基于多尺度隨機(jī)有限元法的鑄鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)可靠性分析

針對鑄造工藝特點和各種典型工程鑄鋼構(gòu)件的共性特征，本項目的研究目標(biāo)為揭示鑄造缺陷特征、隨機(jī)性及其演化規(guī)律，構(gòu)建含缺陷的鑄鋼材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法、力學(xué)性能分析和可靠性分析方法。項目通過無損探傷、射線掃描和有損切片等試驗手段研究了鑄鋼中的微細(xì)觀鑄造缺陷和宏觀鑄造缺陷；運用疲勞斷裂、損傷力學(xué)、可靠性等理論知識和方法對鑄鋼節(jié)點進(jìn)行分析和評價。 項目的主要研究內(nèi)容有： (1)對鑄鋼材料的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，從本質(zhì)上認(rèn)識該材料；觀測、統(tǒng)計鑄鋼材料中微細(xì)觀缺陷的形態(tài)、尺寸、分布及其在載荷作用下的演化規(guī)律，以研究微細(xì)觀鑄造缺陷與鑄鋼材料及鑄鋼件力學(xué)性能之間的聯(lián)系。 (2)以土木工程結(jié)構(gòu)用鑄鋼件為研究對象，通過對較大樣本量的鑄鋼件進(jìn)行無損檢測（目視檢測、磁粉檢測、超聲波檢測）及切片試驗來研究鑄鋼件中宏觀鑄造缺陷的產(chǎn)生和分布規(guī)律，統(tǒng)計鑄鋼件中宏觀鑄造缺陷的類型、大小、分布等特征信息，以研究宏觀鑄造缺陷對鑄鋼件力學(xué)性能的影響。為鑄鋼件優(yōu)化設(shè)計和可靠性分析，提供重要依據(jù)。 (3)鑄鋼件中存在著從微觀尺度到宏觀尺度的鑄造缺陷，缺陷的存在會在一定程度上對鑄鋼材料、鑄鋼節(jié)點乃至整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成影響。本項目從微細(xì)觀缺陷、宏觀缺陷兩個方面分別研究了鑄造缺陷對鑄鋼材料和構(gòu)件力學(xué)性能的影響。 (4)基于隨機(jī)場局部平均理論，利用隨機(jī)場網(wǎng)格描述鑄鋼節(jié)點缺陷概率分布隨空間位置變化的特點，分析了結(jié)構(gòu)響應(yīng)對隨機(jī)場離散后各隨機(jī)變量的敏感度。 (5)推導(dǎo)了泰勒展開子結(jié)構(gòu)隨機(jī)有限元方法（TSSFEM），為鑄鋼節(jié)點可靠性分析奠定基礎(chǔ)。 (6)除了以上項目計劃書中的五個主要研究內(nèi)容，項目組還研究了鑄造過程的數(shù)值模擬，分析了鑄件形狀、澆鑄系統(tǒng)、澆注速度等鑄造隨機(jī)參數(shù)對鑄造過程和鑄造缺陷形成的影響；和鑄鋼節(jié)點焊縫的力學(xué)性能。

鑄鋼節(jié)點等鑄鋼構(gòu)件在工程中的應(yīng)用呈流行趨勢，但相應(yīng)研究還處于個例分析階段,沒有從可靠性的角度把握鑄件質(zhì)量和安全性水平。本項目針對工程鑄造工藝特點和典型鑄鋼構(gòu)件的共性特征，揭示鑄造缺陷隨機(jī)性規(guī)律，創(chuàng)造性地將結(jié)構(gòu)多尺度分析理論與隨機(jī)有限元方法相結(jié)合，構(gòu)建多尺度隨機(jī)有限元方法，應(yīng)用于帶缺陷工作的鑄鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的可靠性分析。首先通過鑄鋼構(gòu)件探傷統(tǒng)計試驗，建立描述鑄造缺陷隨機(jī)產(chǎn)生和分布的隨機(jī)場模型。其次建立有限元節(jié)點坐標(biāo)的多重概率模型描述缺陷隨機(jī)性，實現(xiàn)在有限元中模擬隨機(jī)缺陷。然后通過建立和求解多尺度隨機(jī)有限元方程、解決多尺度模型間的隨機(jī)信息傳遞問題，實現(xiàn)隨機(jī)多尺度結(jié)構(gòu)的有限元計算，解決帶缺陷復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨機(jī)損傷計算和性能評估問題。本項目的研究，將為更精確的把握鑄鋼構(gòu)件這一新型材料和結(jié)構(gòu)形式的性能提供有效的計算手段，為更加充分地發(fā)揮和優(yōu)化其力學(xué)性能提供研究基礎(chǔ)。

