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分析中的代表性体元及特征
【摘要】：而根据第二章的实验现象和结论可知，该焊接构件的损伤行为完全由易损局部的损伤分析体元及其力学特性决定。结构层次损伤分析体元主要针对结构典型构件、节点和基本承载部件而言。图3.33构件层次易损局部及其构件损伤分析体元示意图为进一步说明上述两种损伤分析体元及其作用，这里以第二章中的焊接桁架结构为例，表示在损伤分析体元概念及其尺度特征下对此类结构进行层次划分的情况。图3.34钢桁架结构损伤分析中的体元划分示意图
连续损伤力学中的损伤变量定义源于对代表性体元（Representative Volume Element，RVE）考虑截面已受损面积部分的估计，而由于各种材料的组分及其最小尺寸（粒径）存在较大差异，其代表性体元尺度也各有差异。损伤力学研究的起点是材料在微细观尺度上的裂纹、孔洞等缺陷，终点是材料体元断裂，即宏观裂纹萌生，跨越了从微细观至宏观的多个不同尺度。而对于工程结构损伤及其演化过程而言，结构损伤的起点是材料层次上的微细裂纹、孔洞和材料代表性体元断裂后的宏观裂纹等缺陷，终点是结构构件或者整体达到极限状态并失效，它同样跨越了从细观到宏观多个尺度，以及从材料到构件再到结构等多个层次。其中，从材料损伤到构件损伤属于跨尺度和跨层次的演化过程，并且损伤可视为在连续体内的持续演化，即除了含有初始缺陷并引发损伤持续演化的局部细节以外，仍满足固体力学的连续性假设；而对于损伤从构件到结构的演化，则仅仅属于损伤在不同层次上的跨越，并且由于结构构造的复杂性和多样性，结构损伤的演化处于“非连续”状态。
构件层次损伤的代表性体元，可借用与材料损伤理论中类似的概念，只是在使用方法与意义上需要加以区别。对应于易损局部的定义，构件层次损伤的代表性体元在反映损伤材料基本力学特性的同时，更可作为典型构件承载特征的基本构成要素：在构件易损局部，认为构件的承载特征和损伤状态可由若干个损伤分析体元的对应属性集成。构件层次损伤的起点是材料层次损伤造成构件局部失效或构件承载性能开始劣化，其终点是易损局部包含的构件损伤体元全部或者绝大部分达到其极限，并导致结构中相关构件承载能力全部丧失和局部失效。以焊接构件为例，显然，焊接区域是构件的易损局部，其易损局部及其反映金属材料尺度特征的构件损伤分析体元如图3.33所示，其中的“无损伤演化区”是相对于易损局部存在的损伤（细观裂纹、孔洞等）演化而言，此处的金属材料代表性体元中的细观尺度损伤未发生演化故此可忽略。而根据第二章的实验现象和结论可知，该焊接构件的损伤行为完全由易损局部的损伤分析体元及其力学特性决定。
结构层次损伤分析体元主要针对结构典型构件、节点和基本承载部件而言。对应于构件层次损伤分析体元从材料到构件层次的跨越，结构层次损伤分析体元则进一步延续和扩展了层次跨越，即损伤从构件层次发展到结构层次。通过构件层次的过渡和连接作用，上述结构损伤的跨尺度演化过程意味着材料层次的细观损伤演化既是构件层次也是结构层次下损伤演化的起点；不同之处在于，从构件到结构层次的跨越不再属于连续介质力学范畴。
图3.33 构件层次易损局部及其构件损伤分析体元示意图
为进一步说明上述两种损伤分析体元及其作用，这里以第二章中的焊接桁架结构为例，表示在损伤分析体元概念及其尺度特征下对此类结构进行层次划分的情况（如图3.34所示）。根据实验与模拟分析结果，同时综合考虑荷载和桁架结构形式等因素，该结构的最不利位置位于图中节点B与斜腹杆的焊接区域。因此节点B成为结构层次的易损局部，而包含焊缝的斜腹杆局部即为结构的构件层次分析体元；位于斜腹杆工字形截面翼缘边缘的焊接细节处即为桁架构件层次下的易损局部。对于其他类型的结构，则需根据其构件类型，以及结构整体构成和构造特点，具体分析和划分各层次的损伤分析体元。
图3.34 钢桁架结构损伤分析中的体元划分示意图
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2023-08-26
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