土木结构损伤多尺度并发计算方法及其应用

大型土木结构的损伤破坏是跨尺度演化的结果, 因此单一尺度下的结构分析难以正确地反映结构的非线性损伤失效过程。该文根据结构损伤在宏观、细观尺度下的不同特征建立结构一致多尺度模型, 并通过多点约束法进行跨尺度关联, 实现了结构整体线弹性响应分析和局部细节易损部位的细观层次上弹塑性损伤分析的并发进行。计算结果表明:该文提出的结构损伤多尺度并发计算方法能够兼顾结构整体上的线弹性响应和局部易损部位在细观层次上的塑性损伤特征, 在对结构多尺度响应与损伤特征进行准确描述的基础上, 能够获得结构易损局部的细观损伤状态、演化过程及其对结构宏观响应与失效的影响。     

复合材料多尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟

复合材料具有多尺度特性,多尺度模拟方法能够考虑细观损伤、演变对宏观材料性能和力学行为的影响,是复合材料响应分析的一种重要方法和手段。基于多尺度渐进展开理论,对复合材料弹性问题控制方程进行尺度分解,推导了细观尺度与宏观尺度的控制方程,建立了复合材料宏观和细观尺度响应之间的关联。基于协同多尺度计算策略,利用通用有限元软件的用户子程序与脚本二次开发,在宏观模型计算中实时调用细观模型进行多尺度渐进损伤模拟,实现了宏观和细观尺度的信息传递与反馈。建立的复合材料多尺度数值模拟方法可以快速集成细观损伤模型以及宏观唯象强度理论,具有良好的通用性。碳/碳复合材料拉伸模拟算例结果与试验结果吻合较好。     

点蚀损伤下海洋平台结构剩余强度的多尺度分析方法

均匀腐蚀损伤影响结构承载力的研究已趋于成熟,但点蚀损伤影响整体结构承载力的规律及其局部损伤的演化行为仍不明确。该文采用均匀分布的圆柱体点蚀损伤模型,探讨在宏观结构尺度中点蚀损伤的描述、多尺度区域的划分和跨尺度界面的连接以及结构非线性的求解方法,提出了研究考虑细观尺度点蚀损伤的海洋平台结构多尺度模型的构建和计算方法。计算结果表明:该文提出的多尺度模型构建策略有效地解决了细观尺度点蚀损伤在宏观结构尺度中的描述问题,且所建多尺度模型能够体现点蚀损伤削弱结构极限承载力的规律,为评估在役海洋平台结构的剩余强度提供了可行的方法。     

结构疲劳损伤演化过程的多尺度同步观测与分析

大型土木结构的失效劣化过程是一个跨尺度损伤演化过程,在相同的时间节点不同的空间尺度下,通常表现出独特的损伤演化响应特征和力学特性。该文以某大型桥梁纵向加劲钢桁架的缩尺模型为研究对象开展疲劳损伤演化过程多尺度同步观测试验工作,综合运用电测技术、光测技术和动态测试技术实时监测桁架疲劳损伤演化过程,据此分析对比桁架在细观和宏观尺度下的损伤演化响应特征和力学特性。在电测技术观测到桁架局部疲劳裂纹萌生之后,光测和动态测试技术得以继续追踪疲劳裂纹的扩展过程并评价局部损伤演化对构件以及结构整体力学特性的影响,结果表明:结构局部细观尺度上的损伤演化不至于影响结构宏观尺度的整体力学特性,但是局部损伤的累积必将导致结构失效劣化。     

三维编织复合材料制件的细观单胞元分析

讨论了实现三维编织复合材料细观结构与宏观响应直接相关连的计算方法——细观单胞元法。该方法采用细观结构单胞作为离散单元对三维编织复合材料制件进行宏观网格剖分,在细观结构分析的基础上,将微结构上的物理量转换为细观单胞元的宏观节点变量,建立了细观单胞元刚度矩阵的求解方法。数值结果表明,该方法能反映细观结构参数的变化对材料宏观物理量的影响。     

三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。      

编织复合材料的一种数值模型

提出编织复合材料的一种均匀化的数值模型,为工程应用提供了简便而有较高精度的数值计算方法。首先,对于编织复合材料的代表性单胞建立了精细有限元的胞元模型;其次,将单胞有限元分析结果引入基于三类变量广义变分原理的三维体罚单元,从而将一类有细观编织结构的复合材料等效为可用于宏观尺度计算的复合材料单元。通过数值算例将此方法的计算结果与实验和其他数值计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性。     

混凝土单轴抗压强度三维细观数值仿真

该文在细观层面上将混凝土看作粗骨料、砂浆、界面、初始缺陷组成的四相复合材料, 给出了三维随机缺陷界面弹簧元模型模拟混凝土单轴抗压强度的数值方法。讨论了初始缺陷含量及其分布的确定方法以及界面细观计算参数的取值范围。数值模拟结果表明:混凝土的抗压强度随着初始缺陷含量的增加有大幅度降低;当界面初始缺陷含量为30%时, 混凝土抗压强度的计算值与试验值吻合较好。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究

分别建立了轴向载荷作用下正置正交薄壁加筋圆柱壳结构优化设计的数学模型和有限元分析模型,应用Ansys软件进行优化计算,讨论了外载荷、材料屈服极限对优化设计的影响,以及结构参数对薄壁加筋圆柱壳结构的临界载荷和屈曲模式的影响。基于有限元分析的研究结论,发展了一种薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,给出设计算例的优化结果,并将两...     

