[发明专利]基于有限元-近场动力学的动态裂纹扩展计算方法及系统

说明书

本发明属于数值仿真技术领域，提供了一种基于有限元‑近场动力学的动态裂纹扩展计算方法及系统，本发明首先计算有限元单元的变形和受力情况，判断有限元单元是否得到破坏条件，通过将计算区域划分为有限元网格和近场动力学物质点，然后裂纹自近场动力学物质点之间发生起裂，并随着裂纹扩展，达到破坏条件的有限元单元逐渐被近场动力学物质点所替换，构建有限元网格和近场动力学物质点的动态转换方法，避免了要求预设有限元和近场动力学计算范围的问题，最后计算有限元单元节点和物质点的位置和受力，实现了裂纹扩展过程的动态建模和高效计算。

技术领域

本发明属于数值仿真技术领域，尤其涉及一种基于有限元-近场动力学的动态裂纹扩展计算方法及系统。

背景技术

有限单元法(Finite Element Method)的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，然后就各单元进行分析，最后集成求解整体位移和受力。有限单元法的优势是计算效率高，但是由于该方法基于连续性假设，难以模拟裂纹扩展问题。近场动力学(Peridynamics)是一种基于非局部作用思想建立模型，并通过求解空间积分方程描述物质物理力学行为的方法，避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统方法在面临不连续问题时的奇异性，在裂纹扩展等方面具有显著的优势。但是相比于有限单元法，近场动力学计算效率低，难以适用于大规模工程计算。因此，通过将有限单元法与近场动力学耦合，即可以提高计算效率，又可以弥补有限单元法在裂纹扩展模拟中的不足。

发明人发现，目前，虽然已有学者提出了有限元-近场动力学耦合方法，但是现有方法中要求预设有限元和近场动力学计算范围，即有限元和近场动力学模型是固定不变的，这对于难以预测裂纹扩展路径和范围的问题来说是无法实现的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于有限元-近场动力学的动态裂纹扩展计算方法及系统，本发明通过将计算区域划分为有限元网格和近场动力学物质点，并且构建有限元网格和近场动力学物质点的动态转换方法，实现了裂纹扩展过程的动态建模和高效计算。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种基于有限元-近场动力学的动态裂纹扩展计算方法，包括：

对计算区域进行有限元网格划分，得到多个有限元单元；

计算有限元单元的变形和受力情况，判断有限元单元是否得到破坏条件；

对于达到破坏条件的有限元单元，利用有限数量的近场动力学物质点进行替换；裂纹自近场动力学物质点之间发生起裂，并随着裂纹扩展，达到破坏条件的有限元单元逐渐被近场动力学物质点所替换；

采用有限元-近场动力学耦合计算方法计算有限元单元节点和物质点的位置和受力。

进一步的，利用有限单元法计算有限元单元的变形和受力，通过插值函数求解有限元单元节点及有限元单元的内部应力，根据宏观强度准则判断有限元单元是否达到破坏条件。

进一步的，所述宏观强度准则采用最大拉应力理论、最大拉应变理论或摩尔-库仑屈服准则。

进一步的，近场动力学物质点的质量、材料参数、速度和位移均从有限元单元中继承。

进一步的，所述有限元单元包括三角形单元、四边形单元、四面体单元或六面体单元。

进一步的，利用有限数量的近场动力学物质点进行替换后的有限元单元设置为死单元，将死单元刚度乘以一个预设系数，并且将与死单元相联系的单元荷载设置为0，将死单元的质量和阻尼设置为0。

进一步的，绘制位移和应力云图，直观展示裂纹起裂、扩展和贯通全过程。

第二方面，本发明还提供了一种基于有限元-近场动力学的动态裂纹扩展计算系统，包括：