结构损伤演化过程的时空多尺度计算方法及其应用

发布时间：2020-05-31 16:43

【摘要】：土木工程结构的损伤演化过程跨越多个时空尺度。在土木工程结构中,材料内部微、细观缺陷与宏观结构在空间尺度上存在显著差异,并且不同尺度上以及不同荷载所造成的损伤演化速率也大有不同,这使得传统单一尺度上的损伤分析难以准确描述结构材料内部微、细观损伤演化规律与结构整体劣化之间的联系,也无法合理有效的分析不同损伤演化速率下的损伤演化过程,给结构损伤分析和全寿命安全评估带来隐患。为了满足工程结构安全性分析的需要和研究土木工程结构时空多尺度的损伤机理,本文致力于建立工程结构损伤多尺度演化致结构失效过程的计算方法。论文的主要研究工作和成果如下:在连续介质损伤力学基础上,建立了能够描述损伤演化导致的材料伪软化现象的本构方程,并通过材料性能实验反演了工程用钢的损伤参数;基于ABAQUS的二次开发接口编写了描述钢材伪软化行为的用户材料子程序,并通过与解析解对比验证了子程序的正确性和有效性。对两种钢梁柱节点和含有梁柱节点的二层钢框架在拟地震反复荷载作用下的结构响应进行分析,研究了钢结构局部材料细观损伤演化过程,探索了损伤演化导致的材料伪软化行为与钢梁柱节点抗震性能劣化之间的关系,并基于二层钢框架的空间多尺度模型分析了钢材伪软化行为与钢框架抗震性能劣化的关系。计算结果表明,材料子程序是正确且能有效描述损伤演化致材料伪软化现象;考虑损伤伪软化得到的仿真结果更符合工程实际,在工程结构损伤失效过程分析中应当考虑材料的伪软化行为;材料的伪软化行为对钢构件的抗震性能有影响,其中刚度退化系数、强度退化系数受到影响大,而粘滞阻尼系数受到影响较小;在拟地震荷载加载初期,材料的伪软化行为对钢框架的抗震性能没有影响,可以忽略;在钢框架破坏前,伪软化区域会急剧扩展,钢框架整体抗震性能有明显的降低。相比构件层次,钢框架的性能参数劣化更加突然、迅速。钢构件和钢框架的骨架曲线非线性阶段均可以划分为强化和软化两个阶段。材料伪软化区域面积的增加,与构件和框架性能的劣化与失效相关。论文基于非重叠型区域分解算法,建立了适用于工程结构多尺度损伤分析的串行子结构非线性计算方法。算法将工程问题分解成若干子结构问题,有效降低工程结构模型的计算规模。在调研商业软件ABAQUS的多种开发接口的基础上,提出了两种可行的实施方法,考虑程序调试方便性和可移植性,选择通过ABAQUS二次开发接口编写Python程序来具体实施。基于非重叠性区域分解方法中的D-N计算方法,建立了含缺陷桁架梁的宏观-细观多尺度模型,对含缺陷桁架梁在荷载作用下的响应进行分析,验证所建立算法的可行性。通过大量的数值实验分析了松弛因子,计算精度,网格尺寸之比,初始尝试位移等参数对算法收敛特性的影响。结果发现,在计算收敛的情况下,应增大松弛因子以提高计算效率;选择合适的初始位移矩阵也能有效提高计算效率。计算中在宏细观模型交界面上不可避免的引入了简化的边界方程,会导致宏细观模型在交界面上应力不连续。串行子结构非线性计算方法是按顺序依次计算各细观子结构、宏观子结构,可以将算法改进使其具有更高的并行性。基于重叠型区域分解算法,建立了适用于工程结构跨尺度损伤分析的并行子结构非线性计算方法,并通过大型商业软件ABAQUS的二次开发接口编写Python程序以实现该算法。建立“L”型混凝土构件的含多个子结构的多尺度模型,并对其在荷载作用下的损伤特性进行分析。结果表明,并行子结构非线性算法能够用来求解具有强非线性的结构损伤失效问题。通过数值实验研究了并行子结构非线性计算中多个参数对收敛速度和精度的影响,如果对计算精度不是特别苛刻,应当在算法允许的范围内将松弛因子取大值,可以有效提高计算效率。这些计算结果为并行子结构非线性算法应用于工程实践打下基础。提出了疲劳损伤时间多尺度演化过程问题的求解策略,并通过编写Python脚本程序和用户子程序建立了时间多尺度损伤演化过程的实施算法。提出适用于高周疲劳损伤累积过程分析的步长自适应算法,以青马大桥的热点部位为分析对象,基于两类疲劳准则,分析了其在高周疲劳荷载作用下的损伤状态。结果表明,线性Miner准则预测得到的结构寿命偏保守,当使用非线性损伤演化准则预测结构寿命时,自适应算法能有效提高计算效率。将时间多尺度方法应用于高低周疲劳损伤累积过程分析,建立既有工业建筑结构的空间多尺度模型,并使用两类疲劳准则计算既有工业建筑在常规服役荷载和突发地震荷载共同作用下的损伤状态和残余寿命。计算结果表明,在服役过程中吊车梁变截面处B点易出现宏观裂纹;高周疲劳荷载会使得结构的损伤集中于某处,地震作用会增加结构易损部位的损伤值,降低结构寿命。计算结果侧面验证了时间多尺度求解策略的可行性。
【图文】：

名义应力,应变关系,荷载作用

因此耦合塑性损伤理论可以描述钢材的伪软化现象。图 2.2 单向反复拉压荷载作用下名义应力-应变关系图2.2 本构方程中的参数反演为了能够准确的分析计算工程结构在地震荷载作用下的响应，首先应该对损伤本构方程中的材料参数进行反演。选择一个标准拉伸试件进行实验以反演参数，试件中间有一个削弱面，因此单向拉伸反复荷载作用下削弱局部会产生很大的塑性变形和应力集中并最终在削弱面附近破坏，实验得到的最终位移荷载曲线如图 2.3 所示。表 2.1 Q235 力学性能和损伤演化参数E0 y0h HkpDS0Dcr215GPa 0.31 245MPa 0.17 1.25GPa 0.01 0.281MPa 0.8从图 2.3 可以看出整个试验过程进行了九次卸载，对数据处理可以得到卸载过程中弹性模量，通过式（2.6）就可以计算得到每一次卸载时的损伤值。在标准试件的削弱处前后分别粘贴一个大变形应变计，以此来获取削弱面在加载过程中的应变值，需要注意的是应变片本身是有一定的大小，测试得到的应变实际是应变片所粘贴区域应变的平均值，考虑到应变片本身较小，，将其作为削弱处应变；利用已经得到的九个卸载点的塑性

缩尺模型,钢桁架,子结构

的方法所得到的代码对所计算的算例针对性很强，很差。相比而言，通过 ABAQUS 脚本的代码具有甚至模块都可以直接被应用到其他结构计算当中去n 脚本程序来进行实现串行子结构非线性计算方法。构件多尺度损伤演化过程分析行子结构非线性算法的计算框架，在调研商业软件行的实施办法。接下来将使用串行子结构非线性算演化分析，验证所建立算法的有效性。并通过一系。, 36, 38, 41]曾对青马大桥和青马大桥中的典型桁架缩尺结构形状分别如图 3.3 所示。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU317

【参考文献】