重網(wǎng)格的建模。表明該方法可以克服傳統(tǒng)單一尺寸網(wǎng)格的有限元方法模擬損傷問題時(shí)其精度強(qiáng)烈依賴于網(wǎng)格尺寸的缺陷，能以較小的計(jì)算代價(jià)減小模擬過程中由損傷引起的應(yīng)力梯度變大而產(chǎn)生的誤差，為預(yù)測(cè)混凝土構(gòu)件在極端荷載作用下的宏觀損傷分布提供了一種高效的數(shù)值研究手段。
　

3、?、瓢l(fā)展了模擬混凝土構(gòu)件損傷演化致失效過程的基于材料細(xì)觀構(gòu)造圖像的跨尺度自適應(yīng)模擬方法。并通過數(shù)值算例驗(yàn)證了所發(fā)展方法的可行性與有效性。研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以并發(fā)的模擬混凝土構(gòu)件從材料的細(xì)觀損傷到局部宏觀失效，最后到構(gòu)件整體失效的跨尺度過程。在模擬過程中，該方法可以自動(dòng)識(shí)別損傷區(qū)域進(jìn)行基于圖像的細(xì)觀建模用以考慮損傷區(qū)域材料內(nèi)部真實(shí)的細(xì)觀構(gòu)造。表明該方法可以以較小的計(jì)算代價(jià)模擬混凝土構(gòu)件的跨尺度損傷演化的過程，為研究混凝土構(gòu)件在極端荷載作用

4、下的材料內(nèi)部細(xì)觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結(jié)構(gòu)整體劣化之間的聯(lián)系，提供了一種高效的數(shù)值研究手段。
　?、前l(fā)展了模擬大型混凝土結(jié)構(gòu)損傷演化致失效過程的基于材料細(xì)觀構(gòu)造圖像的多尺度跨層次自適應(yīng)模擬方法。并通過數(shù)值算例驗(yàn)證了所發(fā)展方法的可行性與有效性。研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以并發(fā)的模擬大型混凝土結(jié)構(gòu)從材料層次的細(xì)觀損傷到構(gòu)件層次上的局部宏觀失效，最后到結(jié)構(gòu)整體失效，這個(gè)多尺度跨層次的損傷演化與失效過程。為了提高計(jì)算效率，在模擬過程中，該方法將整個(gè)

5、計(jì)算區(qū)域離散為三個(gè)尺度不同的子區(qū)域，并且隨著損傷演化的過程不同尺度的子區(qū)域可以自適應(yīng)的轉(zhuǎn)換。表明該方法可以以較小的計(jì)算代價(jià)模擬大型混凝土結(jié)構(gòu)的跨尺度損傷演化的過程，為研究大型混凝土結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下的材料內(nèi)部細(xì)觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結(jié)構(gòu)整體劣化之間的聯(lián)系，提供了一種高效的數(shù)值研究手段。
　?、柔槍?duì)鋼構(gòu)件高周疲勞問題建立了描述宏觀連續(xù)均勻的疲勞損傷與群體短裂紋演化行為關(guān)系的多尺度疲勞損傷模型。并利用所發(fā)展的多尺度疲勞損傷模型建立了

6、基于鋼材微觀構(gòu)造圖像的短裂紋成核與擴(kuò)展行為多尺度模擬的方法。研究發(fā)現(xiàn)，所發(fā)展的多尺度疲勞損傷理論模型與模擬方法不僅可以描述金屬構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的宏觀疲勞損傷演化，而且還可以描述材料內(nèi)部微觀尺度上短裂紋群體演化的行為，克服了傳統(tǒng)研究疲勞問題的方法只能從單一尺度的角度研究疲勞行為的不足，為從多尺度的角度研究金屬構(gòu)件與結(jié)構(gòu)在高周疲勞作用下的損傷機(jī)理提供了一種新的理論模型與數(shù)值研究手段。
　?、舍槍?duì)鋼構(gòu)件在低周疲勞或高、低周疲勞交互作用下的損傷

7、問題建立了描述宏觀連續(xù)均勻的疲勞損傷與群體短、長裂紋共同演化行為關(guān)系的多尺度疲勞損傷模型。并利用所發(fā)展的多尺度疲勞損傷模型建立了基于鋼材微觀構(gòu)造的群體長、短裂紋共同演化的疲勞損傷多尺度模擬的方法。研究發(fā)現(xiàn)，所發(fā)展的多尺度疲勞損傷理論模型與模擬方法不僅可以描述金屬構(gòu)件與結(jié)構(gòu)在低周疲勞或高、低周疲勞交互作用下的宏觀疲勞損傷演化，而且還可以描述材料內(nèi)部長、短裂紋群體演化的行為，克服傳統(tǒng)研究疲勞問題的方法只能從單一尺度的角度研究疲勞行為的缺陷，

8、為從多尺度的角度研究金屬構(gòu)件與結(jié)構(gòu)在低周疲勞或高、低周疲勞交互作用下的損傷機(jī)理提供了一種新的理論模型與數(shù)值研究手段。
　?、拾l(fā)展了模擬大型鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬方法。并以昂船洲大橋?yàn)槔齺碚f明所發(fā)展的方法可行性。研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以并發(fā)的模擬關(guān)鍵構(gòu)件中易損部位微觀尺度上短裂紋萌生與擴(kuò)展與關(guān)鍵構(gòu)件宏觀尺度上疲勞損傷演化，直至結(jié)構(gòu)整體疲勞失效這個(gè)多尺度跨層次的過程。表明該方法可以以較小的計(jì)算代價(jià)模擬大型鋼結(jié)構(gòu)跨尺度的疲