Q420钢管大气腐蚀后的抗侧撞性能

为研究大气腐蚀对Q420钢管构件服役期内耐撞性的影响,提出了计及腐蚀损伤的材料模型。引入损伤因子（ω）修正Voce模型,推导随腐蚀程度变化的低合金钢材本构方程,并通过加速腐蚀试验结果回归相应参数。利用ABAQUS软件定义构件材料特性,建立起受腐蚀的Q420钢管仿真模型,采用显式动力算法分析多种初始状态下,撞击体与不同腐蚀程度钢管的冲击响应规律。开展预腐蚀Q420钢管的落锤试验,将试验结果与数值计算结果进行对比,验证所建模型的合理性。结果表明:大气腐蚀导致材料名义强度降低,对Q420钢管抗撞击能力影响显著;随着腐蚀程度增加,冲击力峰值减小,撞击时间和深度增加;Q420钢管受腐蚀后抗冲击刚度减小,构件整体变形耗能增加,表明大气腐蚀使其抗冲击性能下降;同等动能增量下,增大撞击体初速度比增加初始质量获得的冲击力峰值增幅更大,而所得到的接触时间增幅更小。     

锈蚀H型钢偏心受压承载性能试验研究

通过锈蚀H型钢构件的偏心受压试验,研究锈蚀对H型钢构件偏压承载能力的影响,并为工程师提供锈蚀H型钢构件偏心受压承载能力的试验数据。试验采用5根锈蚀H型钢,2根未锈蚀构件作为对比试验,分别对受拉翼缘、受压翼缘和腹板的锈蚀对H型钢构件偏心受压承载能力的影响进行了详细探究,得出翼缘的锈蚀对钢构件偏压承载能力的影响较腹板显著,其中受压翼缘比受拉翼缘影响更甚。锈蚀对钢材力学性能的影响也在文中进行了试验研究,结果表明：钢材的锈蚀对其屈服强度和极限强度无显著影响,但显著影响钢材塑性性能。     

Mesoscopic model to simulate the mechanical behavior of reinforced concrete members affected by corrosion

In this contribution, a finite element methodology devised to simulate the structural deterioration of corroded reinforced concrete members is presented. The proposed numerical strategy has the ability to reproduce many of the well-known (undesirable) mechanical effects induced by corrosion processes in the embedded steel bars, as for example: expansion of the reinforcements due to the corrosion product accumulation, damage and cracking patterns distribution in the surrounding concrete, degradation of steel–concrete bond stress transfer, net area reduction in the reinforcements and, mainly, the influence of all these mentioned mechanisms on the structural load carrying capacity predictions.At the numerical level, each component of the RC structure is represented by means of a suitable FE formulation. For the concrete, a cohesive model based on the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA) is used. Steel bars are modeled by means of an elasto-plastic constitutive relation. The interface is simulated using contact-friction elements, with the friction degradation as a function of the degree of corrosion attack. Two different (and coupled) mesoscopic analyzes are considered in order to describe the main physical phenomena that govern the problem: (i) an analysis at the cross section level and (ii) an analysis at the structural member level.The resultant mechanical model can be used to simulate generalized reinforcement corrosion. Experimental and previous numerical results, obtained from the available literature, are used to validate the proposed strategy.     

航空铝合金力学与电化学耦合点蚀损伤模型研究

点蚀是航空铝合金材料在服役环境下常见的损伤形式，点蚀损伤会导致材料性能的下降, 严重地威胁着结构的承载能力。作为承力构件，航空铝合金不仅承受环境腐蚀的作用，还承受应力作用。论文根据点蚀基本原理，引入细观损伤变量孔隙率，考虑力学化学效应，建立了点蚀损伤弹性模量计算模型。使用2219铝合金，进行加速腐蚀试验和单向拉伸试验，利用显微扫描技术研究了点蚀坑深度随时间和载荷的变化，并对腐蚀后试验件的损伤宏观形貌进行观察分析。根据拉伸实验结果，对模型的正确性进行验证。模型计算与实验结果的对比证明了本文方法的可行性与正确性。     

空间钢构件考虑损伤累积效应的恢复力模型及试验验证

本文从损伤对钢材性能的影响出发,根据弹塑性损伤铰概念,提出了一种考虑损伤累积效应的空间钢构件非线性恢复力模型,并在这一模型的基础上建立了空间钢构件考虑损伤累积效应的弹塑性刚度矩阵。最后,把试验测得的试件位移曲线和利用模型计算的试件位移曲线进行对比。对比结果表明,试验位移曲线和计算和位移曲线吻合得较好,这说明本文瓣考虑损伤累积效应的空间钢构件非线性恢复力模型的正解性。     

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下, 采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性, 即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.      

