結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別和體系可靠度分析的無(wú)路徑依賴性方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)的失效模式識(shí)別和體系可靠度分析是開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、維護(hù)加固和安全評(píng)估的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別方法需要在加載過(guò)程中逐級(jí)修改材料本構(gòu)關(guān)系和有限元控制方程，存在失效路徑依賴性問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系可靠度分析方法存在主要失效模式難以識(shí)別和多失效模式聯(lián)合失效概率計(jì)算繁瑣兩大難點(diǎn)。因而，開(kāi)展結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別和體系可靠度分析的高效新方法研究，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)新發(fā)展的彈性模量縮減法(EMRM)基于線彈性有限元計(jì)

2、算模型，在迭代過(guò)程中可以通過(guò)縮減高承載單元的彈性模量來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的損傷演化，具有計(jì)算原理簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高、不依賴失效路徑（即無(wú)路徑依賴性）等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，本文基于EMRM，重點(diǎn)圍繞工程結(jié)構(gòu)的失效模式識(shí)別和體系可靠度分析開(kāi)展研究，主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)基于傳統(tǒng)的彈塑性增量分析法（EPIA），利用桿件橫截面的彈性核相對(duì)高度來(lái)判斷截面進(jìn)入塑性屈服的程度，進(jìn)而提出了一種桿系結(jié)構(gòu)的失效模式識(shí)別方法，為利用EPIA識(shí)別桿系結(jié)構(gòu)的失效模式

3、提供了一種新的途徑。研究表明，當(dāng)取合適的有限元參數(shù)時(shí)，塑性極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)中各失效截面能達(dá)到全截面塑性屈服狀態(tài)，此時(shí)失效截面中不存在彈性核。但是由于參數(shù)選取的主觀性，當(dāng)極限荷載的結(jié)果精度較高時(shí)，結(jié)構(gòu)中的失效截面還可能存在一定高度的彈性核。針對(duì)本文算例分析的結(jié)果，當(dāng)截面的彈性核相對(duì)高度h0/h≤1/8時(shí)可以認(rèn)為該截面已經(jīng)進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)并形成塑性鉸。
　　(2)結(jié)合彈性模量調(diào)整策略和齊次廣義屈服函數(shù)，研究建立了確定性結(jié)構(gòu)損傷演化及失效

4、模式識(shí)別的高效無(wú)路徑依賴性方法。首先，根據(jù)齊次廣義屈服函數(shù)定義單元承載比等結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)特征參數(shù)，可以合理考慮結(jié)構(gòu)中的組合內(nèi)力效應(yīng)，建立了高承載單元的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)識(shí)別準(zhǔn)則;然后通過(guò)縮減高承載單元的彈性模量來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的損傷演化和內(nèi)力重分布，并根據(jù)結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性極限狀態(tài)時(shí)高承載單元的彈性模量縮減幅度，建立了失效元的定量識(shí)別準(zhǔn)則;最后利用塑性鉸標(biāo)識(shí)失效元的具體位置，據(jù)此識(shí)別結(jié)構(gòu)的失效模式，提出了確定性結(jié)構(gòu)損傷演化模擬及失效模式識(shí)別的高效無(wú)路徑依賴性

5、方法，從而克服了傳統(tǒng)失效模式識(shí)別方法由于具有路徑依賴性而需要逐級(jí)修改材料本構(gòu)關(guān)系或有限元控制方程存在的缺陷。
　　(3)結(jié)合截面強(qiáng)度融合技術(shù)和彈性模量調(diào)整策略，研究建立了考慮恒荷載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別的無(wú)路徑依賴性方法。首先利用截面強(qiáng)度融合技術(shù)，建立了融入恒荷載效應(yīng)的修正結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，可以合理考慮工程結(jié)構(gòu)中存在的恒荷載效應(yīng);然后利用彈性模量調(diào)整策略分析恒荷載下結(jié)構(gòu)的損傷演化過(guò)程，并采用結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性極限狀態(tài)時(shí)高承載單元的彈性模量縮

6、減幅度來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的主要失效模式，從而建立了考慮恒荷載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效模式識(shí)別的無(wú)路徑依賴性方法。分析結(jié)果表明，該方法可以合理考慮結(jié)構(gòu)中存在的恒荷載效應(yīng)及組合內(nèi)力效應(yīng)對(duì)失效演化的影響，并且迭代過(guò)程中無(wú)需修改材料本構(gòu)關(guān)系或有限元控制方程，具有無(wú)路徑依賴性，計(jì)算原理簡(jiǎn)單，計(jì)算精度較高。
　　(4)結(jié)合隨機(jī)響應(yīng)面法(SRSM)和彈性模量縮減法(EMRM)，研究建立了結(jié)構(gòu)體系可靠度分析的無(wú)路徑依賴性方法。首先結(jié)合SRSM和EMRM，建立了結(jié)構(gòu)