大跨度空间结构全精细化分析的计算理论与结构性能研究

The computation theory of spatial structures has experienced a process from simplified methods to the finite element method. However, macro analysis using low-dimensional elements remains the mainstream. The research on the structural behaviors is still at the macro level, and the real bearing capacity and the failure mechanism cannot be obtained. In order to solve this problem, this project aims to establish a computation theory for fully fine analysis of large-span spatial structures and form an efficient, general and stable finite particle method for fine analysis of structures. Researches on modeling of components and structures, multi-scale analysis, optimization of fully fine analysis, simulation of nonlinear behaviors, track of total process and bearing capacity of fine models will be completed. Key technologies of multi-scale dynamic optimization, intelligent particle distribution and failure criterions will be solved. The failure mechanism and damage evolution of grid structures, reticulated shell structures, truss structures, cable tensile structures, cable-membrane structures will be researched. The research of this project will enable the analysis of spatial structures advance to the multi-scale fine analysis and the whole process simulation, and promote the structural analysis from macro to micro. Deeper understanding of the damage process of structures and real bearing capacity will be obtained. New ideas of design and theory will be provided for scientific researches and engineering designs in the field of spatial structures.

空间结构计算理论经历了从简化方法到有限元法的过程，但当前仍以采用低维度单元的宏观分析为主流，结构性能研究仍处在宏观层面，无法获得结构真实失效机理及承载力。为解决这一问题，本项目拟建立空间结构全精细化分析的计算理论，形成一种新的高效、通用和稳定的用于结构精细化的有限质点法，围绕由组件到结构整体的精细化建模、半精细化的策略、全精细化的优化、强非线性行为的模拟、受力全过程的跟踪、精细化极限承载力的确定等关键科学问题展开研究，重点突破多尺度动态优化、质点分布智能优化、损伤破坏的判定准则等关键技术，系统研究精细化分析下网架、网壳、管桁、索杆张力结构及索膜结构的失效机理和损伤演化规律。本项目的研究将使空间结构的计算分析向精细化、多尺度及全过程方向推进，实现结构分析从宏观向微观发展，更加深入认识结构损伤过程及实际的承载能力，从而为空间结构领域的科学研究与工程设计提供新的理论与设计思想。

本项目针对空间结构全精细化分析的计算理论和结构性能研究中的关键问题，综合运用结构工程学、工程力学、计算机科学等多个学科的基础理论与方法展开研究，主要取得了以下几方面的成果：（1）推导了滑移索单元、褶皱膜单元、壳单元、实体单元等用于精细化分析的单元内力计算公式，构建了用于失效分析的弹塑性本构模型和非线性正交异性本构模型。（2）建立了以Delaunay为基础的节点、构件等组件的精细化快速建模方法，形成了空间结构自动组装方法。（3）研究了空间结构精细化分析中的关键技术，构建了基本求解框架、广义α法、变时间步长法等控制方程的求解策略，研究了组件的多尺度建模技术、优化及在实际工程中的应用，发展了质点分布密度的智能控制技术并实现了质点分布的自适应精细化优化。（4）系统研究了有限质点法在结构复杂行为分析中的应用，实现了精细化分析中结构大变形/大位移等几何和材料非线性问题的模拟、组件失效/索滑移/膜褶皱等失效行为的模拟、接触和碰撞行为的模拟、断裂行为的模拟等。（5）对管桁结构、网架结构、索穹顶膜结构、索杆梁膜结构等典型空间结构开展了精细化性能分析，获得了结构精细化全过程的响应及组件损伤发展规律。（6）研发了有限质点法空间结构精细化分析程序模块，包括前处理、数值分析和后处理模块。（7）开展了空间结构的节点半刚性试验研究及板片结构承载力试验研究，验证了提出方法的有效性。项目执行期内，发表论文共39篇，其中SCI、EI论文17篇，申请及授权国家发明专利2项，出版著作1部，发起并连续主办了两届结构复杂行为学术研讨会，项目成果在多个大型工程中应用。以上成果为空间结构精细化性能分析提供了理论基础，为深入认识结构损伤过程及实际承载力提供了有效手段，在空间结构精细化、全过程分析等方面有广泛的应用前景。