內(nèi)容簡介

本書系統(tǒng)介紹了結(jié)構(gòu)可靠性分析的內(nèi)容、方法和工程應(yīng)用，著重闡述了隨機(jī)有限元法的基本理論、計算列式和程序設(shè)計，附有平面問題隨機(jī)有限元程序，贈送源程序光盤。 全書分為10章，內(nèi)容包括：隨機(jī)變量、隨機(jī)過程及隨機(jī)場的基本知識，結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指指標(biāo)，結(jié)構(gòu)可靠度計算方法，結(jié)構(gòu)體系可靠度計算，隨機(jī)有限元的理論、方法及工程應(yīng)用，隨機(jī)有限元程序設(shè)計，隨機(jī)有限元程序及使用說明，結(jié)構(gòu)可靠度分析專題等。 本書適用于高等學(xué)校土建、水利、機(jī)械和力學(xué)等專業(yè)的本科生、研究生使用，也可作為工程技術(shù)人員和有關(guān)專業(yè)師生的參考書。2100433B

我國橋梁結(jié)構(gòu)正面臨復(fù)雜服役環(huán)境和多災(zāi)害荷載共同作用所導(dǎo)致的損傷加速演化的進(jìn)程，應(yīng)該 治結(jié)構(gòu)之未病、防患于未然。本課題試圖將橋梁健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)多尺度損傷預(yù)后結(jié)合起來，研究橋梁結(jié)構(gòu)多尺度損傷預(yù)后過程中環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性描述，研究橋梁結(jié)構(gòu)多尺度損傷模擬、損傷模型修正及模型確認(rèn)方法，建立基于模型的橋梁結(jié)構(gòu)多尺度損傷預(yù)后方法；進(jìn)一步地，研究基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動損傷預(yù)后方法，建立聯(lián)合基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁結(jié)構(gòu)多尺度損傷預(yù)后綜合方法；以獨塔斜拉橋模型的地震模擬振動臺試驗和實橋健康監(jiān)測系統(tǒng)驗證平臺，來驗證上述多尺度損傷預(yù)后方法的有效性和可靠性。本課題研究成果可用于預(yù)測預(yù)報橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性和潛在損傷的危害，指導(dǎo)橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策，對橋梁健康監(jiān)測和安全評估具有重要的理論意義和實用價值。

本書介紹了作者帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊十多年來在大型土木結(jié)構(gòu)損傷多尺度模擬與分析領(lǐng)域的主要研究成果及其在結(jié)構(gòu)抗震分析、橋梁疲勞損傷預(yù)后分析中的應(yīng)用。本書主要內(nèi)容包括：微細(xì)、宏觀尺度上材料與結(jié)構(gòu)的損傷特征觀測與分析，不同尺度上材料與結(jié)構(gòu)損傷的合理表征及其量化方法，結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的基本方程與計算方法，結(jié)構(gòu)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(gòu)件局部失效的模擬與分析，混凝土結(jié)構(gòu)損傷演化致失效過程的多尺度跨層次自適應(yīng)模擬與分析，以及大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷失效分析與重大橋梁工程結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程模擬中的應(yīng)用。