大跨橋梁疲勞性能衰退的多尺度分析與壽命預測

本課題面向目前橋梁結構疲勞壽命預測領域尚無法考慮橋梁服役期內由于材料性能劣化、局部損傷累積、交通流量增加等重要因素所導致的疲勞性能衰退的問題，研究了涉及結構疲勞性能衰退的結構多尺度的建模策略、模型修正和驗證技術、結構最不利部位的疲勞損傷檢測技術、以及橋梁關鍵構件疲勞狀態(tài)評定、壽命預測與可靠性評估等關鍵問題。一方面，結合大跨橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于實時監(jiān)測信息和時間多尺度分析與信息集成、分離與提取技術,研究了結構疲勞狀態(tài)反演(反分析)的疲勞狀態(tài)識別方法，對當前結構響應指紋信息進行提取并完成了程序實現(xiàn)。另一方面，突破了單一的反分析的診斷方法，建立了以疲勞損傷累積和劣化過程分析為目標的橋梁結構一致多尺度有限元模型，探討了多尺度模型的修正和驗證技術，基于該模型模擬和分析了橋梁結構疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結構疲勞性能衰退分析基礎上預測結構疲勞壽命并進行了疲勞可靠度的更新。主要研究內容有：建立了一個兼顧結構整體尺度、局部構件尺度和局部細節(jié)尺度的橋梁結構有限元模型，實現(xiàn)了在同一模型上同時提取結構整體響應、焊接細節(jié)處局部損傷累積信息；研究了基于橋梁竣工試驗的測試信息和健康監(jiān)測信息的模型修正和模型驗證技術，為結構狀態(tài)評估和失效仿真分析提供了準確的基準模型；進一步深化多尺度有限元模型，針對疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展兩個不同階段，建立了面向結構疲勞性能衰退分析和疲勞狀態(tài)評估為目標的多尺度模型；基于橋梁監(jiān)測信息和人工檢測、無損探傷等手段獲得的橋梁結構銹蝕、裂紋、損傷狀態(tài)修改和修正模型; 深入研究了環(huán)境參數(shù)變化和隨機性因素對結構疲勞狀態(tài)特征指標的影響，確保在變化的環(huán)境參數(shù)下能夠準確識別結構的疲勞狀態(tài)；創(chuàng)建了基于疲勞性能衰退過程分析進行橋梁結構關鍵焊接構件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預測與時變可靠性評估方法。最后，編制了與橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)相配套的疲勞壽命和疲勞可靠性可視化的程序，以期與現(xiàn)有的疲勞狀態(tài)識別和壽命預測的軟件相集成，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準確的壽命評估提供依據(jù)。借助本項目的資助，完成論文7篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄3篇，完成專著1部，參與的項目“長大跨橋梁結構狀態(tài)評估關鍵技術與應用”，分別獲得2012年度江蘇省科技進步一等獎，和2013年度國家科技進步二等獎。已經(jīng)受理的發(fā)明專利4項。 2100433B

目前橋梁疲勞壽命預測尚無法考慮橋梁服役期內由于材料性能劣化、局部損傷累積以及交通流量增加等重要因素所導致的疲勞性能衰退。本課題擬結合橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立以疲勞損傷累積過程分析為目標的橋梁結構多尺度有限元模型，模擬和分析橋梁結構疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結構疲勞性能衰退分析基礎上預測疲勞壽命。主要研究內容有：建立一個兼顧結構整體尺度、局部構件尺度和局部細節(jié)尺度的橋梁結構有限元模型，以實現(xiàn)在同一模型上同時提取結構整體響應、焊接細節(jié)處局部損傷累積信息；基于橋梁監(jiān)測信息和人工檢測、無損探傷等手段獲得的橋梁結構銹蝕、裂紋、損傷狀態(tài)修改和修正模型；探索典型橋梁焊接構件和錨固件在不同鋼結構局部銹蝕程度上，其疲勞強度衰退模型；創(chuàng)建基于疲勞性能衰退過程分析進行橋梁結構關鍵焊接構件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預測與時變可靠性評估方法，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準確的壽命評估提供依據(jù)。

