CN106055737A - 一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置，属于裂缝数字实验前处理技术领域，用于解决现有针对裂缝模拟方法存在建模效率低，且模拟复杂结构裂缝损伤时，费时，费力且容易出错的问题。包括在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，第一无厚度弹簧单元的组成节点和第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与裂缝所在点重合；根据两个无厚度弹簧单元，建立以裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；通过设置参数的方法，确定刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

Description

一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置

技术领域

本发明属于裂缝数字实验前处理技术领域，更具体的涉及一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置。

背景技术

结构在服役过程中不可避免会出现损伤，裂缝是一种典型的损伤形式，一旦出现裂缝，裂缝位置处结构的刚度就会降低，这对结构的安全性将是一个隐患。对裂缝进行数值模拟是分析裂缝对结构性能影响，建立裂缝检测识别理论的重要内容。要想准确建立含裂缝损伤的结构模型，特别是复杂结构的损伤模型，发展基于通用有限元软件的正确、高效的数值方法至关重要。

现有模拟裂缝损伤的方法包括刚度降低法、生死单元法、奇异单元法、接触模型法等，这些方法虽然都可以用来模拟裂缝，但它们各自都存在建模的效率不高的问题。进一步地，若针对含有较多不同损伤程度裂缝的变截面梁的分析，框架梁柱结构上部分梁柱存在裂缝损伤的情况，以及由多种实体构件(如杆、梁、板、壳、三维基础等)构成的复杂结构体系中含有裂缝损伤的情况等，再用传统计算机语言(如：C、C++、FORTRAN、MATLAB等)来编写程序不仅费时、费力、而且容易出错。

发明内容

本发明实施例提供一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置，用于解决现有技术中针对裂缝模拟方法存在建模效率低，且模拟复杂结构裂缝损伤时，费时，费力且容易出错的问题。

本发明实施例提供一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法，包括：

在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

优选地，所述在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元之前，还包括：

确定所述裂缝所在面的截面面积，截面惯性矩和截面高度，根据所述裂缝所在面的几何位置，在所述裂缝所在点建立至少两个组成节点。

优选地，通过下列公式，确定所述第一无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S

其中，公式中S通过下列公式确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)$

公式中，E为梁结构材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，H为裂缝所在面截面高度，α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度；

所述第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

优选地，所述以所述裂缝为分析对象的弹簧模型用下列公式表示：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)$

其中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。

本发明实施例还提供一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置，包括：

第一确定单元，用于在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

建模单元，用于根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

第二确定单元，用于通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

优选地，所述第一确定单元还用于：

确定所述裂缝所在面的截面面积、截面惯性矩和截面高度，根据所述裂缝所在面的几何位置，在所述裂缝所在点建立至少两个组成节点。

优选地，通过下列公式，确定所述第一无厚度弹簧单元的所述第二无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S

其中，公式中S通过下列公式确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)$

公式中，E为梁结构材料的弹性模量；I为梁截面惯性矩；H为裂缝所在面截面高度；α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度；

所述第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

优选地，所述以所述裂缝为分析对象的弹簧模型用下列公式表示：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)$

其中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。

本发明实施例中，提供一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法及装置，包括在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合，根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。上述方法可以针对裂缝建立弹簧模型，同时，该弹簧模型在裂缝处可以传递剪力和弯矩，并且在实际应用中，可以通过改变参数的方法，模拟不同裂缝数量，不同裂缝位置以及不同损伤程度的裂缝。该方法具有建模方便，存储空间小，且计算效率高的优点。解决了现有针对裂缝模拟方法存在建模效率低，且模拟复杂结构裂缝损伤时，费时，费力且容易出错的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法流程示意图；

图2为本发明实施例一提供的用弹簧单元模拟简支梁损伤的模型示意图；

图3为本发明实施例提供的对简支梁模型进行模态分析后得到的前四阶模态振型示意图；

图4为本发明实施例在简支梁模型跨中部位施加竖向荷载示意图；

图5为本发明实施例提供的施加荷载后对模型进行静力分析得到的变形示意图；

图6A为本发明实施例三提供的板梁结构平面结构示意图；

图6B为本发明实施例三提供的板梁结构立体结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的存在裂缝的板梁结构有限元模型示意图；

