大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法

为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤,本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法,研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法,对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例,验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性;空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应,又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程,从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．     

地下结构多尺度动力分析方法

近年地下结构震害频发,针对目前地下结构抗震研究中实际存在的多尺度动力问题,提出了地下结构多尺度动力分析方法,该方法不需要任何附加的过滤和阻尼就能有效地消除高频波的虚假反射. 以桥域耦合理论为基础,引入拉格朗日乘子将不同尺度区域之间的约束关系,通过能量势函数隐含到动力方程中,推导出不同尺度域的动力控制方程;基于中心差分法,提出了用于地下结构多尺度分析的动力显式算法,以求解所建立的多尺度动力耦合体系. 以实际工程为应用实例,通过与传统的位移耦合方法的对比分析,说明了该多尺度方法用于地下结构动力分析的可行性以及对消除高频波虚假反射的有效性.      

大型土木结构的结构行为一致多尺度模拟——模拟方法与策略

针对大型土木结构以结构健康监测和损伤评估为目标的有限元分析的需要,从理论上探讨了复杂土木结构的结构行为一致多尺度模拟的方法和策略,指出对于大型复杂土木结构而言,适合考虑局部细节特性的结构行为多尺度建模的策略是:对于有限个需要重点关注的局部细节采用"小尺度"建模,而结构其他部分采用"大尺度"建模.针对目前大型复杂土木结构的建模都是借助于大型商用有限元软件,而现有软件都无法直接做到结构行为一致多尺度模拟,文中引入有限元方法中的子结构方法,从数学描述上对传统子结构方法加以改进,使之适合解决结构行为一致多尺度模拟问题.     

多尺度模拟与计算研究进展

简要介绍了多尺问题与研究方法.重点论述了两类常见多尺度问题的模拟计算方法与研究进展,分析了各自的优缺点和使用范围.对现有研究的局限性和存在的问题进行分析,指出了进一步研究多尺度模拟与计算的必要性.介绍了求解含有孤立缺陷问题的非局部准连续体法,MAAD等方法以及求解基于微观模型本构模拟问题的局部连续体法、HMM等方法.文章对多尺度模拟与计算的前景进行展望,提出了一些亟待解决的问题.     

基于高斯曲率极值点的桥梁结构损伤识别方法

目前中小桥梁日常安全巡检存在对检查人员依赖性高、缺乏可量化的科学依据等不足.针对这些问题,本文提出了一种利用高斯曲率极值点对结构进行损伤识别的方法.将桥面视为受弯弹性薄板,根据弹性薄板的弯曲理论得到了在荷载作用下结构刚度变化与桥面弯曲程度(高斯曲率)的理论关系,并由此推导了高斯曲率对结构刚度损伤的敏感程度公式.通过有限...     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

含裂纹结构可靠度的多尺度求解

针对环境作用下金属结构从微观损伤到宏观失效的复杂过程,选用具有局部细化特征的CAS小波,先对疲劳裂纹扩展方程进行离散处理,将微分方程转化为代数方程组,然后用完全积分可靠性分析模型,对一般环境中和引入环境系数的含裂纹结构的可靠度进行求解.最后,验证了利用CAS小波多尺度方法求解复杂环境中结构疲劳破坏过程是可行的,并能很好地解决短裂纹与长裂纹扩展的光滑过渡.     

大型正交异性结构动力学分析的空间-时域多尺度方法及应用

为了更加精确、快速地求解大型正交异性结构整体及局部动力响应,提出了基于有限元模态分析和参数优化的等效及多尺度建模方法,在等效建模时可以充分考虑结构细节对整体动力学属性的影响,在时域内采用基于显式中心差分子循环算法求解系统方程,可以减小局部精细建模带来的求解时间惩罚。通过大型盾构隧道地震响应以及船-桥碰撞过程仿真计算验证了方法的有效性和实用性,仿真得到的响应规律可为相关结构设计提供参考。     

RBF神经网络及其在结构损伤识别中的应用研究

采用具有更好的仿生效果的径向基函数(RBF)网络对单处损伤结构及多处损伤结构的损伤程度、位置、区域、处数进行识别,网络学习方法选择了简单易行、精度高且运算速度快的正交最小二乘(OLS)法.通过实例对该方法进行了测试,并与BP网进行了比较.测试结果可验证:RBF网络及其OLS学习方法可以快速、有效、高精度地识别结构损伤状况.     

ANALYSES ON STRUCTURAL DAMAGE IDENTIFICATION BASED ON CIMBINED PARAMETERS

The relative sensitivities of structural dynamical parameters were analyzed using a directive derivation method. The neural network is able to approximate arbitrary nonlinear mapping relationship, so it is a powerful damage identification tool for unknown systems. A neural network-based approach was presented for the structural damage detection. The combined parameters were presented as the input vector of the neural network, which computed with the change rates of the several former natural frequencies (C), the change ratios of the frequencies (R), and the assurance criterions of flexibilities ( A ). Some numerical simulation examples, such as, cantilever and truss with different damage extends and different damage locations were analyzed. The results indicate that the combined parameters are more suitable for the input patterns of neural networks than the other parameters alone.     

