结构损伤一致多尺度分析的关键是在不同尺度的模型衔接起来进行计算，为此首先需要将前述跨尺度界面单元衔接方法引入ABAQUS，按软件指定的格式引入跨尺度界面上须满足的位移约束方程。但是由于K2本身是奇异的，同时计算机有效位数是有限的，α过大会导致系统方程病态而使计算失效。根据所建立的结构一致多尺度模型并通过宏细观变量的跨尺度关联，便可实现结构损伤的并发多尺度计算。......
2023-08-26
结构损伤多尺度模拟与分析：门式钢框架结构案例
【摘要】：为考察结构损伤表征与量化分析方法的可行性，这里以一个门式框架结构为例进行分析。该结构由工字钢梁和柱组成，总高9.8 m，跨度24 m；其中，工字钢梁截面尺寸为550mm×200mm×8mm×6mm，工字钢柱总高9.0m，截面尺寸为500mm×220mm×8mm×6mm，该框架有限元模型如图3.40所示。图3.40框架结构构形尺寸及其有限元模型结构上作用的荷载按相关结构设计规范来确定。计算得到各损伤工况下框架结构变形及刚度退化。
为考察结构损伤表征与量化分析方法的可行性，这里以一个门式框架结构为例进行分析。该结构由工字钢梁和柱组成，总高9.8 m，跨度24 m；其中，工字钢梁截面尺寸为550mm×200mm×8mm×6mm，工字钢柱总高9.0m，截面尺寸为500mm×220mm×8mm×6mm，该框架有限元模型如图3.40所示。其中框架梁和框架柱采用壳单元模拟；考虑实际结构中梁、柱连接节点因焊接可能存在的局部初始损伤，节点使用实体单元模拟并进行网格细化，并由此建立了考虑局部细节的框架结构多尺度有限模型。为模拟不同程度的损伤工况，在框架连接节点局部细节处植入中心穿透裂纹的子模型，并采用20节点高阶单元solid 95，裂纹长度分15mm、30mm、45mm和60mm四种工况，考虑不同的初始损伤对整体承载能力特征的影响。
图3.40 框架结构构形尺寸及其有限元模型
结构上作用的荷载按相关结构设计规范来确定。自重荷载为0.4kN／m2，活荷载为0.5kN／m，小于50年一遇的雪荷载为0.65kN／m2。荷载组合取1.2×恒载＋1.4×活载＝1.39kN／m2。将单跨的荷载简化集中到梁上，考虑实际跨间距离为6m，故单位线荷载为1.39×6＝8.34kN／m，由此施加约束条件和荷载工况如图3.41所示。材料为Q235低碳钢，其材料属性参数为：弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7 800kg／m3。计算得到各损伤工况下框架结构变形及刚度退化。根据该框架结构的构造特点，利用公式（3－108）计算得到结构层次的损伤如图3.42所示。
图3.41 框架结构承受的位移约束及荷载
图3.42 各损伤工况下框架结构刚度退化的对比
由图3.42中的比较可见：对于四种不同损伤工况，随着损伤程度的增加，框架整体刚度退化程度和框架整体损伤均逐渐增大，二者的演化规律基本一致，且均呈现明显的非线性特征，这说明所建立的结构损伤定义和量化分析方法对此类结构损伤分析具有较好的适用性。
上述研究结果表明：
（1）铰性连接结构中各构件只受轴力作用，其损伤的影响为截面抗拉刚度的降低，其量化由特定荷载条件下各构件层次损伤与各构件内力分配系数共同决定；
（2）刚性连接结构轴力和剪力对其变形的影响较小，损伤主要缘于构件抗弯刚度的下降，通过结构力学位移计算公式可推导特定荷载条件下结构整体刚度与各构件抗弯刚度的关系表达式，进而推导其损伤量化公式，包括以动力系数修正了动载作用下动力效应对于结构损伤量化公式的影响；
（3）刚性节点的弯矩分配系数与连接于节点的各构件远端支撑条件决定，当远端节点因为材料进入塑性流动、焊接缺陷、紧固件松脱失效等导致自身力学性能下降时，节点自身也发生损伤，节点处的损伤与构件层次上的损伤共同决定了结构层次上的损伤。
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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