基于多尺度随机有限元法的铸钢构件和结构可靠性分析

针对铸造工艺特点和各种典型工程铸钢构件的共性特征，本项目的研究目标为揭示铸造缺陷特征、随机性及其演化规律，构建含缺陷的铸钢材料、构件和结构的数值模拟方法、力学性能分析和可靠性分析方法。项目通过无损探伤、射线扫描和有损切片等试验手段研究了铸钢中的微细观铸造缺陷和宏观铸造缺陷；运用疲劳断裂、损伤力学、可靠性等理论知识和方法对铸钢节点进行分析和评价。 项目的主要研究内容有： (1)对铸钢材料的化学成分、微观结构以及宏观力学性能进行分析研究，从本质上认识该材料；观测、统计铸钢材料中微细观缺陷的形态、尺寸、分布及其在载荷作用下的演化规律，以研究微细观铸造缺陷与铸钢材料及铸钢件力学性能之间的联系。 (2)以土木工程结构用铸钢件为研究对象，通过对较大样本量的铸钢件进行无损检测（目视检测、磁粉检测、超声波检测）及切片试验来研究铸钢件中宏观铸造缺陷的产生和分布规律，统计铸钢件中宏观铸造缺陷的类型、大小、分布等特征信息，以研究宏观铸造缺陷对铸钢件力学性能的影响。为铸钢件优化设计和可靠性分析，提供重要依据。 (3)铸钢件中存在着从微观尺度到宏观尺度的铸造缺陷，缺陷的存在会在一定程度上对铸钢材料、铸钢节点乃至整体结构的力学性能造成影响。本项目从微细观缺陷、宏观缺陷两个方面分别研究了铸造缺陷对铸钢材料和构件力学性能的影响。 (4)基于随机场局部平均理论，利用随机场网格描述铸钢节点缺陷概率分布随空间位置变化的特点，分析了结构响应对随机场离散后各随机变量的敏感度。 (5)推导了泰勒展开子结构随机有限元方法（TSSFEM），为铸钢节点可靠性分析奠定基础。 (6)除了以上项目计划书中的五个主要研究内容，项目组还研究了铸造过程的数值模拟，分析了铸件形状、浇铸系统、浇注速度等铸造随机参数对铸造过程和铸造缺陷形成的影响；和铸钢节点焊缝的力学性能。

铸钢节点等铸钢构件在工程中的应用呈流行趋势，但相应研究还处于个例分析阶段,没有从可靠性的角度把握铸件质量和安全性水平。本项目针对工程铸造工艺特点和典型铸钢构件的共性特征，揭示铸造缺陷随机性规律，创造性地将结构多尺度分析理论与随机有限元方法相结合，构建多尺度随机有限元方法，应用于带缺陷工作的铸钢构件和结构的可靠性分析。首先通过铸钢构件探伤统计试验，建立描述铸造缺陷随机产生和分布的随机场模型。其次建立有限元节点坐标的多重概率模型描述缺陷随机性，实现在有限元中模拟随机缺陷。然后通过建立和求解多尺度随机有限元方程、解决多尺度模型间的随机信息传递问题，实现随机多尺度结构的有限元计算，解决带缺陷复杂结构的随机损伤计算和性能评估问题。本项目的研究，将为更精确的把握铸钢构件这一新型材料和结构形式的性能提供有效的计算手段，为更加充分地发挥和优化其力学性能提供研究基础。

内容简介

本书系统介绍了结构可靠性分析的内容、方法和工程应用，着重阐述了随机有限元法的基本理论、计算列式和程序设计，附有平面问题随机有限元程序，赠送源程序光盘。 全书分为10章，内容包括：随机变量、随机过程及随机场的基本知识，结构可靠度和可靠指指标，结构可靠度计算方法，结构体系可靠度计算，随机有限元的理论、方法及工程应用，随机有限元程序设计，随机有限元程序及使用说明，结构可靠度分析专题等。 本书适用于高等学校土建、水利、机械和力学等专业的本科生、研究生使用，也可作为工程技术人员和有关专业师生的参考书。2100433B

我国桥梁结构正面临复杂服役环境和多灾害荷载共同作用所导致的损伤加速演化的进程，应该 治结构之未病、防患于未然。本课题试图将桥梁健康监测和结构多尺度损伤预后结合起来，研究桥梁结构多尺度损伤预后过程中环境因素和结构参数的不确定性描述，研究桥梁结构多尺度损伤模拟、损伤模型修正及模型确认方法，建立基于模型的桥梁结构多尺度损伤预后方法；进一步地，研究基于小波神经网络技术的数据驱动损伤预后方法，建立联合基于模型和数据驱动的桥梁结构多尺度损伤预后综合方法；以独塔斜拉桥模型的地震模拟振动台试验和实桥健康监测系统验证平台，来验证上述多尺度损伤预后方法的有效性和可靠性。本课题研究成果可用于预测预报桥梁结构的安全可靠性和潜在损伤的危害，指导桥梁预防性养护决策，对桥梁健康监测和安全评估具有重要的理论意义和实用价值。

本书介绍了作者带领的研究团队十多年来在大型土木结构损伤多尺度模拟与分析领域的主要研究成果及其在结构抗震分析、桥梁疲劳损伤预后分析中的应用。本书主要内容包括：微细、宏观尺度上材料与结构的损伤特征观测与分析，不同尺度上材料与结构损伤的合理表征及其量化方法，结构损伤多尺度分析的基本方程与计算方法，结构损伤多尺度分析的实施流程及其验证，损伤跨尺度演化致混凝土构件局部失效的模拟与分析，混凝土结构损伤演化致失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与分析，以及大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟。本书同时介绍了这些理论与方法在钢筋混凝土框架结构损伤失效分析与重大桥梁工程结构疲劳损伤演化过程模拟中的应用。