基于OpenSees的锈蚀RC结构底部节点性能研究

为了分析节点钢筋粘结性能变化对钢筋混凝土构件性能的影响,本文以框架底部节点为研究对象,对不同锈蚀率的节点性能进行分析.运用OpenSees中的Bond_SP01材料模型并结合零长度截面单元模拟节点钢筋的粘结滑移,不同锈蚀率下的Bond_SP01模型参数通过有限元建模的方法进行修正.对底部节点的数值模拟结果表明:锈蚀严重时,底部节点钢筋粘结滑移对构件性能的影响不容忽视;同时考虑节点钢筋粘结滑移和上部柱体钢筋截面损失两个因素时,钢筋屈服前构件性能主要受节点粘结性能变化影响,钢筋屈服后构件上部纵筋的截面损失对构件性能的影响开始显现,两者对构件整体性能的影响程度相当.所以,在进行锈蚀构件或结构性能分析时,有必要考虑节点性能的影响.     

基于数值子结构方法的结构弹塑性分析

结合震害调研及数值分析可知,结构最终失效可能仅由部分关键构件破坏引起,大部分构件仍处于弹性或小变形状态。因此为提高计算效率,在结构全过程分析中一致采用非线性单元建模并非必要,同时为准确考虑关键构件的非线性响应,本文提出一种新的数值子结构建模策略。进入弹塑性状态后,针对一般钢构件或钢筋混凝土构件采用动态替换子结构方法在单元或截面层次将其替换成非线性单元或非线性截面,并基于OpenSees平台开发了两类新单元予以实现;针对可能发生严重损伤的关键构件,采用隔离子结构方法将其隔离并建立精细化分析模型,考虑主、子结构间不同尺度边界耦合,并推导了切线刚度的传递关系,采用Client/Server技术在OpenSees平台开发了一类新的接口单元予以实现主、子结构之间的信息传递。为验证新开发单元的合理性,分别以钢及钢筋混凝土平面框架结构为例,采用纤维单元、动态替换子结构方法以及隔离子结构方法建模进行静、动力分析。计算结果表明,采用本文提出的动态替换子结构方法与常规建模方法的计算结果完全吻合并且可大幅缩短计算耗时,随着荷载水平的增大,结构中受到动态替换的构件比例急剧增大,计算效率提高程度略有降低,但仍远高于常规模型;采用本文提出的接口单元可准确传递主、子结构间的界面信息,为隔离数值子结构方法在结构弹塑性分析中的应用提供了基础。     

锈蚀槽钢受弯承载力试验研究

通过7根锈蚀槽钢构件和2根未锈蚀槽钢构件的受弯试验,研究了锈蚀对槽钢受弯承载力的影响。试验表明:锈蚀槽钢的承载力随其点蚀因子的增大而降低;翼缘的锈蚀对钢构件受弯承载力的影响较腹板显著,其中受压翼缘与受拉翼缘影响程度基本相同。最后,结合试验结果,利用Matlab软件分别对锈蚀槽钢试件上、下翼缘点蚀因子与构件受弯承载力损失值进行数据拟合,定性地给出上、下翼缘点蚀因子与受弯承载力损失比之间的关系式。     

Une approche de plasticité au gradient en construction métalliqueA gradient plasticity approach for steel structures

Local buckling of steel structural members has to be well understood in order to design accurately steel structures in seismic areas. Induced softening moment-curvature law leads to a well known ill-posedness elastoplastic evolution problem. Localization is chosen to be controlled with a gradient plasticity approach. The concept of cross-section behavioural classes, classically adopted in modern rule design, should be substituted by the concept of member behavioural classes. To cite this article: N. Challamel, C. R. Mecanique 331 (2003).     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说, 由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用, 热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素. 本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述, 提出了未来的研究趋势与发展方向. 首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理; 其次, 重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型; 再次, 对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述, 还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势; 从次, 对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述. 最后, 对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.      

基于冗余度与易损性的结构抗震能力提升方法研究

为提升结构整体性能和抗震性能,基于结构构件应变能对材料弹性模量的敏感性及其失效后结构的应变能变化量,建立了结构易损性与冗余度评价指标,以衡量在地震作用下构件发生破坏的容易程度及其失效后对结构整体性能的影响.考虑地震作用下结构构件冗余度及易损性差异,通过加强低冗余-高易损构件,同时削弱高冗余-低易损构件,合理调整各类构件截面面积.结果 表明,构件的冗余度和易损性可以准确反映地震作用下结构构件的重要性及发生破坏的容易程度,考虑构件冗余度及易损性差异,调整结构构件面积,可有效提升结构的整体性能及抗震性能.     

