[發明專利]三維Cohesive單元全局嵌入方法

有效

• 申請號: 202110643239.0
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113283147B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 李銘輝;吳明洋;高明忠;李存寶;尚德磊;魯俊;高恒
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云;肖秉城

本發明公開了一種三維Cohesive單元全局嵌入方法，包括以下步驟：S1，建立裂紋三維的有限元模型，網格剖分并導入實體，保存為模型文件輸出；S2，讀取并提取模型文件中的單元數據及節點數據，保存為數據文件輸出；S3，讀取數據文件，獲得單元矩陣和節點矩陣；分別對單元矩陣和節點矩陣進行處理，得到擴展節點矩陣和重構單元矩陣；原單元矩陣和重構單元矩陣的節點編號列組合，得到原面矩陣和重構面矩陣；S4根據原面矩陣和重構面矩陣獲得三維Cohesive矩陣；將擴展節點矩陣，重構單元矩陣以及Cohesive矩陣替換原節點數據和單元數據，得到新模型文件；S5，工程處理軟件讀取新模型文件，得到全局嵌入三維Cohesive單元的模型。

技術領域

本發明涉及裂紋有限元離散方法建模分析領域，具體涉及一種三維Cohesive單元全局嵌入方法。

背景技術

隨著監測技術和模擬技術的發展，學者們對于裂紋形態、裂紋擴展機理等研究已不再局限于二維平面內的歐式線性裂紋，同時，越來越復雜的幾何模型和數學模型使得數值模擬等技術對于當前的研究分析工作顯得越發重要。數值模擬技術能解決理論推導的解析解假定太多而不容易符合實際工程的問題。其在多尺度研究中的作用尤為明顯，不僅能用于大尺度的復雜工程中局部破壞、局部應力不均等現象的描述，便于工程師們對工況和研究結果進行對比分析，在實驗室研究中，模擬求解得到的歷程云圖、隨時間變化的位移云圖、孔隙壓力云圖等為學者們對本質現象的描述和成因分析提供了有力的參考和引導。

數值模擬技術發展至今，已經開始由有限元逐漸向離散元發展，然而，即使在計算機快速發展，且普及程度已經如此之高的時代，有限元作為一種最早發展出來的數值模擬方法，仍然具有其獨特的優勢和巨大的潛力。這是由于離散元等數值模擬技術的基本理論還不夠充分，同時，其計算工程過于緩慢，即使是在當今，其對計算機性能的要求也略高。也就有了過渡型的一些方法，如邊界元、有限離散元法等，這些模擬方法基于有限元的基本理論，同時采用離散的基本思想將地質模型、工程實體模型等抽象為由許多塊體，許多節理裂隙分割的，卻又保持為整體的模型，既保證了求解速度，又能夠在一定程度上再現工程實體的局部響應。ABAQUS作為大型非線性有限元求解軟件，一直受到極大的關注，其內裂紋的模擬手段之一的Cohesive單元建模方法與有限離散元法的思想基本一致，因而在航空航天、機械制造、材料科學、巖土工程等領域具有相當的潛力。然而，當前的文獻等資料中尚未有公開提到的ABAQUS三維Cohesive單元的全局嵌入方法，使得ABAQUS三維Cohesive單元的嵌入繁瑣，影響建模仿真效率，不便于對裂紋擴展數值模擬等進行研究。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中所存在的不能快速全局嵌入二維Cohesive單元的不足，提供一種三維Cohesive單元全局嵌入方法，在短時間內對ABAQUS中裂縫圖像的裂紋幾何模型實現全局嵌入Cohesive單元，極大提高了ABAQUS的建模效率，便于后續的裂縫擴展數值模擬研究。

為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：

一種三維Cohesive單元全局嵌入方法，包括以下步驟：

S1，采集裂紋信息，通過工程處理軟件建立三維的有限元模型，進行網格剖分，并導入實體，處理后的文件保存為模型文件，并輸出該模型文件；

S2，通過數據處理軟件讀取三維的模型文件，提取模型文件中的單元數據及節點數據，并將提取的數據保存為數據文件，并輸出該數據文件；

S3，采用數據分析軟件讀取數據文件記作原始矩陣，原始矩陣通過矩陣分割獲得單元矩陣和節點矩陣；分別對單元矩陣和節點矩陣進行處理，將各立體單元共用的節點及面區分開，分別得到擴展節點矩陣和重構單元矩陣；單元矩陣和重構單元矩陣的節點編號列組合，得到原面矩陣和重構面矩陣；

S4，根據原面矩陣獲取各六面體單元共用的面，再根據重構面矩陣獲得三維Cohesive矩陣；將擴展節點矩陣，重構單元矩陣以及三維Cohesive矩陣放入模型文件的對應位置替換原節點數據和單元數據，得到新模型文件；