粗粒土与结构接触面受载过程中的损伤

进行了粗粒上与结构接触面单调和循环加载试验,基于宏细观测量结果,扩展了损伤概念以描述该类接触面在受载过程中的物态演化,及由于物态演化导致的力学特性从初始状态到最终稳定状态的连续变化过程.揭示了接触面损伤的细观物理基础主要是接触面内土的颗牲破碎和剪切压密这两种物态演化;指出接触面的剪胀体应变可以划分为可逆性和不可逆性剪胀体应变两部分,其中不可逆性剪胀体应变可作为接触面损伤发展的宏观量度,因此其归一化形式可作为一种损伤因子的定义;提出了建立粗粒土与结构接触面一种损伤本构关系的基本思路.     

接触面损伤演化过程的数值模型

结合接触面在细观尺度上的非均匀性及其损伤演化规律,提出了一种可以考虑接触面损伤演化过程的数值模型.数值模拟得到的剪切应力-剪切位移关系表明:随着剪切位移的增加,接触面上产生的损伤单元导致曲线斜率逐渐降低;当接触面被完全剪断后,模型中的剪切应力出现了一定程度的下降,此后的剪应力在摩擦力的作用下基本保持不变.模型所能承受的...     

基于细观拓扑结构演化的颗粒材料剪胀性分析

剪胀性是包括岩土材料在内的摩擦性颗粒材料的重要特征之一,其形成机制与颗粒体系内部拓扑结构的演化有关.基于颗粒体系细观数据,可对颗粒体系内部的拓扑结构特征及演化进行分析,进而建立拓扑演化与宏观剪胀变形之间的联系.采用离散单元法,根据密实、中密和松散摩擦性颗粒材料双轴试验的宏微观数据,从拓扑参量演化及接触网络拓扑变化所引起...     

弹塑性耦合张量的宏细观对偶形式

依据弹塑性耦合问题的不同类型，应用广义正交原理，在应变空间上推导出已知宏、细观形变规律情况下两种不同形式的弹塑性耦合张量理论表达式及其显形式。该两类弹塑性耦合张量作为宏、细观的对耦形式可应用于体胞模型的损伤力学理论分析与数值计算。     

砌体复合剪压受力特性与数值分析方法

 从砌体细观结构出发，提出了用于砌体复合剪压受力过程模拟的细观力学 模型. 该模型假定砌体是由砂浆、块体及两者之间的粘结带组成的三相复合材料，以此为基 础对砌体三相组成的非均匀性予以表征. 提出了基于弹性损伤力学的本构关系，以最大拉应 力准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阈值，并借助复合材料破坏过程分析(MFPA)程序进 行受力分析. 结果表明，所采用的数值模型和模拟方法能够较好地模拟砌体复合剪压受力破 坏过程，为砌体开裂过程的机理分析提供了一种新的数值方法.     

双连梁短肢剪力墙结构的随机损伤演化分析

基本于概率密度演化方法和混凝土弹塑性损伤本构模型,本文针对一类新型双连梁短肢剪力墙开展了随机损失演化模拟研究.基于广义概率密度方程分别研究了结构荷载与受拉、受剪损伤随机过程,分析了三者在结构受力全过程中均值、方差以及变异系数的变化特征;通过不同随机参数组合计算结果与结构均值反应的对比,发现宏观结构荷载-位移曲线和细观受拉、受剪损伤随位移变化过程之间存在很大差异;通过分析研究典型位移水平下结构荷载与受拉、受剪损伤的概率密度曲线以及其极限状态下各自所对应的等概率线分布,不仅阐释了随机损伤演化的多样性与复杂性,而且为从本质上认识非线性问题提供了可能途径.     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明,数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合,本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性,为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

