数据驱动的半无限介质裂纹识别模型研究

缺陷识别是结构健康监测的重要研究内容,对评估工程结构的安全性具有重要的指导意义,然而,准确确定结构缺陷的尺寸十分困难.论文提出了一种创新的数据驱动算法,将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)与自编码器(autoencoder,AE)、因果膨胀卷积神经网络(causal dilated convolutional neural network,CDCNN)相结合用于半无限介质中的裂纹识别.在该模型中,SBFEM用于模拟波在含不同裂纹状缺陷半无限介质中的传播过程,对于不同的裂纹状缺陷,仅需改变裂纹尖端的比例中心和裂纹开口处节点的位置,避免了复杂的重网格过程,可高效地生成足够的训练数据.模拟波在半无限介质中传播时,建立了基于瑞利阻尼的吸收边界模型,避免了对结构全域模型进行计算.搭建了CDCNN,确保了时序数据的有序性,并获得更大的感受野而不增加神经网络的复杂性,可捕捉更多的历史信息,AE具有较强的非线性特征提取能力,可将高维的原始输入特征向量空间映射到低维潜在特征向量空间,以获得低维潜在特征用于网络模型训练,有效提升了网络模型的学习效率.数值算例表明:提出的模型能够高效且准确地识别半无限介质中裂纹的量化信息,且AE-CDCNN模型的识别效率较单CDCNN模型提高了约2.7倍.

三维弹塑性问题的比例边界有限元法

为了研究三维复杂结构的非线性硬化问题,在考虑关联流动准则的Von Mises塑性屈服准则和各向同性/随动硬化准则的本构模型中,引入一致切线模量,并基于比例边界有限元方法和平衡八叉树算法对本构模型进行求解。采用Newton-Raphson迭代法求解位移和应力的非线性方程,为了减少计算量,仅在比例中心点执行并储存迭代过程的变量,同时采用Fortran语言编制了求解程序。两个算例计算结果表明,该模型的计算结果具有较高的准确性。

基于SBFEM的剪切型裂纹动态开裂模拟

剪切型断裂是岩土工程中常见的破坏模式,了解剪切破坏机理并准确预测剪切型裂纹的萌生、扩展过程对保障工程结构的安全性与稳定性具有重要意义.文章建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)和非局部宏-微观损伤模型的剪切型裂纹动态开裂模拟方法,定义了基于偏应变概念的物质点对的正伸长量,可作为预测剪切型裂纹扩展行为的动态开裂准则,一点的损伤定义为该点影响域范围内连接的物质键损伤的加权平均值,而物质键的损伤则与基于偏应变概念的物质点对的正伸长量相关联,并引入能量退化函数建立结构域几何拓扑损伤与能量损失之间的关系,将拓扑损伤与应力应变联系起来,通过能量退化函数修正了SBFEM的刚度系数矩阵,得到了子域在损伤状态下的刚度矩阵,推导了考虑结构损伤的SBFEM动力控制方程,采用Newmark隐式算法对控制方程进行时间离散.最后,通过3个典型算例验证了建议的模型可较好地模拟剪切型断裂问题,能够很好地捕捉剪切型裂纹的扩展路径,并得到较为准确的载荷-位移曲线.

考虑材料参数空间变异性的SBFEM开裂模拟

论文建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)框架的非局部宏微观损伤模型,考虑材料细观物理参数的空间变异性,探讨了材料参数的空间变异性对结构开裂过程的影响。结果表明:考虑材料参数空间变异性后,裂纹扩展路径具有不确定性,建议的模型能够很好地反应材料内在的随机性;随着结构受力情况的复杂化和结构本体缺陷的增多,裂纹开裂模式的变异性也会增大。自相关长度和参数变异系数对结构开裂分析结果有重要影响。

