CN108536885A - 采用结合离散元的集群来数值模拟结构失效的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了采用键联离散元的集群来数值模拟结构失效的方法和系统，所述元素表示所述结构的失效部分。在计算机系统中接收表示结构的计算机网格模型。计算机网格模型包含至少多个有限元，其中包括自适应元素的子组。基于一组预定义的标准来创建每个自适应元素的离散元和连接键的对应集群。离散元和连接键初始设定为预激活状态，连接键用于在每个集群内将离散元彼此连接。通过使用计算机网格模型、利用用于处理所述自适应元素和所述离散元的对应集群的特殊方案在多个求解周期中执行预定持续时间的时间推进模拟，来获得数值计算的结构特性。

Description

采用结合离散元的集群来数值模拟结构失效的方法和系统
技术领域
本发明总的涉及计算机辅助机械工程分析，更具体地涉及采用键联(bonded)离散元的集群来数值模拟结构失效的方法和系统，所述元素表示所述结构的失效部分。
背景技术
连续介质力学已经被用于模拟诸如固体和流体(即，液体和气体)的连续物质。微分方程用于解决连续介质力学中的问题。已经使用了许多数值程序，包括但不限于有限元方法(FEM)、例如离散元方法(DEM)之类的无网格方法、平滑粒子流体力学(SPH)等。
为了数值模拟结构失效，现有技术方法之一是基于组合的FEM/DEM，其中离散元表示结构的失效部分。然而，与现有技术方法相关的问题/缺点是离散元将散布在失效部分中，因此没有模拟真实的物理现象。因此，希望有改进的方法，在结构失效的数值模拟中能够更真实地使用离散元来表示结构的失效部分。
发明内容
公开了采用键联离散元的集群来数值模拟结构失效的方法和系统，所述元素表示所述结构的失效部分。数值模拟结构失效的方法包括：在其上安装有应用模块的计算机系统中接收表示结构的计算机网格模型。计算机网格模型包含至少多个有限元(例如，三维实体元素)，其中包括自适应元素的子组。基于一组预定义的标准来创建每个自适应元素的离散元和连接键的对应集群。采用应用模块，离散元和连接键初始设定为预激活(pre-active)状态，连接键用于在每个集群内将离散元彼此连接。通过使用计算机网格模型、利用用于处理所述自适应元素和所述离散元的对应集群的特殊方案在多个求解周期中执行预定持续时间的时间推进模拟，来获得数值计算的结构特性。
根据另一方面，特殊方案包括以下动作：(a)获得所有有限元的元素变形和全局位移；(b)根据由元素变形得到的塑性应变，确定哪个有限元已经失效；(c)从所述计算机网格模型中删除每个失效的自适应元素，并将对应集群中的离散元和连接键的状态从预激活改变为激活；(d)更新预激活离散元以反映每个自适应元素的全局位移和元素变形；(e)在所有激活离散元和有限元之间执行接触计算，在每个集群内不发生接触；以及(f)重复下一个求解周期的动作(a)-(e)，直至达到预定的持续时间或数值模拟结束。
通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。
附图说明
参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1A-1B共同地示出了根据本发明的实施例的采用键联离散元的集群来数值模拟结构失效的示例性过程的流程图，该键联离散元的集群表示结构的失效部分；
图2是根据本发明实施例的示例性计算机网格模型的示意图，该计算机网格模型包含其中包括有自适应元素的子组的至少多个有限元；
图3A是根据本发明实施例的具有连接键的一对示例性离散元的示意图；
图3B-3C是根据本发明实施例的示例性二维自适应元素的示意图；
图3D-3E是根据本发明实施例的集群中的连接键的示例模式的示意图；
图3F-3G是根据本发明实施例的示例性三维自适应元素的示意图；
图4是用于示例四边形有限元的全局和局部坐标系的示意图；
图5是根据本发明的实施例的第一和第二位置中的示例性自适应元素的示意图；
图6A-6D是根据本发明的一个实施例的正在经历结构失效的自适应元素的示例性子组的序列的示意图；
图7A-7B是根据本发明实施例的示例离散元与其他离散元之间以及示例离散元与有限元之间的接触的示意图；以及
图8是计算机系统的主要组件的功能示意图，本发明的实施例可在该计算机系统中实施。
具体实施方式
首先参照图1和2，其共同地示出了根据本发明实施例的数值模拟结构失效的示例过程100的流程图。过程100优选在软件中实现并且参照其他附图理解。
过程100从在动作102处、在计算机系统(例如，图8的计算机系统800)中接收表示结构的计算机网格模型开始，该计算机系统上安装有至少一个应用模块。应用程序模块可以是基于有限元方法、离散元方法等的软件。计算机网格模型至少包含多个有限元。有限元的子组是自适应元素。图2示出了具有九个有限元的示例性计算机网格模型210，这九个有限元具有自适应元素(具有对角线的元素)的子组214。当有限元在数值模拟(即时间推进模拟)中被确定失效时，每个自适应元素214从有限元适配到键联离散元的对应集群220。在这个例子中，每个集群220包含四个离散元221(显示为虚线圆圈)，用四个键222相互连接。为了在这个例子中简化说明，计算机网格模型210是二维模型，包含四节点四边形有限元。每个自适应元素214与四个离散元素221的集群220相关联。在另一个实施例中，其他数量的离散元可以用于每个自适应元素(未示出)，并且用于连接离散元素的键可以具有不同的模式(未示出)。
图3A示出通过连接键310连接的一对示例性离散元301-302。离散元301-302中的每一个包括具有半径R 303的圆(2-D)或球(3-D)。可以由父自适应元素计算得到每个离散元的大小和形状。例如，每个离散元被分配四分之一有限元的体积的四分之一。假定每个离散元包括圆形或球形，则可以相应地计算半径R 303。连接键310包括从该对离散元301-302的中心到中心的长度L 308。每个连接键310可以被分配诸如横截面积和杨氏模量之类的材料属性，由此当连接键处于激活状态时，连接键310可能经受材料失效。为了说明清楚起见，在其它图中，连接键不被画在离散元的中心。
图3B示出具有四个离散元321的对应集群320的四边形自适应元素314，图3C示出具有三个离散元342的对应集群340的三角形自适应元素334。四边形元素314中的离散元321通过键322键联到集群320。三角形元素334中的离散元341与键342键联。另一个实施例中，使用其他数量的离散元和不同模式的连接键。例如，3D显示了九个离散元的集群。图3E示出了通过四个连接键彼此连接的五个离散元的集群。
