混凝土動力損傷擴散的物理機制與多尺度數(shù)值模擬

在系列混凝土動力本構關系實驗研究的基礎上，結合混凝土細觀數(shù)值模擬技術，深入研究地震、強風等動力荷載作用下混凝土損傷的細觀機理及其演化機制；基于多尺度方法體系，合理描述微觀裂縫演化對宏觀損傷演化的影響，探索混凝土動力損傷擴散的物理機制與多尺度隨機漲落特征；發(fā)展可以科學反映混凝土結構隨機動力非線性行為的建模理論與數(shù)值模擬方法，為正確反映重大工程結構在地震、強風等災害作用下的性態(tài)、進行重大工程結構的精細化分析和控制提供科學基礎。 2100433B

本書介紹了作者帶領的研究團隊十多年來在大型土木結構損傷多尺度模擬與分析領域的主要研究成果及其在結構抗震分析、橋梁疲勞損傷預后分析中的應用。本書主要內(nèi)容包括：微細、宏觀尺度上材料與結構的損傷特征觀測與分析，不同尺度上材料與結構損傷的合理表征及其量化方法，結構損傷多尺度分析的基本方程與計算方法，結構損傷多尺度分析的實施流程及其驗證，損傷跨尺度演化致混凝土構件局部失效的模擬與分析，混凝土結構損傷演化致失效過程的多尺度跨層次自適應模擬與分析，以及大跨橋梁鋼箱梁結構疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬。本書同時介紹了這些理論與方法在鋼筋混凝土框架結構損傷失效分析與重大橋梁工程結構疲勞損傷演化過程模擬中的應用。

由于西南、西北地區(qū)地質(zhì)條件復雜并且是高烈度地震頻發(fā)地區(qū)。這就對這一地區(qū)的混凝土壩體的數(shù)值模擬和實驗方法提出了更高要求。混凝土的破壞過程是非線性破壞過程，所以對混凝土壩的力學分析過程中不能忽視混凝土強度軟化的影響，而混凝土強度的軟化主要是由于混凝土多尺度裂縫的開裂引起的，所以對于混凝土壩體的多尺度裂縫的開裂的研究是非常重要的。本項目針對混凝土壩體裂縫的多尺度特征進行研究。采用分形等理論對混凝土壩體裂縫在多尺度下的數(shù)學和力學關系以及擴展機理進行研究。在此基礎上采用損傷理論、斷裂理論以及比例邊界有限元與有限元耦合分析技術建立地震荷載作用下混凝土壩體的多尺度裂縫開裂和擴展的數(shù)值模擬模型，并對其進行實驗分析。該成果可以廣泛應用于水工混凝土大型結構、巖體大型結構的施工以及安全評價中，如重力壩、拱壩、基巖、地下巖質(zhì)隧道、巖質(zhì)邊坡等。該成果不僅具有理論意義，而且具有重要的實用價值。

第一章緒論

第二章微細、宏觀尺度上材料與結構的損傷特征觀測與分析

2.1金屬結構焊接區(qū)的微細觀缺陷及其演化特性

2.1.1焊接結構內(nèi)部缺陷探測

2.1.2兩類主要初始缺陷

2.1.3細觀裂紋演化特性

2.1.4細觀孔洞演化特性

2.2焊接區(qū)域損傷演化的分形特征

2.2.1分形的概念

2.2.2焊接損傷區(qū)域裂紋擴展的分形特征

2.2.3細觀孔洞演化過程中的分形維數(shù)