非均匀锈蚀钢筋与混凝土的黏结滑移行为

在近海和海洋环境下,钢筋极易产生锈蚀。锈蚀对于钢筋混凝土间的黏结性能与钢筋混凝土结构的耐久性有着十分不利的影响,是目前工程中十分关心的问题。采用改进后的ABAQUS的Spring2非线性弹簧模型对非均匀锈蚀钢筋与混凝土之间的黏接滑移行为进行模拟,以改善零厚度弹簧引起的钢筋结点处混凝土的应力集中现象。基于收集到的不同箍筋间距的32个试件的试验结果,拟合给出了考虑箍筋间距影响的箍筋锈蚀下的黏结强度影响系数。结合非均匀锈蚀钢筋分布模型,基于ABAQUS软件进行钢筋混凝土试件拉拔过程的精细化数值模拟。结果表明:改进后的非线性弹簧模型在计算精度与效率上优于零厚度弹簧模型。箍筋修正系数与箍筋间距近似呈线性关系;考虑箍筋间距影响的黏结滑移模型在拉拔试验的模拟上与有关试验有较好的一致性。韦布尔分布对于钢筋非均匀锈蚀的拟合比起耿贝尔分布更为合理,非均匀锈蚀试件钢筋应力分布有一定程度的波动,应力数值有所减小。箍筋锈蚀会对箍筋的约束作用产生较为严重的影响。

基于图像八叉树的三维比例边界有限元多面体网格生成算法

基于图像八叉树方法,提出了平衡八叉树和多面体网格修剪相结合的三维比例边界有限元多面体网格算法,该算法根据结构尺寸建立恰好完全包含整个结构的立方体网格,再建立结构图像像素信息,根据像素信息,按照2∶1的平衡分割原则递归地进行等分,完成平衡八叉树网格生成。结构内单元网格完全保留,结构外单元网格删除,对于结构边界单元网格,提出采用面-立方体相交判断方法进行边界单元与结构边界相交面的筛选,搜寻结构单元与结构边界表面相交点,通过有序连接相交点形成边界单元切割面,再结合边界单元其他几个面,构成裁剪后的多面体单元。数值算例结果表明,基于本文算法生成的比例边界有限元网格计算结果具有较好的精度和边界适应性。

考虑建基面的沥青混凝土心墙坝竣工期沉降计算

为探究不同建基面形状对沥青混凝土心墙坝竣工期沉降的影响,采用邓肯-张非线性模型对轿子山沥青混凝土心墙坝的竣工期坝体沉降进行了计算。对比依据轿子山大坝实际剖面简化而来的理想算例以及不同坝高的其他典型工程计算结果,发现在数值模拟中计算大坝的最大沉降占比时,应该使用修正后的坝高,即总坝高减去心墙向下延伸的高度,且坝高90~140 m范围内最大沉降比与坝高之间为线性关系。为了进一步验证上述发现的普遍性,又对理想坝型研究了不同坝体建基面形状与心墙及过渡层(向下)延伸段对坝体沉降的影响。结果表明:在相同坝高下,坝体与基岩的交界面与水平方向的夹角越大,坝体最大沉降越小,从基岩受力变形角度初步解释了坝体沉降变化的原因,即是侧向分担了部分坝体自重;心墙及过渡层延伸段的存在会使坝体最大沉降略有减小,但延伸段高度及倾角的变化对坝体沉降的变化影响不明显。建议在坝基开挖的过程中,尽量使上下游建基面与水平面间保持一个尽可能大的夹角,同时将心墙及过渡层向坝基深处延伸一段距离。研究成果可供沥青混凝土心墙坝工程设计和施工参考。

