基于应变能密度的单层网壳强震失效机理及智能预测方法研究

The study on the dynamic strength failure generally conducts the statistical and empirical analysis of the response data from a specific class of the single-layer reticulated shells corresponding to their failure modes, lacking a unified and mechanical criterion for determining the structural seismic failure. The main research contains: Firstly, perform both shaking table experiment and numerical simulation of the reticulated shell models under seismic motions; investigate the relationship between the mode of structural strain energy density and seismic intensity; explore the characteristic parameter of the mode of the strain energy density. Secondly, analyze the relationship between the characteristic parameter and the failure load, to establish the criterion for judging the dynamic strength failure of the reticulated shell models. Finally develop an efficient methodology for predicting the failure load and failure mode of the reticulated shell using the cellular automation method combing the derived criterion. This research project will develop a unified failure criterion for judging the dynamic failure of the reticulated shell modes and the artificial intelligence techniques (AIT). The new method and AIT will play a significant role in improving and perfecting the structural analysis and design theories of the reticulated shells.

对于单层网壳动力强度破坏的研究，目前主要是基于工程经验对某类特定单层网壳失效时刻的响应数据进行统计分析，缺少统一的机理性的失效准则。本项目拟基于应变能密度的概念揭示单层网壳强震失效机理，主要完成以下三方面工作：首先，开展单层网壳模型振动台试验和有限元全荷载域动力时程模拟，分析应变能密度数值模式随动荷载幅值的变化规律，寻求表征此数值模式的特征量；其次，分析该特征量与失效荷载之间的关系，建立单层网壳动力强度破坏的失效判断准则；最后，引入细胞自动机方法，结合该失效判断准则形成一套快速、相对准确的单层网壳动力失效模式和失效荷载的智能预测方法。本项目所提出的单层网壳失效判断准则及高效预测方法，将对完善空间网格结构的设计理论及工程实践具有重要的参考价值。

针对单层网壳缺少统一的机理性的动力失效判断准则问题，本项目通过理论推导、数值模拟和振动台试验研究了不同类型单层网壳在强震作用下的动力工作性能和失效机理，主要研究工作及成果包括以下几个方面：（1）在全荷载域动力时程模拟的基础上，对结构指数应变能密度与输入加速度峰值参数进行探索性分析，发现指数应变能密度参数能够较好地区分结构的工作状态和失效状态，即其是能够表征结构整体受力全过程的特征量；（2）基于指数应变能密度参数进行了理论推导给出了单层网壳动力失效的机理性判断准则，即指数应变能密度和值与加速度峰值关系模型将在单层网壳发生动力失效时出现急剧突变现象；（3）开展了单层网壳振动台试验，验证了上述理论分析结果；（4）以地震作用下精细化有限元分析的单层球面网壳的动力失稳破坏模式为基础，结合细胞自动机方法，发展了一套单层网壳动力失稳破坏模式和失效荷载的联合预测方法。本项目的开展拓展了单层网壳强震失效机理理论及失效快速预测方法研究的思路，研究成果可为空间网格结构的设计理论的完善及工程实践提供参考。