尽管所示的例子在二维空间中，但是本发明不限于二维模型。例如，计算机网格模型可以是包括实体元素(例如，图3F中所示的六面体元素350、图3G中所示的四面体元素370)的三维模型。
接下来，在动作104处，基于预定义的标准，为每个自适应元素创建离散元和连接键的对应集群。离散元和连接键初始设置为预激活状态。连接键用于在每个集群内将离散元彼此连接。一组预定义的标准可以包括但不限于离散元的数量和离散元在对应自适应元素内的位置、离散元的大小和形状、连接键的特定模式、连接键的材料属性等。离散元的位置通常在元素局部坐标系中定义，例如图4所示的示例性四边形元素400的元素局部坐标系统(s-t)420。元素局部坐标系(s-t)420是无量纲的并且被配置为使得四边形元素400的四个角处的坐标是1或-1的单位。
另外，还示出了用于定义计算机网格模型的几何形状的全局坐标系统(x-y)410。离散元的位置可以在局部坐标系中定义为s-t对，例如(0.5,0.5)、(0.5，-0.5)等。
然后，在动作106，通过使用计算机网格模型执行时间推进模拟，来获得数值计算的结构特性。时间推进模拟是在多个求解周期中以预定的持续时间数值模拟结构特性。换句话说，在每个求解周期中，计算并获得持续时间内特定时间的结构特性。特定时间是前一个求解周期的时间增量。为了在时间推进模拟中处理自适应元素和离散元的对应集群，使用了特殊方案(在图1B的过程110中示出的细节)。
在动作111处，过程110在时间推进模拟的每个求解周期(例如，通过有限元方法)获得包括计算机网格模型中的自适应元素的所有有限元的局部元素力、元素变形和全局位移。图5示出了在全局坐标系555中的第一位置501和第二位置502处的示例性自适应元素521a-521b。第一位置501在时间上在第二位置502之前。换句话说，第二位置502发生在第一位置501之后。自适应元素521a包含键联离散元的对应集群531a。矢量511表示自适应元素521a的全局位移。在第二位置502处，变形的自适应元素521b具有离散元的对应集群531b。
在动作112处，过程110根据在动作111处获得的元素变形而得到的塑性应变和一组材料失效规则来确定哪个自适应元素失效。接下来，在动作113中，从计算机网格模型中删除每个失效的自适应元素，并且在该动作中将相应集群中的离散元和连接键的状态从预激活改变为激活。
然后，在动作114处，剩余的预激活离散元被更新以反映每个自适应元素的全局位移和元素变形。在预激活状态下，连接键没有被赋予任何力。
图6A-6D示出了根据本发明的实施例的经历结构失效的自适应元素的示例性子组的序列。计算机网格模型600包含自适应元素612a-612d的子组。图6A示出了离散元602a-602d的所有集群被设置为预激活状态(如虚线圆圈所示)的初始位置。图6B示出了所有自适应元素612a-612d都完整的变形位置，因此相应的离散元的状态不改变为预激活。发生结构失效之后，图6C示出了已经从计算机网格模型600中删除了自适应元素612a，并且离散元的对应集群602a的状态已经被改变为激活(如实线圆圈所示)。图6D示出了已经删除了更多的自适应元素612b-612c并且更多的集群602b-602d已经被启用(即，离散元的状态从预激活变为激活)。
在动作115处，在所有激活离散元和有限元之间执行接触计算。每个集群内都不会发生接触。在一些实施例中，连接键可能会发生材料失效。连接键失效之后，离散元将不受集群的限制。
可以用许多公知的技术来执行接触计算，以检测结构(由计算机网格模型表示)的两个或更多个部分之间的接触。在检测到每个接触之后，然后计算相应的接触力并将其应用于接触中涉及的部分。
图7A是根据本发明实施例的示例性离散元与其他离散元(例如，位置701)之间以及示例性离散元与有限元(例如，位置702-703)之间的接触的示意图。值得注意的是，每个集群内的离散元连接在一起。图7B示出一个示例离散元710由于连接键711-712的失效(如虚线所示)而没有受到集群的约束。
最后，在动作120处，过程110针对下一个求解周期重复动作111-115，直到已经达到持续时间并且时间推进模拟在此之后结束。
根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统800的例子在图8中示出。计算机系统800包括一个或多个处理器，例如处理器804。处理器804连接到计算机系统内部通信总线802。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如何使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。
计算机系统800还包括主存储器808，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储驱动器814，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除存储驱动器814用已知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单元818代表可以由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元818包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。
在可选实施例中，辅助存储器810可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统800。这样的机制包括例如可移除存储单元822和接口820。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移除存储芯片(例如可擦除可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移除存储单元822和允许软件和数据从可移除存储单元822传递到计算机系统800的接口820。通常，计算机系统800由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