横缝对高拱坝系统非线性地震响应的影响分析

对带横缝高拱坝系统非线性地震响应的影响进行了分析研究.坝体材料采用混凝土损伤塑性本构模型,采用指数型动接触本构模型模拟各个坝段之间的横缝接触作用,具体模拟了横缝张开、闭合和滑移非线性,研究了横缝条数分别为1,3,5,7,11,21,40条时高拱坝的地震响应;探讨了径向摩擦因数分别取0.0,0.2,0.4,0.6,0.8时,拱坝横缝的最大开度、径向位移响应变化规律.研究表明:7条横缝模拟时的最大开度与11、21和40条横缝模拟的结果接近;最大开度的横缝位置并非在大坝中部,而是在靠近左右两个坝肩位置的横缝处,7条横缝时最大开度出现在第1条横缝,11、21和40条横缝时最大开度均出现在第3条横缝处,且这4个最大开度横缝在大坝上的位置基本相同;缝面考虑径向摩擦的横缝开度要大于径向自由的横缝开度;径向完全自由时静荷载作用下的顺河向位移明显大于径向有摩擦的情况,且后者在地震荷载下的顺河向位移响应变幅要大于前者;摩擦因数增加到一定时,大坝的顺河向位移响应曲线基本一致.研究结果可供有关设计施工部门参考.

基于数据驱动的大体积结构裂缝深度反演

裂缝是混凝土结构的主要病害,查明裂缝的深度能够为结构的耐久性和安全性评价提供可靠的信息,但同时也是混凝土结构检测的难点之一。提出了一种基于数据驱动的学习算法,通过考察波经过带缝结构传播的信号预测裂缝深度,采用扩展有限元法(Extended finite element methods,XFEM)和边界吸收层模型模拟了带缝大体积混凝土结构中的波传播过程,将接收点的观测信号和裂缝信息配对。基于人工神经网络的机器学习模型建立了基于XFEM数据集的裂缝深度预测模型。对于含未知裂缝信息的混凝土结构,通过测得的观测点信号,利用建立的机器学习模型实现裂缝深度的实时预测。通过2个数值算例验证了该算法的性能,结果表明所提出的数据驱动算法能够准确预测裂缝深度。

党的科学理论青年化阐释的时代价值、历史逻辑和实现路径

党的科学理论青年化阐释是党坚持走群众路线、理论与实际相结合的基本途径,是党关心青年、融入青年、帮助青年的重要体现,是实现党的科学理论时代化、大众化的必然要求。在不同的历史时期,党根据时代的呼唤及青年的特征,用党的科学理论武装青年、教育青年、影响青年,开展青年工作,探索工作方法,取得了一系列成就。在新的历史条件下做好党的科学理论青年化阐释工作,就要创新理论话语表达方式、注重系统性分众化教育、体现思想理论实用价值,从而使广大青年坚定不移听党话、跟党走,让青春在新时代的火热实践和艰苦奋斗中谱写出新的时代篇章。

考虑流固耦合的重力坝地震开裂过程模拟

大坝抗震安全评价是一项重要工作。首先建立了考虑坝-基-库水相互作用的重力坝整体分析模型,采用声学单元模拟库水域,并通过若干算例验证了该模拟方法的可行性。然后采用扩展有限元法模拟坝体裂缝的开裂扩展过程,建立考虑裂缝面张开-闭合的接触模型。以金安桥碾压混凝土重力坝为例,建立该重力坝-地基-库水动力相互作用模型,探讨附加质量法及是否考虑库水可压缩性的流固耦合模型对重力坝地震开裂过程的影响,分析该重力坝在有缝状态下的超载潜力及初始裂缝位置对裂缝开裂扩展的影响。结果表明:附加质量法和不考虑库水可压缩性均夸大了地震作用力,裂缝开裂扩展更大,开口更加明显;随着地震峰值加速度的增大,该重力坝裂纹扩展路径向下偏转的起始位置向坝体内部延伸,在1.3倍设计地震加速度的地震荷载作用下,大坝将产生较长裂缝;折坡点处的初始裂缝在地震荷载作用下裂纹扩展更明显。研究结果可用于大坝遭遇强震时的开裂预测,为实际工程提供参考。

