本文選題：空間結(jié)構(gòu) + 精細化�。� 參考：《浙江大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：空間結(jié)構(gòu)計算理論經(jīng)歷了從簡化方法到有限元法的過程,從以連續(xù)化理論為基礎(chǔ)的“擬板解法”、“擬殼解法”等解析方法發(fā)展為通用有限單元法。但當前結(jié)構(gòu)分析仍以宏觀為主流,關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體受力性能,采用結(jié)構(gòu)整體使用低維度桿／梁單元建模、局部關(guān)鍵節(jié)點采用實體單元分析的手段。這雖然基本滿足了作為結(jié)構(gòu)的整體分析設(shè)計需求,但忽視了截面的尺寸效應(yīng),也不能同步對復(fù)雜節(jié)點進行受力計算,無法獲得結(jié)構(gòu)的真實失效機理及承載力。為獲得空間結(jié)構(gòu)的真實受力性能,精細化分析十分必要,這也是近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。本論文將采用一種新的數(shù)值分析方法——有限質(zhì)點法對結(jié)構(gòu)進行精細化,系統(tǒng)建立該方法的精細化計算理論。 本論文詳細介紹了精細化分析在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了三種建模手段的優(yōu)缺點,并對主要數(shù)值分析手段的精確性和穩(wěn)定性進行了闡述。同時對有限質(zhì)點法的發(fā)展、應(yīng)用及特點作了深入研究,提出利用該方法進行精細化分析的優(yōu)勢及存在的關(guān)鍵科學(xué)問題,指出有限質(zhì)點法精細化計算理論研究的重要性。 闡述了有限質(zhì)點法的基本理論,分別介紹了點值描述、途徑單元描述、變形描述機制、控制方程式等基本概念,并給出了通用計算框架。詳細推導(dǎo)了空間結(jié)構(gòu)分析采用的各類單元的內(nèi)力計算公式,包括宏觀分析采用的梁單元及精細化分析采用的殼單元、實體單元,總體給出了本文的基本分析工具。 利用有限質(zhì)點法的高度可并行性,開展了該方法的并行加速研究。針對該方法在質(zhì)點控制方程求解及單元內(nèi)力計算上彼此獨立的特性,在GPU(Graphics Processing Unit)硬件上研究該方法的并行,從數(shù)據(jù)存儲、線程映射、質(zhì)點內(nèi)力集成、多線程存儲及程序優(yōu)化等方面實現(xiàn)了有限質(zhì)點法的并行加速,可數(shù)十倍地提高梁單元、殼單元和實體單元的計算效率,為結(jié)構(gòu)精細化分析提供了可靠的技術(shù)保障。 針對精細化模型中的接觸／摩擦行為,提出了基于有限質(zhì)點法的模擬方法。建立空間單元格存儲方式,通過全局搜索縮小點-面接觸對的檢測范圍,在局部搜索中判定接觸狀態(tài),使用防御節(jié)點法滿足接觸約束條件,從而精確地計算接觸力及摩擦力,并在GPU硬件上實現(xiàn)接觸算法的并行加速,大幅提高精細化接觸行為的計算效率。算例表明該算法模擬殼單元的碰撞、實體單元的粘滯摩擦等行為時具有良好的精度與穩(wěn)定性。 提出了基于有限質(zhì)點法的多尺度連接方法,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)半精細化分析的手段。利用有限質(zhì)點法以質(zhì)點為基本元素和顯式積分的特點,基于梁、殼等低維單元的平截面假定,將多尺度連接處的質(zhì)點分為主質(zhì)點和從質(zhì)點,集成從質(zhì)點的質(zhì)量、質(zhì)量慣性矩陣、力、力矩等物理量至主質(zhì)點,求解主質(zhì)點運動方程后,由位移約束條件求得從質(zhì)點位移,從而實現(xiàn)不同維度單元的多尺度連接。算例表明該多尺度方法對梁-殼、梁-實體及殼-實體的連接是有效的,在幾何非線性及動力問題中具有良好的精度及穩(wěn)定性。 提出了基于有限質(zhì)點法的質(zhì)點分布智能優(yōu)化方法,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)精細化模型中效率與精度的平衡�；趹�(yīng)力平滑及“Zienkiewicz-Zhu"法建立誤差估計指標,實現(xiàn)應(yīng)力屈服等損傷部位的智能判別與跟蹤,通過母單元至子單元的分裂實現(xiàn)損傷部位網(wǎng)格與質(zhì)點的加密,結(jié)合物理量傳遞等手段,可解決新舊質(zhì)點和單元狀態(tài)的繼承與一致性問題。文中以靜力問題、高度非線性屈曲等問題驗證算法的魯棒性。 利用本論文建立的基于有限質(zhì)點法的精細化計算理論,對典型焊接球節(jié)點平板網(wǎng)架展開了全過程分析與性能研究。通過緩慢加載及虛設(shè)阻尼的方法減少靜力計算時間,獲得了結(jié)構(gòu)精細化模型的靜力位移響應(yīng)及應(yīng)力分布。通過持續(xù)加載獲得了結(jié)構(gòu)精細模型的局部破壞情況及極限承載力�？疾炝嗽诘卣鸷奢d作用下精細化結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),捕捉了結(jié)構(gòu)受力全過程。同時考察了節(jié)點壁厚對結(jié)構(gòu)極限承載力、動力響應(yīng)的影響。算例表明精細化分析時能得到宏觀分析無法獲得的結(jié)構(gòu)性能與真實承載力。 根據(jù)本文基于有限質(zhì)點法的精細化計算理論,運用VC面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計,開發(fā)了集前后處理及數(shù)值分析的可視化程序——結(jié)構(gòu)精細化分析CAD(FASCAD),包括接觸行為分析、多尺度連接分析、質(zhì)點分布智能優(yōu)化等核心模塊,實現(xiàn)了精細化模型的建立及顯示、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)交互等功能。 理論推導(dǎo)與大量數(shù)值算例表明,本文建立的有限質(zhì)點法精細化計算理論具有良好的通用性和穩(wěn)定性,可以作為結(jié)構(gòu)精細化分析與性能研究的理論基礎(chǔ)。同時論文還提出了今后待解決的關(guān)鍵問題。
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【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU311.4

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本文編號：1757692