結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的理論算法及其應(yīng)用.pdf

1、大型土木結(jié)構(gòu)的損傷演化導(dǎo)致失效的過程是損傷從細(xì)觀到宏觀的跨尺度演化的過程，尤其是在含有細(xì)觀缺陷的局部細(xì)節(jié)處已經(jīng)由于應(yīng)力集中進(jìn)入非線性損傷演化甚至可能已發(fā)生局部失效時(shí)，結(jié)構(gòu)中大多數(shù)構(gòu)件仍在彈線性狀態(tài)下工作。目前傳統(tǒng)的單一尺度結(jié)構(gòu)分析難以正確地描述這樣的結(jié)構(gòu)損傷多尺度演化過程，只能在結(jié)構(gòu)分析中忽略結(jié)構(gòu)中局部細(xì)節(jié)的細(xì)觀損傷演化過程及其對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響，給結(jié)構(gòu)損傷分析和全壽命安全評(píng)估帶來隱患。針對(duì)這一分析需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷多尺度計(jì)算將是

2、保證準(zhǔn)確計(jì)算的同時(shí)能夠最大限度降低計(jì)算代價(jià)的一個(gè)有效途徑。本文的研究目標(biāo)是建立結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析理論、算法并應(yīng)用于大型土木設(shè)施結(jié)構(gòu)分析。應(yīng)用連續(xù)損傷力學(xué)理論，探討了結(jié)構(gòu)損傷嵌套多尺度問題中的尺度分離描述，提出了結(jié)構(gòu)損傷空間一致多尺度問題描述和分析方法;通過軟件二次開發(fā)將結(jié)構(gòu)損傷多尺度計(jì)算方法引入大型商用有限元軟件ABAQUS，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多尺度數(shù)值模擬和計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。完成的主要工作有:
　　1.給出了結(jié)構(gòu)損傷多尺度問題中在宏、細(xì)

3、觀尺度分別建模情況下的力學(xué)描述，建立了考慮細(xì)觀損傷的結(jié)構(gòu)雙尺度分析模型。推導(dǎo)了考慮細(xì)觀損傷的宏—細(xì)觀雙尺度漸近展開形式，得到了細(xì)觀初始損傷情況下的宏觀等效應(yīng)力、均勻化剛度的表達(dá)式，將雙尺度漸近分析方法與有限元等數(shù)值方法相結(jié)合，給出了該方法數(shù)值實(shí)現(xiàn)的計(jì)算步驟和計(jì)算流程。
　　2.通過對(duì)一致多尺度方法的分析，提出了結(jié)構(gòu)損傷空間一致多尺度問題描述，分析了結(jié)構(gòu)損傷分析中的宏觀尺度下結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型和細(xì)觀尺度下材料損傷模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷在宏、細(xì)

4、觀尺度下的不同特征建立結(jié)構(gòu)一致多尺度模型，并通過多點(diǎn)約束法進(jìn)行跨尺度關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體線彈性響應(yīng)分析和局部細(xì)節(jié)易損部位的細(xì)觀層次上彈塑性損傷分析的并發(fā)計(jì)算。
　　3.利用用戶子程序接口UMAT和基于Python的ABAQUS腳本接口將串行嵌套多尺度方法引入大型商用有限元軟件ABAQUS，從而實(shí)現(xiàn)了基于ABAQUS軟件二次開發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷嵌套多尺度分析。另一方面，通過研究結(jié)構(gòu)損傷一致多尺度問題跨尺度銜接的特點(diǎn)，給出了結(jié)構(gòu)一致多尺度損

5、傷分析的具體實(shí)施過程及計(jì)算流程。從而在現(xiàn)有有限元軟件ABAQUS基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)損傷多尺度的計(jì)算體系，提高了多尺度分析的效率和穩(wěn)定性，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多尺度數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。
　　4.通過改變細(xì)觀RVE模型參數(shù)、分析了不同細(xì)觀參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)（材料）宏觀等效剛度系數(shù)以及損傷演化過程的影響，進(jìn)一步了解了這些細(xì)觀不連續(xù)性對(duì)宏觀響應(yīng)的影響。針對(duì)常規(guī)均勻化多尺度方法在處理細(xì)觀軟化帶、微裂紋問題有較強(qiáng)網(wǎng)格敏感性問題，討論了對(duì)于細(xì)觀結(jié)構(gòu)材料軟化后的處

6、理策略，通過采用破壞區(qū)域平均化處理使得均勻化多尺度方法能夠應(yīng)用于處理細(xì)觀軟化帶、微裂紋產(chǎn)生及其演化問題，并詳細(xì)介紹了粘聚力交界面破壞模型及以此為基礎(chǔ)的宏細(xì)觀雙尺度斷裂模型，將嵌套多尺度方法應(yīng)用于不連續(xù)力學(xué)問題（如斷裂問題）。
　　5.將串行嵌套式和一致多尺度分析的兩種多尺度方法應(yīng)用于土木工程中的典型結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷多尺度演化過程分析。計(jì)算結(jié)果表明:所建立的多尺度分析模型能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)不同尺度上的響應(yīng)與損傷特征、通過整體結(jié)構(gòu)名

7、義應(yīng)力的線性分析與易損部位的非線性損傷分析的同步計(jì)算來滿足結(jié)構(gòu)損傷失效過程的跨尺度分析需求;通過考慮結(jié)構(gòu)中含缺陷的局部細(xì)節(jié)部位的細(xì)觀損傷描述和建立結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析模型，可對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨細(xì)、宏觀尺度的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等力學(xué)量的同時(shí)獲取，從而能夠同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)局部的細(xì)觀損傷狀態(tài)、演化過程及其對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)與失效的影響;嵌套多尺度分析方法能夠較好地處理宏、細(xì)觀特征尺度比較大的多尺度問題，且能考慮細(xì)觀強(qiáng)不連續(xù)問題（如斷裂問題），而一致多尺