不同震源入射角对海底盆地地震响应的影响

为研究地震作用对海底盆地的影响,在分析网格大小和PML边界厚度对计算精度影响的基础上,综合考虑了海水、盆地内不规则地形以及多层介质等因素,运用谱元法理论建立了礼乐盆地地震动分析二维模型,研究了盆地在不同震源入射角下的响应。结果表明:在考虑流固耦合的情况下,网格尺寸为四分之一波长时即可取得较高精度,PML边界厚度至少为2个波长时方可达到理想效果。震源的不同会影响放大系数的大小及频谱特征。当地震波从盆地中部入射时,随着震源入射角的增大,放大系数逐渐减小;在不同震源入射角下,盆地不同位置的加速度时程及频谱特征差异较大。当地震波从左侧入射时,放大系数的分布规律与地震波从盆地中部入射时有所不同;在不同的震源入射角下,盆地不同位置的加速度时程及频谱特征差异较小。在研究盆地地震相关问题时,海水、地形以及多层介质的影响是不可忽视的。

以中国式现代化推动建设中华民族现代文明

中国式现代化是中华民族现代文明的形成基础,中华民族现代文明是中国式现代化的内在要求和精神力量。从中国式现代化发展脉络来看,它为建设中华民族现代文明提供了基本经验和科学路径,建设中华民族现代文明具备凝聚性、普惠性、协调性、可持续性、和平性等基本特征。着眼新时代的文化使命,要坚持守正创新,为推进中华民族现代文明建设提供根本举措。

任意形状混凝土骨料的数值模拟及其应用

提出了平面二维、空间三维任意形状混凝土骨料的模拟方法。通过一次性形成所有同级骨料的基骨料,再对所有的基骨料进行随机延拓,生成任意形状的随机骨料。提出的算法避免了逐个投放效率低、生成的骨料含量低的缺点。三维骨料任意形状的模拟中,假定同一级配中的骨料粒径呈正态分布,建立了以体积为标度的凸型骨料的生长模式和骨料凸性条件,根据多面体的每个面的面积是否大于限定面积,确定该面是否需要延拓,同时以延生点与延伸面以外的所有边界面组成的体积都应该大于零作为凸性限定条件。采用体积和测试法进行骨料的侵入判别。在此基础上研制了相应的二维骨料、三维骨料随机投放软件2D-RAS和3D-RAS。生成的数值混凝土二维骨料含量可达65%以上,三维骨料含量可达55%左右,基本可以满足全级配混凝土的生成需要。最后还对三维混凝土任意骨料形状的弯拉梁的破坏过程进行了初步研究,得出任意多面体骨料试件的极限承载力要大于圆球骨料试件,任意多面体骨料试件所对应的位移相对较大等结论。

湿筛混凝土试件的静、动破坏数值模拟

基于数字图像方法重构生成与真实骨料一致的混凝土骨料模型.混凝土各相材料的本构模型采用混凝土塑性损伤本构模型,考虑材料的应变软化,对湿筛混凝土试件的静、动破坏进行研究.研究结果表明:(a)混凝土的应力-裂缝宽度模型适用于骨料、砂浆和界面等各相材料.(b)随着应变率增加,混凝土的破坏形式明显由单条宏观裂纹向多条裂纹变化.(c)材料惯性对材料破坏荷载有一定影响,当应变率达到60s-1时材料的动力增强因子明显增大,惯性影响不可忽略;当应变率达到80s-1时材料惯性对材料破坏荷载影响较大;当应变率小于207.8s-1时由率效应引起的动力强度增加大于由惯性效应引起的动力强度增加.