图8为本发明实施例提供的施加约束后的板梁结构有限元模型示意图；

图9为本发明实施例提供的板梁结构在固有频率0.458903Hz下的结构模态振型示意图；

图10为本发明实施例提供的板梁结构受水平荷载作用示意图；

图11为本发明实施例提供的水平荷载作用下结构变形示意图；

图12为本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法流程示意图，该方法至少可以应用于建筑、机械上含裂缝损伤的梁结构的计算分析。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法包括以下步骤：

步骤101，在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

步骤102，根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

步骤103，通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

需要说明的是，本发明实施例所提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法以有限元软件ANSYS为操作平台。

在本发明实施例中所提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法主要包括以下三方面：

一、设置弹簧单元；

二、利用弹簧单元模拟裂缝损伤情况；

三、利用弹簧单元建立不同损伤模型；

其中，步骤101，步骤102和步骤103主要包括第一方面和第二方面的内容。

在步骤101之前，也就是在裂缝所在点确定两个无厚度弹簧单元之前，需要先确定裂缝所在面的截面面积、截面惯性矩和截面高度，在设定范围内设置两个无厚度弹簧单元的刚度和阻尼系数。

可以通过下列公式(1)确定第一无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S (1)

其中，公式(1)中S通过下列公式(2)确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)---\left(2\right)$

公式(2)中，E为梁结构材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，H为裂缝所在面截面高度，α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度。

在本发明实施例中，第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

在步骤101中，在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元。其中，第一无厚度弹簧单元的组成节点和第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与裂缝所在点重合。

需要说明的是，第一无厚度弹簧单元的组成节点可以包括多个具有不同编号的节点，而第二无厚弹簧单元的组成节点也可以包括多个具有不同编号的节点；在本发明实施例中，第一无厚弹簧单元的组成节点包括两个节点，第二无厚弹簧单元的组成节点也包括两个节点，且第一无厚弹簧单元的组成节点和第二无厚弹簧单元的组成节点分别与裂缝所在点重合。

在步骤102中，根据两个无厚度弹簧单元，建立以裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧。

需要说明的是，在本发明实施例中，第一无厚度弹簧单元也可以是刚性弹簧，第二无厚度弹簧单元也可以是扭转弹簧；在本发明实施例中，对第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元的具体定义不做具体的限定。

在本发明实施例中，可以通过下列公式(3)表示以裂缝为分析对象的弹簧模型：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)---\left(3\right)$

其中，公式(3)中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。

在步骤103中，通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

需要说明的是，通过设置参数，可以改变刚性弹簧和扭转弹簧的自由度，在本发明实施例中，对设置刚性弹簧和扭转弹簧的自由度的具体参数不做限定。

为了清楚说明本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法，以下分别介绍两个基于相同的发明构思的实施例。

实施例一：利用弹簧单元模拟裂缝损伤情况：

以一个跨径为20m的简支梁为例，梁横截面的宽度b＝0.3m，高度h＝0.6m。假定梁跨中部位有一个裂缝损伤，损伤程度为60％。无损简支梁的刚度为2.1e11N/m。计算分析时，模拟裂缝的弹簧单元的扭转刚度可根据式(1)计算得到，为2.9e8N/m。

步骤201，选择梁单元类型为beam3，在beam3的实常数中设置梁的截面面积、截面惯性矩和截面高度数值(这里梁的截面面积＝b×h＝0.18；截面惯性矩＝b×h×h×h/12＝0.0054；截面高度＝h＝0.6)；选择弹簧单元为combin14，在combin14的实常数中设置弹簧的刚度和阻尼系数的值(两类弹簧单元的设置为：扭转弹簧的刚度＝2.9e8N/m，阻尼系数＝1e4；刚性弹簧的刚度＝2.1e11N/m，阻尼系数＝1e4)。在编写程序时，所有参数可用符号表示，以方便修改，并使程序通用化。

图2为本发明实施例一提供的用弹簧单元模拟简支梁损伤的模型示意图。

步骤202，如图2所示，建立四个关键点，分别为关键点1(0，0)、关键点2(10，0)、关键点3(10，0)和关键点4(20，0)。其中，关键点2和关键点3具有相同的几何坐标。

在裂缝所在位置分别确定第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，并且可以确定第一无厚度弹簧单元的组成节点包括两个节点，第二无厚弹簧单元的组成节点包括两个节点，且形成第一无厚度弹簧单元的两个节点和形成第二无厚度弹簧单元的两个节点均与所述裂缝所在点重合。

