復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)的多尺度分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)題摘要

多尺度分析方法是目前科學(xué)工程計(jì)算領(lǐng)域最熱門(mén)的數(shù)值模擬方法之一。復(fù)合材料工程制品多為板殼結(jié)構(gòu)，材料設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用常常需要進(jìn)行材料性能預(yù)測(cè)，對(duì)影響微觀結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度性能分析。本項(xiàng)目利用多尺度分析方法和有限元計(jì)算方法，研究復(fù)合材料制品周期構(gòu)型板結(jié)構(gòu)和雙曲扁殼結(jié)構(gòu)在靜力學(xué)服役環(huán)境下的力學(xué)行為，以及兩種結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)熱彈性環(huán)境下的性能。采用宏、細(xì)觀相關(guān)聯(lián)的技術(shù)路線，從細(xì)觀力學(xué)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(jié)構(gòu)的幾何特性，構(gòu)造可以捕捉到由三維構(gòu)型微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的微觀三維力學(xué)行為的高階多尺度模型；并進(jìn)行多尺度模型和算法的理論分析，建立復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)三維數(shù)學(xué)模型與二維力學(xué)假設(shè)之間的近似關(guān)系；設(shè)計(jì)高效的多尺度數(shù)值算法。 2100433B

多尺度分析方法是目前科學(xué)工程計(jì)算領(lǐng)域最熱門(mén)的數(shù)值模擬方法之一。工程中復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用常常需要進(jìn)行材料性能預(yù)測(cè)，對(duì)影響微觀結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度性能分析。復(fù)合材料工程制品多為板殼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的文獻(xiàn)只考慮了宏觀的均勻化解，至今尚未見(jiàn)到復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)制品宏觀均勻化解和細(xì)觀三維力學(xué)耦合的分析結(jié)果。本項(xiàng)目利用多尺度分析方法和有限元計(jì)算方法，研究復(fù)合材料制品周期構(gòu)型板結(jié)構(gòu)和雙曲扁殼結(jié)構(gòu)在靜力學(xué)服役環(huán)境下的力學(xué)行為，以及兩種結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)熱彈性環(huán)境下的性能。擬采用宏、細(xì)觀相關(guān)聯(lián)的技術(shù)路線，從細(xì)觀力學(xué)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(jié)構(gòu)的幾何特性，構(gòu)造可以捕捉到由三維構(gòu)型微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的微觀三維力學(xué)行為的高階多尺度模型；并進(jìn)行多尺度模型和算法的理論分析，建立復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)三維數(shù)學(xué)模型與二維力學(xué)假設(shè)之間的近似關(guān)系；設(shè)計(jì)高效的多尺度數(shù)值算法。

目前橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)尚無(wú)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(dǎo)致的疲勞性能衰退。本課題擬結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立以疲勞損傷累積過(guò)程分析為目標(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型，模擬和分析橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積和抗力衰減的過(guò)程，并在結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)疲勞壽命。主要研究?jī)?nèi)容有：建立一個(gè)兼顧結(jié)構(gòu)整體尺度、局部構(gòu)件尺度和局部細(xì)節(jié)尺度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，以實(shí)現(xiàn)在同一模型上同時(shí)提取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、焊接細(xì)節(jié)處局部損傷累積信息；基于橋梁監(jiān)測(cè)信息和人工檢測(cè)、無(wú)損探傷等手段獲得的橋梁結(jié)構(gòu)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(gòu)件和錨固件在不同鋼結(jié)構(gòu)局部銹蝕程度上，其疲勞強(qiáng)度衰退模型；創(chuàng)建基于疲勞性能衰退過(guò)程分析進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接構(gòu)件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預(yù)測(cè)與時(shí)變可靠性評(píng)估方法，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測(cè)和準(zhǔn)確的壽命評(píng)估提供依據(jù)。

本課題面向目前橋梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域尚無(wú)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(dǎo)致的疲勞性能衰退的問(wèn)題，研究了涉及結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退的結(jié)構(gòu)多尺度的建模策略、模型修正和驗(yàn)證技術(shù)、結(jié)構(gòu)最不利部位的疲勞損傷檢測(cè)技術(shù)、以及橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞狀態(tài)評(píng)定、壽命預(yù)測(cè)與可靠性評(píng)估等關(guān)鍵問(wèn)題。一方面，結(jié)合大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和時(shí)間多尺度分析與信息集成、分離與提取技術(shù),研究了結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)反演(反分析)的疲勞狀態(tài)識(shí)別方法，對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)響應(yīng)指紋信息進(jìn)行提取并完成了程序?qū)崿F(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(guò)程分析為目標(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)一致多尺度有限元模型，探討了多尺度模型的修正和驗(yàn)證技術(shù)，基于該模型模擬和分析了橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積和抗力衰減的過(guò)程，并在結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞壽命并進(jìn)行了疲勞可靠度的更新。主要研究?jī)?nèi)容有：建立了一個(gè)兼顧結(jié)構(gòu)整體尺度、局部構(gòu)件尺度和局部細(xì)節(jié)尺度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，實(shí)現(xiàn)了在同一模型上同時(shí)提取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、焊接細(xì)節(jié)處局部損傷累積信息；研究了基于橋梁竣工試驗(yàn)的測(cè)試信息和健康監(jiān)測(cè)信息的模型修正和模型驗(yàn)證技術(shù)，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和失效仿真分析提供了準(zhǔn)確的基準(zhǔn)模型；進(jìn)一步深化多尺度有限元模型，針對(duì)疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴(kuò)展兩個(gè)不同階段，建立了面向結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析和疲勞狀態(tài)評(píng)估為目標(biāo)的多尺度模型；基于橋梁監(jiān)測(cè)信息和人工檢測(cè)、無(wú)損探傷等手段獲得的橋梁結(jié)構(gòu)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(jī)性因素對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)特征指標(biāo)的影響，確保在變化的環(huán)境參數(shù)下能夠準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)；創(chuàng)建了基于疲勞性能衰退過(guò)程分析進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接構(gòu)件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預(yù)測(cè)與時(shí)變可靠性評(píng)估方法。最后，編制了與橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(shí)別和壽命預(yù)測(cè)的軟件相集成，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測(cè)和準(zhǔn)確的壽命評(píng)估提供依據(jù)。借助本項(xiàng)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(zhuān)著1部，參與的項(xiàng)目“長(zhǎng)大跨橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”，分別獲得2012年度江蘇省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，和2013年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。已經(jīng)受理的發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。 2100433B

本書(shū)針對(duì)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題、熱-力耦合和力-電耦合問(wèn)題給出了多尺度計(jì)算方法及其理論分析.本書(shū)共分為八章，第一章給出了復(fù)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(fù)合材料熱傳導(dǎo)問(wèn)題的二階雙尺度展開(kāi)式及其收斂性分析；第六至八章分別研究了復(fù)合材料板的彎曲、熱-力耦合和力-電耦合問(wèn)題的二階多尺計(jì)算方法.讀者需具備微分方程、有限元方法和程序設(shè)計(jì)方面的初步知識(shí)即可學(xué)習(xí)本書(shū)。

本書(shū)可供統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)、數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)的本科生，應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制論和統(tǒng)計(jì)學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生，理工科相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生，對(duì)微分方程數(shù)值解感興趣的教師及科技工作者閱讀。