復合材料板殼結構性能預測的多尺度分析和數(shù)值計算

多尺度分析方法是目前科學工程計算領域最熱門的數(shù)值模擬方法之一。復合材料工程制品多為板殼結構，材料設計、制備和應用常常需要進行材料性能預測，對影響微觀結構的工藝過程進行數(shù)值模擬，并對材料與結構進行多尺度性能分析。本項目利用多尺度分析方法和有限元計算方法，研究復合材料制品周期構型板結構和雙曲扁殼結構在靜力學服役環(huán)境下的力學行為，以及兩種結構在瞬態(tài)熱彈性環(huán)境下的性能。采用宏、細觀相關聯(lián)的技術路線，從細觀力學出發(fā)，基于均勻化方法、多尺度分析方法、有限元方法以及板殼結構的幾何特性，構造可以捕捉到由三維構型微結構導致的微觀三維力學行為的高階多尺度模型；并進行多尺度模型和算法的理論分析，建立復合材料板殼結構三維數(shù)學模型與二維力學假設之間的近似關系；設計高效的多尺度數(shù)值算法。 2100433B

多尺度分析方法是目前科學工程計算領域最熱門的數(shù)值模擬方法之一。工程中復合材料設計、制備和應用常常需要進行材料性能預測，對影響微觀結構的工藝過程進行數(shù)值模擬，并對材料與結構進行多尺度性能分析。復合材料工程制品多為板殼結構，現(xiàn)有的文獻只考慮了宏觀的均勻化解，至今尚未見到復合材料板殼結構制品宏觀均勻化解和細觀三維力學耦合的分析結果。本項目利用多尺度分析方法和有限元計算方法，研究復合材料制品周期構型板結構和雙曲扁殼結構在靜力學服役環(huán)境下的力學行為，以及兩種結構在瞬態(tài)熱彈性環(huán)境下的性能。擬采用宏、細觀相關聯(lián)的技術路線，從細觀力學出發(fā)，基于均勻化方法、多尺度分析方法、有限元方法以及板殼結構的幾何特性，構造可以捕捉到由三維構型微結構導致的微觀三維力學行為的高階多尺度模型；并進行多尺度模型和算法的理論分析，建立復合材料板殼結構三維數(shù)學模型與二維力學假設之間的近似關系；設計高效的多尺度數(shù)值算法。

目前橋梁疲勞壽命預測尚無法考慮橋梁服役期內(nèi)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(nèi)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)。

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(nèi)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(nèi)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

本書針對復合材料及其結構的熱傳導問題、熱-力耦合和力-電耦合問題給出了多尺度計算方法及其理論分析.本書共分為八章，第一章給出了復合材料的多尺度分析方法；第二章介紹了小周期參數(shù)的橢圓形方程的均勻化理論；第三章介紹了兩種多尺度算法；第四、五章給出了小周期復合材料熱傳導問題的二階雙尺度展開式及其收斂性分析；第六至八章分別研究了復合材料板的彎曲、熱-力耦合和力-電耦合問題的二階多尺計算方法.讀者需具備微分方程、有限元方法和程序設計方面的初步知識即可學習本書。

本書可供統(tǒng)計學、信息與計算科學、數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)的本科生，應用數(shù)學、計算數(shù)學、運籌學與控制論和統(tǒng)計學專業(yè)的研究生，理工科相關專業(yè)的研究生，對微分方程數(shù)值解感興趣的教師及科技工作者閱讀。