2.3多尺度同步觀測與分析獲得的鋼結構疲勞損傷跨尺度演化特征

2.3.1觀測方法

2.3.2疲勞裂紋萌生機制分析

2.3.3疲勞裂紋擴展規(guī)律

2.3.4疲勞裂紋萌生過程中的損傷多尺度特征分析

2.3.5宏細觀損傷與結構響應的關聯(lián)性分析

2.3.6易損部位損傷導致的結構響應非線性效應

2.4混凝土類脆性材料細宏觀損傷特征及其演化特性

2.4.1混凝土在材料層次上的微細宏觀損傷特征及演化特性

2.4.2構件和結構層次上的混凝土損傷特征及演化特性

第三章不同尺度上材料與結構損傷的合理表征及其量化方法

3.1焊接損傷區(qū)的分形損傷跨尺度表征

3.1.1含細觀裂紋的焊接區(qū)域中分形損傷跨尺度表征

3.1.2含細觀孔洞的焊接區(qū)域中分形損傷跨尺度表征

3.2金屬疲勞損傷多尺度表征及其跨尺度演化規(guī)律

3.2.1微裂紋成核與擴展行為

3.2.2疲勞損傷變量的定義

3.2.3描述疲勞微裂紋成核與擴展行為的多尺度損傷演化方程

3.2.4模型參數(shù)反演與模型驗證

3.3脆性材料中分布式微裂紋的損傷表征方法

3.3.1含大量分布裂紋的無限大脆性固體的細觀力學模型

3.3.2微裂紋對混凝土材料宏觀性能的影響

3.4由微裂紋跨尺度擴展主導的混凝土損傷演化過程數(shù)值模型

3.4.1模擬準則與建模流程

3.4.2裂紋擴展準則

3.4.3裂紋擴展過程中的各種擴展形態(tài)的模擬

3.4.4數(shù)值模擬案例

3.5構件與結構中的耗能型損傷的表征與量化方法

3.5.1構件與結構耗能型損傷表征的思路及原理

3.5.2構件與結構耗能型損傷量化方法

3.5.3常用的工程結構損傷指標

3.5.4典型鋼筋混凝土框架結構的損傷量化分析

3.6鋼架結構局部與整體損傷的表征與量化方法

3.6.1易損局部的特征及其定義

3.6.2結構損傷演化過程分析中的各層次代表性體元及其尺度特征

3.6.3構件層次上的損傷表征與量化方法

3.6.4結構層次上的損傷表征與量化方法

3.6.5各類典型鋼架結構的損傷量化方法

3.6.6節(jié)點處的損傷對結構損傷的影響

3.6.7框架結構中構件層次損傷與結構層次損傷之間的關聯(lián)性

3.6.8結構損傷模擬與量化分析案例：門式鋼框架結構

第四章結構損傷多尺度分析的基本方程與計算方法

4.1結構損傷多尺度分析的基本方程

4.1.1串行嵌套多尺度方法的基本方程

4.1.2一致多尺度方法的基本方程

4.2串行嵌套式多尺度計算方法

4.2.1物理平均化方法

4.2.2數(shù)學漸進均勻化方法

4.2.3兩種方法的聯(lián)系與區(qū)別

4.3一致多尺度計算方法及跨尺度界面單元銜接

4.3.1跨尺度界面位移協(xié)調(diào)方法

4.3.2跨尺度界面應力連續(xù)方法

4.3.3約束方程由局部坐標系到整體坐標系的轉換

4.4考慮局部損傷演化的結構抗震性能多尺度分析方法

4.4.1地震荷載下鋼材損傷演化率與損傷本構關系

4.4.2鋼結構地震損傷多尺度分析方法及其實施流程

4.4.3細觀損傷演化對連接構件抗震性能的影響

4.4.4由損傷演化導致的鋼桁架結構失效進程的分析

第五章結構損傷多尺度分析的實施流程及其驗證

5.1基于ABAQUS軟件二次開發(fā)的結構損傷分析算法

5.1.1UMAT及其調(diào)用方法

5.1.2UMAT子程序的實施流程

5.1.3彈塑性狀態(tài)和損傷狀態(tài)的決定

5.1.4耦合材料損傷的應力更新算法

5.1.5一致切線模量的定義和求解

5.1.6實施過程中的主要問題和注意事項

5.1.7ABAQUS內(nèi)核語言Python及基本功能

5.2嵌套多尺度方法的算法流程及其有效性驗證

5.2.1基于均勻化方法的嵌套多尺度分析的算法流程

5.2.2嵌套多尺度方法的算法與程序驗證

5.3一致多尺度方法的算法流程及其驗證

5.3.1結構損傷一致多尺度計算的流程

5.3.2一致多尺度方法的有效性驗證

第六章?lián)p傷跨尺度演化致混凝土構件局部失效的模擬與分析

6.1混凝土梁損傷演化致失效的多尺度分析方法

6.1.1混凝土梁損傷跨尺度演化分析模型

6.1.2四點彎曲梁損傷算例分析

6.2損傷跨尺度演化導致的混凝土梁強度的尺寸效應

6.2.1三點彎曲梁損傷多尺度模型

6.2.2計算結果與分析

6.2.3混凝土梁尺寸效應的發(fā)生機理分析

6.3鋼筋混凝土粘結界面損傷多尺度模擬

6.3.1鋼筋混凝土拉拔構件細觀損傷分析模型

6.3.2鋼筋混凝土粘結界面損傷多尺度模擬

6.3.3鋼筋混凝土粘結界面損傷多尺度分析

6.4鋼筋混凝土構件損傷演化致失效過程的自適應模擬與計算方法

6.4.1基于材料細觀構造圖像的混凝土細觀模型建立方法

6.4.2混凝土材料細觀損傷演化過程模擬的基本方程

6.4.3混凝土構件損傷跨尺度演化過程的自適應模擬與分析的策略

6.4.4混凝土損傷演化跨尺度自適應分析的有限元基本方程

6.5混凝土構件損傷演化致失效的自適應模擬與分析案例

6.5.1鋼筋混凝土拉拔損傷演化過程的細觀數(shù)值模擬

6.5.2混凝土柱在模擬地震荷載下的損傷演化致失效分析

第七章混凝土損傷演化致結構失效過程的多尺度跨層次自適應模擬與分析

7.1混凝土結構損傷演化過程的多尺度跨層次自適應模擬策略

7.2損傷演化多尺度跨層次分析的區(qū)域自適應有限元理論

7.2.1損傷多尺度跨層次演化過程自適應分析的區(qū)域變分原理

7.2.2損傷多尺度跨層次演化過程自適應分析的有限元方程組

7.3混凝土框架結構損傷演化致失效的多尺度跨層次自適應分析

第八章大跨橋梁鋼箱梁結構疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬

8.1高、低周疲勞交互作用下的疲勞損傷多尺度模擬與分析方法

8.1.1高、低周疲勞交互作用下的疲勞損傷演化方程

8.1.2多尺度疲勞損傷模型的參數(shù)反演與模型驗證

8.2考慮鋼材內(nèi)部微觀缺陷的高低周疲勞損傷多尺度模擬與分析方法

8.2.1考慮鋼材微觀構造的疲勞損傷多尺度模擬與分析方法

8.2.2基于鋼材微觀構造圖像的高低周疲勞損傷多尺度模擬與分析方法

8.2.3疲勞短、長裂紋共同擴展導致的疲勞損傷演化過程分析案例

8.3大跨橋梁鋼箱梁結構疲勞損傷累積過程分析方法

8.4昂船洲大橋鋼箱梁結構疲勞損傷多尺度跨層次演化過程模擬

參考文獻 2100433B