如图2中的201点即为裂缝所在点，同时为形成第一无厚度弹簧单元的两个节点和形成第二无厚度弹簧单元的两个节点。

步骤203，依次将关键点1和关键点2、关键点3和关键点4两两连成线，然后将整个梁划分为等长度的100个单元，当将梁划分为等长度的100个单元时，对应地有101个节点。

需要说明的是，上述划分的单元数可根据实际需要进行调整，比如，可以分为50个、还可以划分为200个等。

步骤204，提取裂缝处坐标相重合的两个节点的节点号。

步骤205，在提取的节点号上建立两种弹簧单元：轴向弹簧和扭转弹簧。得到弹簧单元模拟简支梁损伤的有限元模型。

实施例二：利用弹簧单元建立不同损伤模型：

步骤301，在实际应用中，由于不同的刚度值代表不同程度的损伤，可以通过改变弹簧的刚度，来建立不同损伤模型。如在本实施例二中，当损伤程度为40％时，根据公式(1)，可以确定弹簧扭转刚度为1.04e9N/m；当损伤程度为20％时，根据公式(1)，可以确定弹簧扭转刚度为4.7e9N/m。

步骤302，由于重合点坐标不同，可以代表不同位置的损伤，因此，可以通过改变重合点坐标，来模拟不同位置的损伤。比如，将图2中的关键点2和关键点3的坐标改为其他值，则可以定义不同位置的损伤。

步骤303，由于重合点的数量的多少，代表了损伤数量的情况，即可以通过增加重合点的数量，来模拟多损伤的工况。比如，在图2中的可以另外定义关键点5(5，0)和关键点6(5，0)或者更多对坐标相同的关键点来模拟多损伤工况。

图3为模态分析后得到的图2的前四阶模态振型图，图4为针对图3在跨中施加集中荷载10000N后作静力分析得到的该模型的变形图。

基于大型通用有限元软件用弹簧单元来模拟损伤在复杂结构体系中更能体现其便捷，容易操作的优势。

以下实施例三中以一个带有一处裂缝损伤的板梁(柱)结构为例进行说明。

图6A为本发明实施例三提供的板梁结构平面结构示意图，图6B为本发明实施例三提供的板梁结构立体结构示意图。其中梁结构的材料均是A3钢，弹性模量为2e11N/m²，泊松比为0.3，密度为7.8e3kg/m³；板壳厚度为0.02m；柱(梁)截面宽度和高度均为0.2m。假定在图6A和图6B所示的板梁结构中第三层的一处边柱上存在裂缝损伤。图7为本发明实施例三提供的存在裂缝的板梁结构有限元模型示意图。

具体的建模分析包括以下步骤：

步骤401，选择梁单元类型为beam3，在beam3的实常数中设置梁的截面面积、截面惯性矩和截面高度数值(这里梁的截面面积为0.04；截面惯性矩为1/7500；截面高度为0.2)；选择板单元类型为shell63，在shell63实常数中设置板的厚度数值(这里板的厚度为0.02)；选择弹簧单元为combin14，在combin14的实常数中设置弹簧的刚度和阻尼系数的值(两类弹簧单元的设置为：扭转弹簧的刚度＝2.9e8N/m，阻尼系数＝1e4；刚性弹簧的刚度＝2.1e11N/m，阻尼系数＝1e4)。指定材料属性(这里指定材料弹性模量为2e11N/m²，泊松比为0.3，密度为7.8e3kg/m³)。需要说明的是，在实际编写程序时，所有的参数可以用符号表示，从而方便修改，也方便使得程序具有通用性。

步骤402，建立框架柱，根据各柱的几何位置建立关键点，并连接相应关键点形成各框架柱。需要说明的是，在带裂缝损伤柱的建立时，需要在裂缝处建立两个坐标相同而节点编号不同的节点，比如在本发明实施例三中，定义节点分别为100(20，7.5)和101(20，7.5)，同时，在两个节点间建立两种弹簧单元，其中，两种弹簧单元包括轴向弹簧和扭转弹簧。

