損傷跨尺度演化致結構失效過程的模擬和分析方法.pdf

1、在大型工程結構中，材料內(nèi)部微、細觀損傷與整體結構的尺度存在顯著差異，使得傳統(tǒng)單一尺度上的損傷分析，難以準確描述結構材料內(nèi)部微、細觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結構整體劣化之間的聯(lián)系。應對此類工程結構安全性分析的需要，研究大型工程結構微、細觀損傷機理，本文致力于在多尺度框架下尋求解決大型工程結構中損傷跨尺度演化致結構失效過程的模擬和分析問題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、虐l(fā)展了模擬混凝土損傷演化過程的多重網(wǎng)格自適應模擬方法。并通過數(shù)值算例驗證

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件在地震荷載作用下的宏觀損傷演化到整體構件失效的過程。在模擬過程中，該方法可以自動識別不同區(qū)域的損傷程度進行多重網(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其精度強烈依賴于網(wǎng)格尺寸的缺陷，能以較小的計算代價減小模擬過程中由損傷引起的應力梯度變大而產(chǎn)生的誤差，為預測混凝土構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)展了模擬混凝土構件損傷演化致失效過程的基于材料細觀構造圖像的跨尺度自適應模擬方法。并通過數(shù)值算例驗證了所發(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)的模擬混凝土構件從材料的細觀損傷到局部宏觀失效，最后到構件整體失效的跨尺度過程。在模擬過程中，該方法可以自動識別損傷區(qū)域進行基于圖像的細觀建模用以考慮損傷區(qū)域材料內(nèi)部真實的細觀構造。表明該方法可以以較小的計算代價模擬混凝土構件的跨尺度損傷演化的過程，為研究混凝土構件在極端荷載作用

4、下的材料內(nèi)部細觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結構整體劣化之間的聯(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構損傷演化致失效過程的基于材料細觀構造圖像的多尺度跨層次自適應模擬方法。并通過數(shù)值算例驗證了所發(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構從材料層次的細觀損傷到構件層次上的局部宏觀失效，最后到結構整體失效，這個多尺度跨層次的損傷演化與失效過程。為了提高計算效率，在模擬過程中，該方法將整個

5、計算區(qū)域離散為三個尺度不同的子區(qū)域，并且隨著損傷演化的過程不同尺度的子區(qū)域可以自適應的轉換。表明該方法可以以較小的計算代價模擬大型混凝土結構的跨尺度損傷演化的過程，為研究大型混凝土結構在極端荷載作用下的材料內(nèi)部細觀損傷跨尺度演化規(guī)律與結構整體劣化之間的聯(lián)系，提供了一種高效的數(shù)值研究手段。
　?、柔槍︿摌嫾咧芷趩栴}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、基于鋼材微觀構造圖像的短裂紋成核與擴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件與結構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件與結構在高周疲勞作用下的損傷機理提供了一種新的理論模型與數(shù)值研究手段。
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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件與結構在低周疲勞或高、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件與結構在低周疲勞或高、低周疲勞交互作用下的損傷機理提供了一種新的理論模型與數(shù)值研究手段。
　　⑹發(fā)展了模擬大型鋼結構疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬方法。并以昂船洲大橋為例來說明所發(fā)展的方法可行性。研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以并發(fā)的模擬關鍵構件中易損部位微觀尺度上短裂紋萌生與擴展與關鍵構件宏觀尺度上疲勞損傷演化，直至結構整體疲勞失效這個多尺度跨層次的過程。表明該方法可以以較小的計算代價模擬大型鋼結構跨尺度的疲