序

Preface

前言

第1章導論

1.1材料的特性源自材料的原子結構與微觀結構

1.2多尺度分析的研究目標、內容及串行式與并行式的研究方法

1.3材料設計中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區(qū)別

1.4.3時間多尺度問題

1.5不同應用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學行為的微、細、宏觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫(yī)療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷涂層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質纖維的嵌套結構與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉換分析中原子尺度與連續(xù)介質尺度的連接

1.6國際上多尺度分析的發(fā)展概況

1.6.1總的態(tài)勢

1.6.2跨原子/連續(xù)介質(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續(xù)介質微/細/宏觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內容設置

思考與探索

參考文獻

第2章分子動力學要義及其與量子力學的能量連接

2.1分子動力學的發(fā)展概況及其重要性

2.1.1從發(fā)展趨勢看研究分子動力學的意義

2.1.2分子動力學的一些研究領域

2.1.3分子動力學的時空尺度

2.2分子動力學的運動方程、勢能函數(shù)、力與應力

2.2.1質點運動的拉格朗日方程

2.2.2勢能函數(shù)U及作用于原子上的力與應力

2.3分子動力學的算法及其精度

2.3.1數(shù)值積分過程

2.3.2差分表達式

2.3.3Vetlet數(shù)值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計算與邊界條件的處理

2.4.1分子動力學程序中力的計算算法

2.4.2分子動力學程序中力的并行算法

2.4.3分子動力學中邊界條件的處理方法

2.5多體交互作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動力學模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經(jīng)驗勢中的參數(shù)

2.7.1LJ對勢函數(shù)參數(shù)e與a的估算

2.7.2LB混合律對指數(shù)勢及Morse勢三參數(shù)的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函數(shù)及其參數(shù)的確定

2.7.4用于研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函數(shù)

2.7.5分數(shù)式離子鍵固體勢函數(shù)

2.8如何確定分子動力學模型的原子結構坐標及進行圖形顯示

2.8.1分子動力學模型原子結構坐標的確定

2.8.2分子動力學的圖形顯示

2.9如何采用軟件進行分子動力學的計算

2.9.1DL_Poly軟件簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件庫及輸入文件的內容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出文件

2.10量子力學與分子動力學的能量連接

2.10.1原子內的能量平衡及量子力學的基本概念

2.10.2分子動力學與量子力學的耦合

2.10.3薛定諤方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統(tǒng)的能量

2.10.5求解量子力學基本方程實現(xiàn)耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實例：納米涂層及植入物與液體界面分析中的分子動力學計算

2.11.1基本方法

2.11.2對勢函數(shù)的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪切抗力的計算

2.11.4植入物與水一蛋白質系統(tǒng)界面的分子動力學計算

參考文獻

第3章跨原子/連續(xù)介質多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區(qū)域的分割及其耦合

3.2.2系統(tǒng)的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區(qū)的一般設計及MAAD的特點

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運動方程的推導

3.3.2分子動力學與有限元耦合的數(shù)值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續(xù)介質尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關于Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基于Cauchy-Born法則的跨原子/連續(xù)介質尺度的解析方法

3.4.4解析方法的應用

3.5變形與破壞的擬連續(xù)介質多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計算

3.5.2QC方法邊界的不協(xié)調性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯動力學耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區(qū)的處理及位錯穿越過渡區(qū)

3.7用于動力學模擬的搭接區(qū)多尺度分析

3.8用于動力學模擬的橋接區(qū)多尺度分析

3.8.1位移場在兩個不同尺度的分解

3.8.2運動的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數(shù)值例題

3.8.5對橋接法的簡短評論

3.9幾種模型界面不協(xié)調性的比較

參考文獻

第4章廣義質點動力學多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質點動力學方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區(qū)的形成

