[发明专利]三维Cohesive单元全局嵌入方法

说明书

本发明公开了一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：S1，建立裂纹三维的有限元模型，网格剖分并导入实体，保存为模型文件输出；S2，读取并提取模型文件中的单元数据及节点数据，保存为数据文件输出；S3，读取数据文件，获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；原单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；S4根据原面矩阵和重构面矩阵获得三维Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；S5，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入三维Cohesive单元的模型。

技术领域

本发明涉及裂纹有限元离散方法建模分析领域，具体涉及一种三维Cohesive单元全局嵌入方法。

背景技术

随着监测技术和模拟技术的发展，学者们对于裂纹形态、裂纹扩展机理等研究已不再局限于二维平面内的欧式线性裂纹，同时，越来越复杂的几何模型和数学模型使得数值模拟等技术对于当前的研究分析工作显得越发重要。数值模拟技术能解决理论推导的解析解假定太多而不容易符合实际工程的问题。其在多尺度研究中的作用尤为明显，不仅能用于大尺度的复杂工程中局部破坏、局部应力不均等现象的描述，便于工程师们对工况和研究结果进行对比分析，在实验室研究中，模拟求解得到的历程云图、随时间变化的位移云图、孔隙压力云图等为学者们对本质现象的描述和成因分析提供了有力的参考和引导。

数值模拟技术发展至今，已经开始由有限元逐渐向离散元发展，然而，即使在计算机快速发展，且普及程度已经如此之高的时代，有限元作为一种最早发展出来的数值模拟方法，仍然具有其独特的优势和巨大的潜力。这是由于离散元等数值模拟技术的基本理论还不够充分，同时，其计算工程过于缓慢，即使是在当今，其对计算机性能的要求也略高。也就有了过渡型的一些方法，如边界元、有限离散元法等，这些模拟方法基于有限元的基本理论，同时采用离散的基本思想将地质模型、工程实体模型等抽象为由许多块体，许多节理裂隙分割的，却又保持为整体的模型，既保证了求解速度，又能够在一定程度上再现工程实体的局部响应。ABAQUS作为大型非线性有限元求解软件，一直受到极大的关注，其内裂纹的模拟手段之一的Cohesive单元建模方法与有限离散元法的思想基本一致，因而在航空航天、机械制造、材料科学、岩土工程等领域具有相当的潜力。然而，当前的文献等资料中尚未有公开提到的ABAQUS三维Cohesive单元的全局嵌入方法，使得ABAQUS三维Cohesive单元的嵌入繁琐，影响建模仿真效率，不便于对裂纹扩展数值模拟等进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的不能快速全局嵌入二维Cohesive单元的不足，提供一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，在短时间内对ABAQUS中裂缝图像的裂纹几何模型实现全局嵌入Cohesive单元，极大提高了ABAQUS的建模效率，便于后续的裂缝扩展数值模拟研究。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：

S1，采集裂纹信息，通过工程处理软件建立三维的有限元模型，进行网格剖分，并导入实体，处理后的文件保存为模型文件，并输出该模型文件；

S2，通过数据处理软件读取三维的模型文件，提取模型文件中的单元数据及节点数据，并将提取的数据保存为数据文件，并输出该数据文件；

S3，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，原始矩阵通过矩阵分割获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，将各立体单元共用的节点及面区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；

S4，根据原面矩阵获取各六面体单元共用的面，再根据重构面矩阵获得三维Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及三维Cohesive矩阵放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；