基于小波变换在线结构损伤检测分析研究

传统的傅立叶变换只能确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有空间局部化性质,利用小波变换来分析信号的奇异性及奇异性位置和奇异度的大小是比较有效的.在结构发生损伤时,结构的刚度发生了变化,因此结构动力响应的在线监测信号相应的发生了间断点,由于小波分析具有刻划信号局部特征的作用,通过对结构响应进行小波分解以后可以确定结构是否出现损伤以及确定损伤发生的时刻.     

微结构非局部效应的多重性模型及在微梁弯曲中的应用

基于Eringen非局部弹性理论,直接利用逐次逼近法推导了非局部应力场的精确表达,该精确的非局部应力可具体表示为一个无穷级数的形式.然后以微梁的横向弯曲和纯弯曲变形为例,建立平衡方程并求解及分析了挠度受非局部效应的影响.结果表明:根据所取非局部小尺度参数大小的不同,非局部微梁的弯曲挠度可低于也可以高于经典力学下的挠度,非局部效应的增大可提高亦可降低结构的抗弯刚度.论文结果证明了Wang以及Lim等分别提出的两种相反的非局部模型的各自正确性.同时首次发现,弯曲挠度随着非局部效应的增大而上下波动且存在若干跳跃点,挠度是非局部小尺度参数的非单调函数,研究同时给出了一种确定材料非局部常数的建议途径.     

KOLMOGOROV BEHAVIOR OF NEAR-WALL TURBULENCE AND ITS APPLICATION IN TURBULENCE MODELING

The near-wall behavior of turbulence is re-examined in a way different from that proposed by Hanjalic and Launder¹ and followers^2,3,4,5. It is shown that at a certain distance from the wall, all energetic large eddies will reduce to Kolmogorov eddies (the smallest eddies in turbulence). All the important wall parameters, such as friction velocity, viscous length scale, and mean strain rate at the wall, are characterised by Kolmogorov microscales. According t o this Kolmogorov behavior of near-wall turbulence, the turbulence quantities, such as turbulent kinetic energy, dissipation rate, etc. at the location where the large eddies become “Kolmogorov” eddies, can be estimated by using both direct numerical simulation (DNS) data and asymptotic analysis of near-wall turbulence. This information will provide useful boundary conditions for the turbulent transport equations. As a n example, the concept is incorporated in the standard κ - εmodel which is then applied t o channel and boundary layer flows. Using appropriate boundary conditions (based on Kolmogorov behaviour of near-wall turbulence), there is no need for any wall-modification to the κ - ε equations (including model constants). Results compare very well with the DNS and experimental data.     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

基于应变梯度的损伤局部化研究及应用

提出一种包含应变梯度项的损伤力学模型，并将其应用于材料的局部化损伤模拟预测中。有限元实现中使用C1连续高精度单元以保证包含应变梯度的影响。简单规则矩形网格情况下将结点处有限差分应变梯度结果与有限元方法结合，可避免对传统有限元程序作较大改动，同时能在不降低精度情况下提高计算效率。计算表明该梯度损伤模型可较好避免有限元在局部化模拟时的网格依赖性，预测出的局部化损伤与实际破坏情况非常相近。     

结构优化中的建模方法概述

建立优化模型是结构优化前的最佳选择. 由于工程实际问题的复杂性, 很难建立显式表达的模型, 即使少数问题能够建立显式表达的模型, 也难以求解. 因此需要借助近似方法建立模型, 为了便于求解或提高求解效率, 通常还要对模型进行变换. 文中列举了结构优化中常用的近似建模方法, 并根据建立近似显式的途径和敏度分析的方法对其进行分类, 详细介绍了近几年来广泛应用的样本点构造方法, 然后描述了它们在结构优化中的应用和具体实现过程, 分析了它们的优缺点和应用范围, 指出了结构优化建模方法今后的发展方向.      

多尺度法的推广及在非线性黏弹性系统的应用

黏弹性材料在航空、机械、土木等领域具有广阔的应用前景,而具有1.5自由度的非线性Zener模型能更好地描述其特性.因此,研究多尺度法的推广和应用具有重要意义.在传统多尺度法的基础上,推广并利用多尺度法对非线性奇数阶微分方程进行研究,解决非线性奇数阶系统的动力学求解问题.以非线性Zener模型为例,首先通过推广的多尺度法...     

气固两相流动的湍流脉动扩散数学模型及其应用

本文提出了气固两相流动的湍流扩展数学模型，本模型用k-ε双方程模型求解气相湍流场，并根据气流脉动的频谱、能谱曲线提出了随机富工级数来模拟气相脉动速度，用拉氏方法描述颗粒的运动，故称为脉动频谱随机颗粒轨道模型。本文还给出了本模型在气固多相射流和流化床内应用的实例。