4.2.2廣義質點的級別與其表征的原子數(shù)的定量關系

4.2.3模型實例

4.3逆映射法求解廣義質點系動力學方程

4.3.1對等價剛度規(guī)則的質疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區(qū)的自然邊界條件

4.4.1原子區(qū)與連續(xù)介質區(qū)邊界的內稟不協(xié)調性

4.4.2廣義質點動力學各尺度區(qū)問的自然邊界

4.5廣義質點動力學方法的驗證

4.6廣義質點動力學方法的初步應用

4.6.1相變

4.6.2相變的機制

參考文獻

第5章串行嵌套式多尺度方法及復相材料循環(huán)彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細/宏觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基于改進的自洽模型的細一宏觀定量關系

5.3.1改進的自洽模型

5.3.2基于改進的自治方法的宏/細觀定量關系

5.4非均質材料組成相的彈塑性本構關系

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對彈塑性材料本構關系的描述

5.4.2描述塑性響應的遺傳型本構方程

5.4.3經(jīng)典塑性理論及其非經(jīng)典塑性理論的比較

5.5基于微觀分析的微一細觀定量關系

5.6基于原子位錯分析的微觀尺度塑性參數(shù)及其尺度效應

5.7由細觀塑性應變決定宏觀參量的數(shù)值方法

5.8復相材料循環(huán)彈塑性尺度效應的試驗研究

5.9多尺度分析數(shù)值結果及其與試驗結果的比較

參考文獻

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及損傷層合復合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯(lián)系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(宏觀)與片層(細觀)的連接

6.2.2微觀單元體等效本構方程與基體、纖維特性的關系

6.3損傷層合復合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1復合材料迭層方式對損傷起始及演化影響的試驗結果

6.3.2含損傷時層合復合材料多尺度分析的特點

6.3.3損傷層片等效本構方程的形式

6.4細/宏觀耦合模型及在位損傷函數(shù)的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪切滯后模型

6.4.4在位損傷函數(shù)的確定與表達式

6.4.5串行耦合式與串行嵌套式多尺度分析方法的區(qū)別

6.5基于損傷準則的串行耦合式多尺度破壞分析

6.6計及基體開裂演化的多尺度分析的計算結果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時[O/90]s類型層合板就地損傷函數(shù)Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預言及其與試驗結果的比較

參考文獻

附注6A

附注6B

附錄A原子與生物大分子的結構、排列及其運動

A.1原子的基本結構與電子結構

A.1.1原子的結構

A.1.2原子的電子結構

A.2原子的鍵連接

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連接

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對原子結構的小結

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結構的點、方向與平面

A.4.1點的坐標

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩(wěn)定性與擴散

A.5.1擴散的描述

A.5.2擴散的機制

A.6蛋白質材料的結構

A.6.1蛋白質的多肽(polypeptides)鏈結構

A.6.2由側鏈R決定的20種氨基酸的三組類型

A.6.3氨基酸的其他結構特點

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結構

A.7.1生物大分子與結構形成的一般規(guī)則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結構

參考文獻

附錄B對比與評鑒：RCMM多尺度分析工作學術評論匯集

卷后語2100433B

本書清晰地闡述了多尺度結構性能關系的概念。在介紹量子理論和分子動力學經(jīng)驗方法的基礎上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續(xù)介質模型相結合，并應用到工程上所關心的大尺度問題中，以滿足器件與產品的設計要求。該書進一步強調了機械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學科領域，并特別留意了讀者主動吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大范圍分析框架的思路，本書闡述了分子動力學要義及其與量子力學的能量聯(lián)結，評介了跨原子/連續(xù)介質的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串行式跨微/細/宏觀分析的原理與方法，并以復相彈塑性與損傷復合材料為例，介紹了相關的概念、步驟、結果及其與實驗的比較。