結構損傷多尺度分析的理論算法及其應用.pdf

1、大型土木結構的損傷演化導致失效的過程是損傷從細觀到宏觀的跨尺度演化的過程，尤其是在含有細觀缺陷的局部細節(jié)處已經由于應力集中進入非線性損傷演化甚至可能已發(fā)生局部失效時，結構中大多數構件仍在彈線性狀態(tài)下工作。目前傳統(tǒng)的單一尺度結構分析難以正確地描述這樣的結構損傷多尺度演化過程，只能在結構分析中忽略結構中局部細節(jié)的細觀損傷演化過程及其對結構宏觀力學響應的影響，給結構損傷分析和全壽命安全評估帶來隱患。針對這一分析需求，進行結構損傷多尺度計算將是

2、保證準確計算的同時能夠最大限度降低計算代價的一個有效途徑。本文的研究目標是建立結構損傷多尺度分析理論、算法并應用于大型土木設施結構分析。應用連續(xù)損傷力學理論，探討了結構損傷嵌套多尺度問題中的尺度分離描述，提出了結構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)將結構損傷多尺度計算方法引入大型商用有限元軟件ABAQUS，為復雜結構的多尺度數值模擬和計算奠定了基礎。完成的主要工作有:
　　1.給出了結構損傷多尺度問題中在宏、細

3、觀尺度分別建模情況下的力學描述，建立了考慮細觀損傷的結構雙尺度分析模型。推導了考慮細觀損傷的宏—細觀雙尺度漸近展開形式，得到了細觀初始損傷情況下的宏觀等效應力、均勻化剛度的表達式，將雙尺度漸近分析方法與有限元等數值方法相結合，給出了該方法數值實現的計算步驟和計算流程。
　　2.通過對一致多尺度方法的分析，提出了結構損傷空間一致多尺度問題描述，分析了結構損傷分析中的宏觀尺度下結構響應模型和細觀尺度下材料損傷模型，根據結構損傷在宏、細

4、觀尺度下的不同特征建立結構一致多尺度模型，并通過多點約束法進行跨尺度關聯(lián)，實現了結構整體線彈性響應分析和局部細節(jié)易損部位的細觀層次上彈塑性損傷分析的并發(fā)計算。
　　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，從而實現了基于ABAQUS軟件二次開發(fā)的結構損傷嵌套多尺度分析。另一方面，通過研究結構損傷一致多尺度問題跨尺度銜接的特點，給出了結構一致多尺度損

5、傷分析的具體實施過程及計算流程。從而在現有有限元軟件ABAQUS基礎上建立了結構損傷多尺度的計算體系，提高了多尺度分析的效率和穩(wěn)定性，為復雜結構的多尺度數值模擬奠定了基礎。
　　4.通過改變細觀RVE模型參數、分析了不同細觀參數對結構（材料）宏觀等效剛度系數以及損傷演化過程的影響，進一步了解了這些細觀不連續(xù)性對宏觀響應的影響。針對常規(guī)均勻化多尺度方法在處理細觀軟化帶、微裂紋問題有較強網格敏感性問題，討論了對于細觀結構材料軟化后的處

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用于處理細觀軟化帶、微裂紋產生及其演化問題，并詳細介紹了粘聚力交界面破壞模型及以此為基礎的宏細觀雙尺度斷裂模型，將嵌套多尺度方法應用于不連續(xù)力學問題（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用于土木工程中的典型結構，對結構進行損傷多尺度演化過程分析。計算結果表明:所建立的多尺度分析模型能夠綜合考慮結構不同尺度上的響應與損傷特征、通過整體結構名

7、義應力的線性分析與易損部位的非線性損傷分析的同步計算來滿足結構損傷失效過程的跨尺度分析需求;通過考慮結構中含缺陷的局部細節(jié)部位的細觀損傷描述和建立結構損傷多尺度分析模型，可對結構實現跨細、宏觀尺度的應力、應變、損傷等力學量的同時獲取，從而能夠同時獲得結構局部的細觀損傷狀態(tài)、演化過程及其對結構宏觀應力應變響應與失效的影響;嵌套多尺度分析方法能夠較好地處理宏、細觀特征尺度比較大的多尺度問題，且能考慮細觀強不連續(xù)問題（如斷裂問題），而一致多尺