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跨尺度耦合损伤模型在大跨度海上光伏结构循环弹塑性设计中的应用研究
作者及机构
本研究由Ocean University of China（中国海洋大学）工程学院、山东省海洋工程重点实验室的Yongjie Yu和Hui Fang（通讯作者）团队完成，发表于2023年11月的《Ocean Engineering》期刊（Volume 289, 116299）。
研究领域与动机
该研究属于海洋工程与材料-结构耦合力学交叉领域。随着全球可再生能源发展，海上光伏（Photovoltaic, PV）结构因其高效性和成本优势成为研究热点。然而，极端环境载荷（如台风）会导致结构从微观材料损伤到宏观失效的跨尺度破坏。传统设计方法难以兼顾轻量化与安全性，因此作者提出了一种材料-构件-结构耦合的跨尺度损伤模型（Material-Component-Structure Coupling Damage Model），用于分析大跨度海上光伏固定桁架在循环载荷下的弹塑性行为。
科学问题
- 微观缺陷（如微孔洞）如何通过跨尺度演化影响宏观结构性能？
- 如何平衡计算效率与精度，实现大规模结构的损伤预测？
研究目标
1. 建立基于GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）本构模型的跨尺度参数化关系；
2. 开发兼顾效率与精度的跨尺度损伤评估模型（Cross-Scale Damage Evaluation Model, C-SDE）；
3. 验证该模型在台风载荷下对大跨度光伏结构的灾害预防能力。
研究对象：Q345钢（中国常用结构钢），其化学成分与力学性能见表1、表2。
方法：
- 通过拉伸试验与有限元模拟（ABAQUS UMAT子程序）标定GTN模型参数（表3），包括孔隙体积分数（Void Volume Fraction, VVF）临界值（fc=0.15）、失效值（ff=0.25）等。
- GTN模型通过屈服函数（公式1）耦合微观孔隙演化与宏观塑性变形，引入修正参数q1-q3以表征应力三轴度（Stress Triaxiality）影响。
创新点：提出保守设计策略，通过放大系数处理复杂应力状态下GTN模型的局限性。
模型对比：
- 精细全尺寸模型（F-S模型）：全实体单元（C3D8R），精度高但计算成本大；
- 壳-梁耦合模型（S-B模型）：用壳单元（S4R）和梁单元（B31）简化几何，效率提升92.5%，但无法捕捉塑性损伤；
- 跨尺度损伤评估模型（C-SDE模型）：在S-B模型基础上，用GTN参数化实体单元替换损伤区域的壳单元，通过多点约束法（Multipoint Constraint, MPC）连接不同尺度边界（图7d）。
关键技术：
- 基于位移兼容性原则（公式11-13）解决不同维度单元（如梁单元与实体单元）的自由度匹配问题；
- 通过局部网格细化（0.15mm）提升裂纹预测精度。
载荷条件：
- 水平与垂直位移循环载荷（图8c），模拟台风非比例加载（Non-Proportional Loading）效应。
结果验证：
- 线性响应阶段：S-B模型与F-S模型的应力误差<5%（图10-12），但无法反映塑性损伤（图14d）； - **弹塑性阶段**：C-SDE模型准确预测损伤位置（VVF>0.01）和承载力下降（图15），计算时间比F-S模型减少59%。
结构设计：
- 上部为太阳能板，中部为空间桁架（100×100×5mm方钢管），下部为灌浆钢管桩（图18-19）。
台风载荷模拟：
- 基于DNV规范，将平均风速（55.1m/s）转换为阵风风速（68.875m/s），计算升力（公式16）与阻力（公式15）。
关键发现：
- 构件厚度从5mm增至15mm时，结构抗台风能力提升5倍，重量仅增加22.9%（表7）；
- 损伤初始位置位于节点连接区（图20b），优化后可避免塑性失效（图21）。
（全文共约2000字）