步骤403，建立层板，用shell63单元划分网格，在框架柱之间建立各层楼板。

步骤404，施加位移约束，假定此结构与地面接触的柱脚处为固接，则可以约束各柱脚节点的所有自由度，图8为本发明实施例三提供的施加约束后的板梁结构有限元模型示意图。

步骤405，对此结构进行模态分析，图9为本发明实施例三提供的板梁结构在固有频率0.458903Hz下的结构模态振型示意图。

步骤406，对此结构进行静力分析，图10为本发明实施例三提供的板梁结构受水平荷载作用示意图，图11为本发明实施例三提供的板梁结构在水平荷载作用下结构变形示意图。

需要说明的是，上述图11表示图10所述的板梁结构在水平力为20000N/m时，板梁结构的变形情况，由于板梁结构在被施加外力后，可以看出板梁结构的裂缝处的位移的变化，显示出裂缝处位移变化的不连续性。通过图11裂缝处的变形放大图可以确定，该处位移变化具有奇异性。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

如图12所示，为本发明实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置结构示意图，包括第一确定单元121，建模单元122和第二确定单元123。

第一确定单元121，用于在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

建模单元122，用于根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

第二确定单元123，用于通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

优选地，所述第一确定单元121还用于：

确定所述裂缝所在面的截面面积、截面惯性矩和截面高度，在设定范围内设置所述两个无厚度弹簧单元的刚度和阻尼系数；

根据所述裂缝所在面的几何位置，在所述裂缝所在点建立至少两个组成节点。

优选地，通过下列公式，确定所述第一无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S

其中，公式中S通过下列公式确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)$

公式中，E为梁结构材料的弹性模量；I为梁截面惯性矩；H为裂缝所在面截面高度；α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度；

所述第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

优选地，所述以所述裂缝为分析对象的弹簧模型用下列公式表示：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)$

其中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。

应当理解，以上一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置包括的单元仅为根据实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的装置所实现的功能与上述实施例提供的一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的方法，其特征在于，包括：

在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元之前，还包括：

确定所述裂缝所在面的截面面积，截面惯性矩和截面高度，根据所述裂缝所在面的几何位置，在所述裂缝所在点建立至少两个组成节点。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下列公式，确定所述第一无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S

其中，公式中S通过下列公式确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)$

公式中，E为梁结构材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，H为裂缝所在面截面高度，α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度；

所述第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以所述裂缝为分析对象的弹簧模型用下列公式表示：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)$

其中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。

5.一种基于弹簧单元模拟梁结构裂缝的装置，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于在裂缝所在点将两个无厚度弹簧单元，分别确定为第一无厚度弹簧单元和第二无厚度弹簧单元，其中，所述第一无厚度弹簧单元的组成节点和所述第二无厚度弹簧单元的组成节点分别与所述裂缝所在点重合；

建模单元，用于根据所述两个无厚度弹簧单元，建立以所述裂缝为分析对象的弹簧模型，其中，所述第一无厚度弹簧单元为扭转弹簧，所述第二无厚度弹簧单元为刚性弹簧；

第二确定单元，用于通过设置参数的方法，确定所述刚性弹簧的自由度、刚度、阻尼和所述扭转弹簧的自由度、刚度、阻尼。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元还用于：

确定所述裂缝所在面的截面面积，截面惯性矩和截面高度，根据所述裂缝所在面的几何位置，在所述裂缝所在点建立至少两个组成节点。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，通过下列公式，确定所述第一无厚度弹簧单元的刚度：

K＝1/S

其中，公式中S通过下列公式确定：

$S=\frac{2H}{EI}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\right)}^2(5.93-19.69\mathrm{\α}+37.14{\mathrm{\α}}^2-35.84{\mathrm{\α}}^3+13.12{\mathrm{\α}}^4)$

公式中，E为梁结构材料的弹性模量；I为梁截面惯性矩；H为裂缝所在面截面高度；α＝h/H为裂缝深度h与裂缝所在面截面高度H的比值，α为裂缝的损伤程度；

所述第二无厚度弹簧单元的刚度值取为梁结构材料的弹性模量值，且所述刚度的单位为N/m。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述以所述裂缝为分析对象的弹簧模型用下列公式表示：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1(K_1,c_1)\⊕{\mathrm{\ξ}}_2(K_2,c_2)$

其中，ξ表示弹簧模型，ξ₁和ξ₂分别表示扭转弹簧和刚性弹簧，K₁、c₁分别为扭转弹簧的刚度和阻尼，K₂、c₂分别为刚性弹簧的刚度和阻尼。