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文檔簡(jiǎn)介
1、結(jié)構(gòu)的破壞問(wèn)題近年來(lái)備受關(guān)注,尤其對(duì)于大跨度、大體量的公共建筑,當(dāng)其負(fù)荷過(guò)大或在突發(fā)事件下局部失效,便會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)大規(guī)模的連續(xù)破壞,隨時(shí)危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。以往結(jié)構(gòu)破壞的計(jì)算分析主要采用低維單元(梁?jiǎn)卧?、桿單元等)進(jìn)行研究,雖然基本滿足結(jié)構(gòu)整體分析的需求,但忽視了結(jié)構(gòu)的細(xì)部變形特征,更不能同時(shí)對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件(如節(jié)點(diǎn)、異形梁等)進(jìn)形總裝整體分析,無(wú)法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)真實(shí)的破壞機(jī)理及承載能力。因此,為避免傳統(tǒng)方法尺度退化引起的不真實(shí)性,本文基于有限
2、質(zhì)點(diǎn)法采用精細(xì)化單元(薄殼單元,實(shí)體單元等)從細(xì)部模擬結(jié)構(gòu)的破壞行為。
本文結(jié)合當(dāng)前研究,介紹了國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)破壞分析的研究現(xiàn)狀,對(duì)現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),簡(jiǎn)述了本文的研究手段、優(yōu)勢(shì)、面臨的問(wèn)題以及擬解決的方法,明確了本文的完整研究框架。
闡述了有限質(zhì)點(diǎn)法和斷裂的相關(guān)基本概念,包括點(diǎn)值描述、途徑單元、變形描述、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制方程、粘縫單元、內(nèi)聚力模型、斷裂釋放能、破壞應(yīng)力、抗力—滑移關(guān)系等。對(duì)于外加內(nèi)聚力模型,粘縫單元的
3、引入將導(dǎo)致單元的連接關(guān)系發(fā)生改變,為此本文提出了一種全新的拓?fù)涓绿幚矸椒?,且適用于任意維度,具有較強(qiáng)的通用性。為更清晰地表達(dá)如何將它們?nèi)诤线M(jìn)行結(jié)構(gòu)的破壞分析,給出了完整的計(jì)算流程,為后文的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
為不失一般性,本文首先從簡(jiǎn)單的平面固體(平面應(yīng)力/應(yīng)變)開始研究其斷裂問(wèn)題?;谟邢拶|(zhì)點(diǎn)法推導(dǎo)了三角形平面固體單元的計(jì)算公式,包括質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制方程和單元內(nèi)力,擴(kuò)充了有限質(zhì)點(diǎn)法的計(jì)算單元庫(kù)。推導(dǎo)了四邊形粘縫單元的內(nèi)聚力
4、計(jì)算公式,并與前者結(jié)合用于平面固體的斷裂問(wèn)題求解,相關(guān)數(shù)值算例驗(yàn)證了該方法的可行性。
其次,從平面固體延伸到空間三維固體,推導(dǎo)了四面體固體單元的內(nèi)力求解公式,并以常用的Mises彈塑性模型為對(duì)象,研究了材料非線性問(wèn)題。將四面體固體單元與一種三棱柱形粘縫單元結(jié)合用于三維固體斷裂問(wèn)題的求解,相關(guān)數(shù)值算例體現(xiàn)了該方法的可行性和有效性。
同樣作為有限質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算單元庫(kù)的擴(kuò)充,發(fā)展了一種簡(jiǎn)單的薄殼單元,它通過(guò)三角形薄膜單元(Co
5、nstant Strain Triangle,CST)和三角形平板單元(Discrete KirchhoffTheory,DKT)的疊加實(shí)現(xiàn)。相比構(gòu)建高階的等參數(shù)薄殼單元,這種組合方法計(jì)算格式簡(jiǎn)單,運(yùn)算量小,具有很強(qiáng)的計(jì)算和開發(fā)效率。與平面及三維固體不同,薄壁結(jié)構(gòu)(薄殼、薄膜等)沿厚度方向的斷裂無(wú)法顯式表達(dá),為此,基于斷裂能釋放守恒推導(dǎo)了一種可綜合考慮節(jié)點(diǎn)位移和轉(zhuǎn)角自由度的粘縫單元,實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)斷裂的模擬。
除斷裂外,屈曲
6、也是結(jié)構(gòu)典型的破壞模式,在工程設(shè)計(jì)中必須對(duì)結(jié)構(gòu)的臨界承載力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,以確保其安全服役。為分析結(jié)構(gòu)的屈曲過(guò)程,有限質(zhì)點(diǎn)法通常對(duì)其承受的外荷載進(jìn)行分級(jí)逐步加載,即在加載過(guò)程中外荷載是遞增的。這種加載策略具有明顯的局限性,當(dāng)結(jié)構(gòu)屈曲時(shí),其承載能力將下降,遞增的外荷載無(wú)法“自適應(yīng)”地減小以捕捉其完整的平衡路徑。為此,本文將顯式弧長(zhǎng)法的加載策略與有限質(zhì)點(diǎn)法相結(jié)合,“自適應(yīng)”加卸載即是其精髓所在。針對(duì)屈曲或大變形后出現(xiàn)的接觸問(wèn)題,改進(jìn)了一種適用
7、于顯式求解的接觸算法,并從“點(diǎn)—面”接觸推廣到“梁—梁”(線—線)接觸問(wèn)題的求解。
最后,綜合運(yùn)用以上研究成果對(duì)典型的桁架結(jié)構(gòu)采用精細(xì)化薄殼單元展開仿真模擬,從屈曲到細(xì)部斷裂,得到了其完整的破壞過(guò)程,驗(yàn)證了本文方法的有效性和真實(shí)性。為模擬實(shí)際工程中焊縫的破壞過(guò)程,建立了薄殼—實(shí)體多尺度計(jì)算模型。對(duì)于精細(xì)化單元計(jì)算模型,結(jié)構(gòu)的計(jì)算規(guī)模變得很龐大,為克服計(jì)算效率問(wèn)題,本文分別從動(dòng)力阻尼及并行計(jì)算兩個(gè)角度進(jìn)行加速計(jì)算,并提出了一種新
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