[发明专利]在计算机辅助工程分析中提供颗粒连接模型的系统和方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种计算机辅助工程分析，更具体地，涉及一种提供在多个离散颗粒中的颗粒连接模型，该颗粒连接模型代表在时间推进模拟中的由脆性材料构成的物理定义域，用于获得数值上模拟的物理现象。

背景技术

许多现代工程分析在计算机系统的协助下执行。这种计算机辅助的工程（CAE）分析中的一种被称作离散单元法（DEM），其通常用于从数值上模拟大量的离散颗粒的运动。随着用于最近邻域分类的计算能力和数值算法的进步，从数值上模拟数以万计的颗粒成为可能。如今，DEM正作为一种解决在粒状和非连续材料中的工程问题的有效方法被广泛地接受，特别是在颗粒流、粉粒体力学和岩石力学中。

经典力学以在假设物质的连续分布的定义域上解决偏微分方程（PDE）为基础，包括有限元法、边界积分法、无网格法等。在其他学科中，分子动力学（MD）已经被用于确定作用力和能量的原子和分子，用于从纳米级别到微观层面的模拟，但这对于宏观层面的模拟是不适合的。

相反，DEM提供不需要用于连续介质力学的PDE公式的不同方法。然而，在现有方法中存在缺陷或缺点。具体地，不存在用于在连续介质已经被损害后连结连续介质力学和破碎颗粒的集成技术。已经提出了许多特别的方法，但这些现有技术中没有一项是令人满意的。例如，其中一个现有技术假定作用在颗粒上的作用力仅仅是轴向的，因此不能够正确地模拟具有任何相对的剪切变形或横向变形的定义域。

因此，需要提供一种在多个离散颗粒中的改良的模型，该模型代表在时间推进模拟中的由脆性材料构成的物理定义域，用于获得数值上地模拟的连续物理现象。

发明内容

本发明公开了一种在多个离散颗粒中的颗粒连接模型，该颗粒连接模型代表在时间推进模拟中的由脆性材料构成的物理定义域，用于获得数值上地模拟的连续物理现象。

根据本发明的一个方面，物理定义域由多个离散颗粒代表。影响域由每个离散颗粒指定，并且形成用于该离散颗粒的颗粒连接模型。建立各个结点以将每个离散颗粒在它的影响域之内连接到所有其他的离散颗粒上。该颗粒连接模型还定义了结点的断裂的规则。

物理定义域的连续物理现象（例如，力学性能）数值上通过一组公式代表（即，用该颗粒连接模型支配离散颗粒），以使得物理定义域的时间推进模拟能够被执行。物理特性包括材料特性和断裂能释放速率。该套公式用于计算在每对离散颗粒之间的作用力，以及物理定义域的势能。物理定义域的动量守恒和能量平衡被保存。最终，颗粒连接模型允许每个离散颗粒的尺寸和定向的变换。

根据本发明的一个实施方式的颗粒连接模型以由具有以下特征的多个离散颗粒所代表的材料的物理特性为基础：

1）在每对离散颗粒之间的结点的特性通过材料常数确定，包括：体积弹性模量、剪切模量和密度。结点的强度以断裂能释放速率的形式的材料的断裂韧度为基础；

2）所有的离散颗粒能够自由地在该物理定义域中单独移动；

3）在颗粒连接模型中不存在差分操作（即，没有PDE）；并且

4）为了计算效率，在颗粒连接模型中不存在积分运算。

本发明的目标、特征和优点将在结合附图审阅下文中对其实施方式的详细说明后变得显而易见。

附图说明

通过下文的说明、附加权利要求和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将被更好地理解，附图中：

图1为示出根据本发明的一个实施方式的、提供用于数值上模拟连续物理现象的在多个离散颗粒之中的颗粒连接模型的示意性过程的流程图。

图2为示出根据本发明的实施方式的、在时间推进模拟中的示意性的离散颗粒的尺寸和定向的变化的二维示图。

图3为示出根据本发明的实施方式的、在时间推进模拟中的示意性的离散颗粒的两个示意性的位置的二维示图；

图4为示出根据本发明的一个实施方式的、第一示意性的离散颗粒的示意性的影响域的二维示图；

图5为示出根据本发明的一个实施方式的、第二示意性的离散颗粒的另一示意性的影响域的二维示图；

图6A为示出根据本发明的实施方式的、基于颗粒连接模型的离散颗粒的第一示意性构造的二维示图；

图6B为示出图6A中的离散颗粒的第二示意性构造的二维示图；

图7为示出根据本发明的一个实施方式的、示意性三维离散颗粒（即，球体）的示图；

图8为示出根据本发明的一个实施方式的代表示意性物理定义域的多个离散颗粒的二维示图；

图9为示出根据本发明的可被实现的实施方式的计算装置的突出部件的方块图。