基于多尺度随机有限元法的铸钢构件和结构可靠性分析

Cast steel component such as cast steel node is getting popular in engineering application, but the relative research is still case studies, not from the perspective of reliability.According to the casting technique and common characteristics of cast steel components, this proposal will reveal the random regularities of casting defect, create a multiscal stochastic finite element method (MSFEM) combining multiscale structural analysis theory with stochastic finite element method (SFEM), applied in the reliability analysis of cast steel components and structures working with defects. Firstly random field models of casting defect producing and distribution will be set up by statistical test of nondestructive inspection. Then multiple probabilistic models of FEM mesh nodes will be proposed to simulate the defect random. The MSFEM is developed by setting up and solving the mutiscal SFEM equations, transferring the random information between the mutiscal FEM models, to solve the problems of structural random defect calculation and performance assessment. The research of this proposal will provide effective means to master the properties of casting materials and structures. It will establish the research foundation of tapping the mechanical potential and optimization of this kind of new material and structure.

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。

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。