Path dependency in hybrid structures with simultaneous ductile and brittle connections and materials

This article considers a steel–stud–concrete hybrid structure with a Fibre Reinforced Polymer plate adhesively-bonded to the steel member. Owing to the combination of ductile and brittle materials and connections present, the failure behavior of such a structure can be influenced by residual stresses, which in turn depend on the plasticity-inducing load paths previously experienced by the structure. Plasticity of only the stud connections generates a different residual stress pattern from plasticity of only the steel member, and an understanding of the mechanics of residual stress generation in each case is fundamental to the development of a framework of ideas on path dependency in such structures. Measurements of deformation do not necessarily permit faithful reconstruction of residual stress profiles, as these measurements typically give total (elastic plus plastic) deformations from the times that the measurements start, while the residual stresses are related to the elastic components of deformation from the times that the structural components were manufactured. Numerical work is thus needed to determine residual stresses. To that end, a verified finite element program is here used to investigate residual stress patterns in the above hybrid structure due to plasticity of either the studs or the steel member. For yield of the steel, the effects on the residual stresses of initial self-equilibrating stresses in the steel member are investigated. Crucial to the success of the analyses are curvilinear or multi-linear loading/unloading constitutive relationships not only for the materials, but also for the connections. The residual stress profiles from the steel yield and stud yield analyses are examined and compared, and ideas for extension of the work are suggested.     

单向应力状态下钢材高温分析的损伤模型

本文结合结构钢材火灾高温分析的特点，通过对Ｌｅｍａｉｔｒｅ关于常温下金属材料延性损伤模型和修改，提出一种适用应力状态下钢材高温分析的损伤模型，为进行钢框架在火灾高温作用下及火灾冷却后的２和损伤分析提供可能性。     

Damage model for flexural strength variation of ferroelectric materials induced by electric field

Ferroelectric material is being used widely in aerospace related applications, namely active control of large flexible space trusses, structure acoustics and helicopter rotary blades. Degradation of material properties affects the safety and reliability of these structural members. In particular, the flexural strength of ferroelectric materials tend to reduce when they are exposed to electric field. Experimentation cannot always explain the underlying reasons of these physical phenomena. To that end, a damage model is presented to study the switching process induced by applied electric field that might be the cause of damage. Furthermore, evolution of internal damage is considered using irreversible thermodynamics. Two relations are assumed to associate the flexural strength with the damage variable. Available test data for three-point-bend test are used to test the model for a PZT material exposed to electric field. The results reveal the validity of the present damage model while the critical strain energy density criterion led to a more reasonable correlation.     

基于神经网络与光纤传感阵列的结构状态监测方法

以探测机敏复合材料与结构内应变、应力及损伤等物理状态的位置信息为目的．提出了一种新颖的可内埋于材料与结构内作为结构状态监测用的强度调制型光纤传感阵列网络，并采用人工神经网络来处理传感阵列输出的并行分布式传感信号，阐述了适用的Ｋｏｈｏｎｅｎ网模型及其变化形式，给出了仿真实验结果     

考虑施工时变效应的大跨空间钢结构合拢方案研究

为减少大跨空间钢结构在施工期间的温度效应,合拢施工的方法逐渐被采用。本文以深圳大运会体育场采用的"折面空间网格结构"为工程背景,依据气象统计资料确定结构合拢施工阶段时的变温度荷载,采用考虑时变效应的施工过程状态非线性分析方法,针对大运会体育场钢结构的四种合拢施工方案进行了全过程模拟分析。对各方案中结构内力和变形的全过程发展进行了比较,结果表明:合拢线的数量对结构的温度效应有较大影响。合拢线由2条增至4条,最大应力和最大位移分别由55MPa和21mm减小至38MPa和17mm,且杆件轴力明显减小;合拢线的位置对结构的温度效应影响较小。不同方向引起的最大温度应力和位移相差分别在5 MPa和1mm以内,其中沿斜向设置合拢线的方案最优。但在实际施工中,沿南北向设置合拢线较为合理。     

基于修正Park-Ang模型的圆钢管构件地震损伤评估

为合理评估薄壁圆钢管构件的地震损伤程度,基于Park-Ang地震损伤模型,通过修正相关参数,建立了适用于圆钢管构件的地震损伤模型。利用圆钢管构件在低周反复荷载作用下的骨架曲线,给出了损伤模型中各待定参数的计算方法,在此基础上通过反演构件破坏点损伤因子为1.0时的模型组合系数,并利用曲线拟合法得到模型组合系数与构件轴压比、长细比和径厚比等参数间的关系式,从而建立构件的地震损伤评估模型。结果表明,修正的Park-Ang损伤模型可较好地评估圆钢管构件的损伤程度,构件达到极限破坏时的损伤因子值收敛于1.0且离散性较小,构件的破坏程度可划分为基本完好、轻微与中等破坏、严重破坏和失效破坏,对应的损伤因子界限值分别为0.02,0.41和1.00。     

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从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形 和损伤过程的量化测试方法. 用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化 的图像,依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化,据 此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标. 研究结果表明,基于漫反射法 和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否 发生了塑性变形,并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法

在导出应力灵敏度的基础上，建立了一种改进的基于应力及其灵敏度的结构拓扑双方向渐进优化算法．该方法是对传统ESO和BESO方法的改进和完善．算例表明该方法能较大程度减少解的振荡状态数，获得更佳的拓扑结构．具有概念上的简洁性和应用上的有效性。