弹塑性耦合张量的宏细观对耦形式

依据弹塑性耦合问题的不同类型，应用广义正交原理，在应变空间上推导出已知宏、细观形变规律情况下两种不同形式的弹塑性耦合张量理论表达式及其显形式。该两类弹塑性耦合张量作为宏、细观的对耦形式可应用于体胞模型的损伤力学理论分析与数值计算。     

砂土的应力空间特征面及物态模型

依据饱和砂土的剪缩剪胀性在往返荷载下的反应性状 ,揭示了饱和砂土具有初剪缩、次剪缩、剪胀、反向剪缩和弹性剪切等不同物态 ,它们在有效应力空间具有不同的路径变化。进而 ,在状态边界面和物态转换面的基础上 ,又引入了应力历史边界面和初始屈服面 ,通过有效应力状态点及应力历史边界面和初始屈服面的运动规律 ,建立了饱和砂土物态变化的数学描述 ,可区分不同的物态变化     

粘弹性随机有限元

以近似不可压缩粘弹增量有限元和摄动法为基础,利用增量法处理遗传积分,应用参数摄动考虑随机性,采用局部平均方法对随机场进行离散,通过相关结构分解减少计算量,发展了一种粘弹性随机有限元方法.研究表明,尽管粘弹性材料本构关系具有时间相依性,其随机摄动格式并不存在"长期项"的影响.应用该方法进行粘弹性结构的随机模拟,程序实施简单,计算效率较高、精度较高.     

随机桁架结构的非平稳随机动力响应分析

本文研究了随机桁架结构在非平稳随机激励下的动力响应问题。在利用随机因子法分析随机结构动力特性的基础上，给出了一种分析随机结构非平稳随机响应的新方法。从结构非平稳随机响应的表达式出发，同时考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，导出了随机桁架结构在非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响。本文方法具有对随机结构进行一次动力分析便可求得动力响应的数字特征，且可以考察结构任一参数的随机性对结构非平稳随机响应分析结果的影响之优点。     

Large deformations of nonlinear viscoelastic and multi-responsive beams

This study presents analyses of deformations in nonlinear viscoelastic beams that experience large displacements and rotations due to mechanical, thermal, and electrical stimuli. The studied beams are relatively thin so that the effect of the transverse shear deformation is neglected, and the stretch along the transverse axis of the beams is also ignored. It is assumed that the plane that is perpendicular to the longitudinal axis of the undeformed beam remains plane during the deformations. The nonlinear kinematics of the finite strain beam theory presented by Reissner [27] is adopted, and a nonlinear viscoelastic constitutive relation based on a quasi-linear viscoelastic (QLV) model is considered for the beams. Deformation in beams due to mechanical, thermal, and electric field inputs are incorporated through the use of time integral functions, by separating the time-dependent function and nonlinear measures of field variables. The nonlinear measures are formulated by including higher order terms of the field variables, i.e. strain, temperature, and electric field. Responses of beams under mechanical, thermal, and electrical stimuli are illustrated and the effects of nonlinear constitutive relations on the overall deformations of the beams are highlighted.     

基于近场动力学的薄板弯曲大变形及断裂分析

薄板结构仅在较小的荷载下就能产生较大的位移、旋转,甚至引发结构产生裂纹并扩展,进而发生结构整体断裂,因此,建立薄板结构在大变形过程中的裂纹扩展及断裂仿真模型,具有重要的工程实际意义.文章建立了用于薄板结构几何大变形和断裂分析的近场动力学(PD)和连续介质力学(CCM)耦合模型.首先基于冯·卡门假设,采用更新的拉格朗日法得到薄板在几何大变形增量步下的虚应变能密度增量公式,并利用虚功原理和均质化假设求出几何大变形微梁键的本构模型参数;接着分别建立几何大变形薄板PD模型与CCM模型的虚应变能密度增量,并建立了薄板几何大变形PD-CCM耦合模型;最后模拟了薄板结构在横向变形作用下的渐进断裂过程,得到与实验结果高度一致的仿真结果,验证了所提出的几何非线性PD-CCM耦合模型的精度.结果表明:本文所提出的薄板PD-CCM耦合模型具有简单高效,无需考虑材料参数限制和边界效应的特点,可以很好地用于预测薄板结构在几何大变形过程中的局部损伤和结构断裂,有利于薄板结构的断裂安全评价和理论发展.     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

