基于动力扩展有限元法的非均质混凝土内部缺陷（裂缝）的反演分析

This project aims to improve and develop the dynamic extended finite element method (XFEM). The enrichment functions will be studied for describing the aggregates, voids, and cracks in the heterogeneous concrete materials. Then, a novel dynamic XFEM approximation will be presented for the heterogeneous concrete materials containing multiple discontinuities (aggregates, voids, and interfaces). A notable advantage for the XFEM is that its approximation contains enriched parts for capturing special solution properties such as discontinuities and singularities, so that the mesh does not need to align with these discontinuous interfaces. The level set method will be used for representing the location and dimension of inner flaws. A novel multiscale model and algorithm combination with XFEM for concrete materials is presented to determine location and bounded subdomains for flaws. An effective inversion model that combines the XFEM and artificial bee colony algorithm will be developed for detecting the inner flaws of the heterogeneous concrete materials. The outcome will reveal the relations of the size distribution of internal flaws (voids / cracks) and structural responses under static and dynamic loads. The outcome will also provide a new approach for detecting the internal flaws in these concrete structures, such as concrete dams, underground concrete structure, etc.

改进和发展动力扩展有限元理论和方法，研究并提出包含骨料、孔洞（裂缝）和界面等在内的非均质材料的动力扩展有限元法的新型位移模式，包括适合混凝土骨料相、缺陷（裂缝）和界面的改进函数以及多重改进类型的位移函数形式；充分利用扩展有限元法处理不连续问题的优点，即通过引入非连续位移模式，使得不连续位移场的描述独立于网格剖分，可以在不重新划分网格的前提下，通过改变水平集函数反映缺陷的位置及大小。发展基于扩展有限元法的混凝土复合材料多尺度模型和分析方法；研制人工蜂群算法与动力扩展有限元法相结合的混凝土内部缺陷探测的有效反演分析模型。揭示静动载下混凝土非均质材料内部缺陷（孔洞/裂缝）尺寸分布与响应的作用机制。为我国水工混凝土结构(混凝土坝、地下混凝土结构等)内部缺陷和裂缝的检测提供一种新的途径

混凝土是水工建筑物中应用最广的工程材料之一，由于设计、施工、自然灾害或结构老化等原因，在混凝土结构中会出现一些内部缺陷。缺陷常见种类包括裂缝、内部架空、表面不平整与空蚀磨损、渗漏溶蚀和化学侵蚀等，这些缺陷和损伤往往会严重影响水工混凝土建筑物整体性、耐久性，使其整体承载能力严重降低，缩短水工建筑物的使用寿命，甚至危及整个结构的安全，已成为坝工界极为关注的问题之一。如何检测大体积混凝土结构的内部缺陷是工程结构领域安全评估的前沿课题。.本项目重点研究了考虑孔洞、骨料及裂缝等多重不连续存在时的动力扩展有限元法位移模式的构建，包括单元内同时含有骨料、孔洞或裂缝的结点位移修正模式，根据构建的位移模式推导动力扩展有限元法求解的支配方程。充分利用扩展有限元法中只需用水平集表征孔洞或裂纹，反演过程中网格不需重新剖分的特点，研究目标响应差（预测计算值与实测值）与水平集函数的关系，通过智能优化算法给出缺陷的位置和形状，研究提出了扩展有限元与改进的人工蜂群算法、遗传算法、损伤指标法、人工鱼群算法和基于频率和模态保证准则等相结合的缺陷反演模型。提出了基于结构动力学反分析识别结构未知载荷和未知参数的模型和基于比例边界有限元的裂缝（缺陷）的表征、有效的波动分析等。研究提出了针对钢筋混凝土材料的基于离散-连续改进人工蜂群算法的多尺度缺陷识别模型、混凝土非均质性材料的自适应搜索结构中多缺陷参数的多尺度反演模型。.通过本项目的研究，完善和发展动力扩展有限元法的理论和方法，研制了针对单元结点同时存在多重改进类型的新型扩展有限元法位移模式，发展了基于扩展有限元法的混凝土材料分析的多尺度模型和方法，建立了改进遗传算法、改进人工蜂群算法、改进人工鱼群算法与动力扩展有限元法相结合的非均质混凝土内部缺陷探测的反演分析模型和方法，有关成果已应用于泵站导流墙、水工大型渡槽等的裂缝（缺陷）检测，为水工混凝土结构内部缺陷（裂缝）的检测提供了一种新的途径。