全级配混凝土梁动强度提高机理研究

基于细观力学方法对全级配混凝土梁的动强度提高机理进行研究.假定混凝土由骨料、砂浆和界面三相材料组成,按全级配混凝土实际配比生成随机混凝土骨料模型.采用塑性损伤模型并考虑材料的应变软化,利用全级配混凝土梁的静弯拉(破坏)试验标定骨料、砂浆和界面的参数.在此基础上对冲击荷载下全级配混凝土梁的动弯拉破坏过程进行数值模拟,重点讨论惯性效应和应变率效应对混凝土材料强度增强因子的影响.研究结果表明:(a)当应变率小于8s-1时,材料惯性对梁的极限荷载影响可以忽略不计;当应变率大于8s-1时,材料惯性对全级配混凝土强度的动力增强因子(SDIF)影响增大.(b)当应变率小于20s-1时,率效应对SDIF影响较大,在高应变率区SDIF主要受材料惯性的影响.此外,探讨了初始缺陷(损伤)对全级配混凝土梁破坏荷载的影响.

用于接触面模拟的三维非线性接触单元

提出了一种新的模拟结构缝或接触问题的三维非线性接触单元 ,在本构关系上 ,模型同时考虑了已被大量实验证实的接触面法向和切向的非线性特性 ,法向采用了考虑法向变形的双曲线模型 ,切向采用了考虑应变硬化的双曲线模型 .模拟了接触面的粘结、滑移和开裂等非线性现象 .相对于其它接触单元 ,本文模型避免了Goodman单元等只考虑缝面变形及法向、切向参数取值的任意性 ,计算结果常使法向应力出现波动和过量嵌入等缺点 .并据此编制了有限元计算程序 ,利用此程序分析了 3个典型算例 ,验证了模型的合理性和程序的计算精度 .

混凝土坝地震动力损伤分析

基于塑性损伤本构理论,将损伤变量作为内变量,在Drucker-Prager本构模型中引入损伤变量,考虑材料损伤引起的材料劲度的退化,基于非关联流动法则计算材料的塑性应变,根据材料的有效塑性应变计算损伤量,考虑到张开裂缝闭合时材料弹性劲度的恢复,推导了考虑塑性损伤的混凝土动态本构关系,并给出了内变量的计算步骤和动力方程的迭代格式。最后利用建立的动态本构模型对Koyna重力坝进行了非线性地震响应时程分析,并给出了关键时刻坝体最大受拉损伤分布,结果表明在坝颈和坝基处出现了较大的损伤,坝颈处的损伤最终形成由下游向上游的开裂破坏,这与该坝的实际震害较为一致。

三级配混凝土静、动载下力学细观破坏机制研究

假定三级配混凝土是由砂浆基质、不同粒径的骨料及其粘结带组成的非均质复合材料,采用非线性有限元方法在细观尺度上数值模拟三级配混凝土弯拉梁在静、动载下的开裂过程。按实际配比计算各种骨料的代表粒径的数目,采用蒙特卡罗方法随机生成骨料分布,骨料形状假定为圆形,最小粒径为12.5mm。骨料、砂浆及其粘结带均采用了非线性本构模型,具体模拟了材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎等非线性。研究中还给出了梁关键部位的应力应变全过程曲线,研究成果还与未考虑材料的非均质性的结果进行了比较。结果表明,混凝土类的多项非均质复合材料的静、动力学性能与其内部的细观结构组成有密切关系,混凝土中最薄弱的部位为粘结界面,混凝土的破坏明显表现出拉应变软化现象和局部化现象。数值模拟结果与有关试验成果较为接近。

设底缝对高拱坝工作性态的影响

本文用非线性有限元对小湾高拱坝 (坝高 2 92 0m)设底缝时的工作性态进行研究 ,模型中考虑了缝面应力与变位的非线性重调整 ,考虑了坝体、坝基材料非线性和底缝接触非线性的耦合 ,模拟了缝的开裂、滑移等非线性 .对设缝深度、干缝、湿缝等对高拱坝拱冠、坝踵和坝肩等关键部位的位移场和应力场的影响进行了分析研究 ,并对设缝前后建基面、坝踵附近的开裂区和屈服区进行分析 ,研究结果表明 ,设底缝可以有效地降低高拱坝坝踵的梁向拉应力 ,对坝踵附近应力影响较大 。