A second-order reduced multiscale method for nonlinear shell structures with orthogonal periodic configurations

This article develops an efficient second-order reduced multiscale (SORM) method to study the nonlinear shell structure with orthogonal periodic configurations. The heterogenous shell structure is periodically distributed in orthogonal curvilinear coordinate systems. At first, the nonlinear problems for the shell structure are introduced, and the detailed higher-order nonlinear multiscale formulas based on the asymptotic homogenization approach are given including microscale unit cell functions, effective material parameter and the homogenized equation. Also, since it requires a large number of computation cost to solve the nonlinear multiscale problems by the traditional high-order homogenization methods, the novel reduced order multiscale model is constructed. Further, according to the reduced-order multiscale models and higher-order nonlinear formulas, an effective SORM algorithm is provided for studying the nonlinear shell structures. The main characteristics of the proposed algorithm are that the novel reduced forms established to investigate the nonlinear shell structures and an efficient higher-order homogenized solution evaluated by postprocessing that does not need higher-order continuities of the homogenization solutions. Finally, according to some typical nonlinear examples including block structures, cylindrical shell and double-curved shallow shell, the availabilities of the SORM algorithm are confirmed.     

Multiscale modelling approach for predicting solidification structure evolution in vacuum arc remelted superalloy ingots

Abstract

The present paper describes the mathematical development and validation of a comprehensive stochastic model capable of predicting at the mesoscopic level the solidification structure, Laves, and NbC phases in superalloy ingots processed by vacuum arc remelting (VAR) technology. The multiscale modelling approach consists of a coupling between a fully transient deterministic macroscopic code and a stochastic mesoscopic solidification structure code. Predictions from the model were validated against experimental measurements. Multiscale model predictions are compared against a commercial size VAR ingot.     

基于解析解和边界元解的圆柱壳声辐射对比研究

针对工程广泛应用的圆柱壳结构,首次运用解析法探讨了边界元软件Sysnoise两种加载方式—基于单元(Element)加载和基于节点(Node)加载—对声辐射影响,以及两种加载方式在网格加密情况下的收敛性问题。得到一些对工程计算的有益结论：① 基于单元(Element)加载方式得到的结果要好于基于节点(Node)加载方式;② 基于单元(Element)加载方式网格加密时收敛到解析解,而基于节点(Node)加载方式网格加密后,不一定得到收敛结果。     

多尺度材料模型研究及应用

在分别介绍宏观,介观,微观,原子和电子尺度材料模型研究的基础上,论述了多尺度材料模型（MMM）这一新兴的跨学科的前沿研究领域产生的前提,概念主其在材料科学,特别是在宏观形变及新断裂过程研究中的重要作用,综合分析了多种跨尺度关联方法的原理,技术方案及其应用,并探讨了当前多尺度研究的热点及进一步发展的方向。     

Effect of process parameters on grain structure formation during VAR of INCONEL alloy 718

The development of grain structure during Vacuum Arc Remelting (VAR) of INCONEL¹ alloy 718, a nickel-based superalloy, is complex depending both on compositional variations and a range of process parameters. A multiscale model is presented which combines a macroscopic solution of the heat transfer, fluid flow and electromagnetism with a mesoscopic model of grain nucleation and growth. The model was used to investigate the influence of variations in process control parameters upon the macroscopic molten pool size and shape, together with the predicted grain structure. Simulations of structures produced for variations in melt rate, arc power and arc focus (both thermal and electrical) were compared with observations from instrumented and characterized plant-trials for steady state melting conditions; good agreement was achieved.     

拆除爆破研究中数值分析方法的比较与选择

概述了数值分析法的分类。介绍了平面杆系有限元法、离散元法、数值流形法和不连续变形分析等几种数值分析方法。简单地讨论了平面杆系有限元法的分析步骤以及在拆除爆破中适于解决的问题 ;同时叙述了流形分析中采用的有限覆盖技术。通过分析和比较这几种方法在拆除爆破研究中的应用 ,作者认为 ,当前应用传统的有限元法进行爆破理论研究或拆除爆破模拟存在一些困难 ;离散元法用于拆除爆破理论的研究是可行的 ;不连续变形分析法对于拆除爆破模拟研究是一种具有良好前景的数值方法     

拆除爆破研究中数值分析方法的比较与选择

概述了数值分析法的分类。介绍了平面杆系有限元法、离散元法、数值流形法和不连续变形分析等几种数值分析方法。简单地讨论了平面杆系有限元法的分析步骤以及在拆除爆破中适于解决的问题 ;同时叙述了流形分析中采用的有限覆盖技术。通过分析和比较这几种方法在拆除爆破研究中的应用 ,作者认为 ,当前应用传统的有限元法进行爆破理论研究或拆除爆破模拟存在一些困难 ;离散元法用于拆除爆破理论的研究是可行的 ;不连续变形分析法对于拆除爆破模拟研究是一种具有良好前景的数值方法