随机杆系结构几何非线性分析的递推求解方法

建立了随机静力作用下考虑几何非线性的随机杆系结构的随机非线性平衡方程. 将和 位移耦合的随机割线弹性模量以及随机响应量表示为非正交多项式展开式,运用传统的摄动方法获 得了关于非正交多项式展式的待定系数的确定性的递推方程. 在求解了待定系数后,利用非 正交多项式展开式和正交多项式展开式的关系矩阵,可以很方便地得到未知响应量的二阶统计矩. 两杆结构和平面桁架拱的算例结果表明,当随机量涨落较大时,递推随机有限元方法比基于 二阶泰勒展开的摄动随机有限元方法更逼近蒙特卡洛模拟结果,显示了该方法对几何非线性 随机问题求解的有效性.     

随机参数天线结构的概率优化设计

研究了具有随机参数天线结构基于概率的优化设计问题。同时考虑了结构物理参数、几何尺寸和作用荷载等的随机性;应用有限元方法与结构可靠性理论对抛物面天线反射面精度的可靠性和结构单元强度、稳定性和可靠性进行了分析;在此基础上构建了基于概率的天线背架结构优化设计模型。对8m口径天线结构的优化结果表明:文中提出的天线结构分析和优化设计模型与方法是合理可行的。     

考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性,对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法,提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法,并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先,考虑随机因素的空间变异性,采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量,并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式;然后,采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量,并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标,从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明,该方法具有较高的计算精度和计算效率;随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感;随着随机场相关偏度和变异性的增大,框架结构的可靠指标逐渐减小,说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

Estimation of stochastic nonlinear dynamic response of rock-fill dams with uncertain material parameters for non-stationary random seismic excitation

This research investigates the effect of uncertain material parameters on the stochastic, dynamic response of a rock-fill dam-foundation system subjected to non-stationary random excitation. The uncertain material parameter of particular interest is the shear modulus, developed from a lognormal distribution model. The stochastic seismic response model of the dam-foundation system, with uncertain material parameters and subjected to random loads is the result of a Monte Carlo simulation method. The nonlinear behavior model arises from an equivalent linear method, which considers the nonlinear variation of soil shear modulus and soil damping as a function of shear strain. Specification of the non-stationary stochastic process arises from a simulation method, which generates artificial earthquake accelerograms obtained from the product of a deterministic function of time and a stationary process. The artificial earthquake ground acceleration records reflect the characteristics of soft, medium and firm soil types. Comparison of the numerical results from these approaches provides stochasticity in earthquake seismic excitation and randomness in material parameter (shear modulus) cases. Further, the results indicate that both these cases generally influence the nonlinear dynamic response of rock-fill dams to a non-stationary seismic excitation.     

Nonlinear vibrations and stability of elastic and viscoelastic systems under random stationary loads

The paper deals with numerical analysis of nonlinear vibrations of viscoelastic systems under a stochastic action in the form of a Gaussian stationary process with rational spectral density. The analysis is based on numerical simulation of the original stationary process, numerical solution of the differential equations describing the motion of the system, and computation of the maximum Lyapunov exponent if the stability of this motion is studied. An example of a plate subjected to a random stationary load applied in its plane is used to consider specific issues concerning the application of the proposed method and the peculiarities of the behavior of geometrically nonlinear elastic and viscoelastic stochastic systems. Special attention is paid to the interaction of a deterministic periodic action and a stochastic action from the viewpoint of stability of the system motion. It is shown that in some cases imposing a “colored” noise may stabilize an unstable system subjected to a periodic load.