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《西安建筑科技大学》 2017年
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混合结构节点断裂损伤的宏细观仿真研究

乔龙帮  
【摘要】:论文研究的目的是为了解决传统结构分析中整体分析和节点分析相互分离的问题,这种分析方法存在节点的力和边界条件简化所带来的误差,因而往往精度较低,同时目前的节点分析少有考虑细观裂纹扩展的,基于此文章对宏细观耦合的多尺度分析进行了一系列探索并通过应用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)在节点分析中考虑了细观裂纹扩展,实现了跨尺度耦合和多尺度关联,不但弥补了传统结构分析的不足而且能够更精细化地考虑细观裂纹的影响,最后将该理论应用于实际工程分析中,即在力学层面上实现了突破,又具有实际的工程意义。本文所做的研究包括以下五个方面:1.探讨了结构弹塑性分析的最新技术-----多尺度分析,并对该技术加以改进。目前结构弹塑性分析的一个发展趋势是:在整体分析中兼顾节点分析,用一个模型同时模拟结构的局部细观破坏过程和整体的宏观行为。基于已有研究成果采用尺度分离的思想,在结构的不同部位建立合适尺度的力学模型,并通过适当的连接方式实现不同尺度模型之间的协同计算,同时在多尺度分析中引入了子结构方法,在没有降低计算精度的前提下,大幅度提高了计算速度和计算效率。在目前计算能力有限的情况下,使用该方法可以快速而精确地实现规范规定的对复杂结构复杂受力部位的应力校核配筋的要求。2.详细探讨了裂纹动态扩展过程的数值模拟。目前处理动态裂纹的最行之有效的方法是扩展有限元法,扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)是1999年左右出现的描述不连续问题的一种有限元的改进方法,经过十几年的理论研究XFEM在裂纹问题的模拟中已经相当成熟。作者利用XFEM方法详细的研究了含初始缺陷高强度钢材节点和含微观裂纹混凝土节点的断裂韧性需求以及含初始缺陷高强度钢材节点的节点抗震性能。在研究节点抗断性能和抗震性能的过程中解决了裂纹在静力荷载和循环荷载作用下的扩展过程模拟。3.基于多尺度理论和XFEM理论,在结构的时程分析中引入节点的细观裂纹扩展对结构整体性能的影响。通过在结构整体时程分析中引入节点的初始裂纹和裂纹扩展的影响,并对二位钢框架和三维混凝土框架进行详细的含裂纹多尺度时程分析,作者解决了将裂纹扩展过程和时程分析相结合的技术条件,并对钢框架和混凝土框架的弹塑性分析技术进行了改进。4.对混合结构中存在的弱不连续问题-----界面问题进行了探索,通过将研究成果与相关研究、实验及理论研究成果的比对,认为混合结构中的裂纹扩展模拟较好的符合实际,本文所采用的同时处理强不连续问题和弱不连续问题的手段,符合结构的实际受力状态,可以用于解决类似于混合结构的界面问题中裂纹扩展模拟。5.在前4章理论突破的基础上,将理论创新应用于具体的工程实际,该工程结构体系为超限框支转换结构,转换梁和转换柱为型钢-钢筋混凝土混合结构。在结构弹塑性分析中考虑了关键节点处微观裂纹或初始缺陷对结构整体性能的影响,同时也得到了结构关键节点处的破坏过程的数值模拟。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O346.1

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