可能还设有连接到总线802的通信接口824。通信接口824允许软件和数据在计算机系统800和外部设备之间传递。通信接口824的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。软件和数据通过通信接口824传输。计算机800基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口824将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口824处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机800的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”、“计算机可读媒介”、“计算机可记录媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移除存储驱动器814(例如，闪存存储驱动器)和/或设置在硬盘驱动器812中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统800的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。
计算机系统800还包括输入/输出(I/O)接口830，它使得计算机系统800能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、以及类似设备。
计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块806存储在主存储器808和/或辅助存储器810中。也可通过通信接口824接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统800执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器804执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统800的控制器。
在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移除存储驱动器814、硬盘驱动器812、或者通信接口824加载到计算机系统800中。应用模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。
主存储器808可被加载有一个或多个应用模块806(例如，FEM和/或DEM应用模块)，所述应用模块806可被一个或多个处理器804执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时，结果被计算并存储在辅助存储器810(也就是，硬盘驱动器812)中。分析的状态按照用户指令以文字或者图形表示通过I/O接口830报告给用户。
虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，例如，虽然大多数例子已经被描述和图示为二维四边形元素，但是可以使用其他类型的元素，例如三维实体元素(六面体和/或四面体元素)来实现相同的目的。此外，已经描述并示出了离散元件的集群的一个特定模式，但可以使用其他模式来实现相同的目的。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及所附的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种数值模拟结构失效的方法，其特征在于，包括：
在其上安装有至少一个应用模块的计算机系统中接收表示结构的计算机网格模型，所述计算机网格模型包含至少多个有限元，所述有限元具有包括在其中的自适应元素的子组；
采用所述应用模块，基于一组预定义的标准创建每个自适应元素的离散元和连接键的对应集群，所述离散元和连接键初始设定为预激活状态，并且所述连接键用于在每个集群内将离散元彼此连接；以及
采用所述应用模块，通过使用所述计算机网格模型、利用用于处理所述自适应元素和所述离散元的对应集群的方案在多个求解周期中执行预定持续时间的时间推进模拟，来获得数值计算的结构特性，所述方案包括以下动作：
(a)获得所有有限元的元素变形和全局位移；
(b)根据由所述元素变形得到的塑性应变，确定哪个有限元已经失效；
(c)从所述计算机网格模型中删除每个失效的自适应元素，并将对应集群中的离散元和连接键的状态从预激活改变为激活；
(d)更新预激活离散元以反映每个自适应元素的全局位移和元素变形；
(e)在所有激活离散元和有限元之间执行接触计算，因此在每个集群内不发生接触，且激活的键可经历结构失效；以及
(f)重复下一个求解周期的动作(a)-(e)，直至达到预定的持续时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定义的标准包括每个集群内的离散元的总数以及每个离散元的大小。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定义的标准还包括所述连接键的特定模式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定义的标准还包括每个自适应元素内的离散元的位置。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每个离散元包括具有半径为所述大小的球体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定义的标准包括分配所述连接键的材料属性。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元包括六面体元素。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元包括四面体元素。
9.一种用于数值模拟结构失效的系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储至少一个应用模块的计算机可读代码；
连接到所述存储器的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的所述计算机可读代码，使所述应用模块执行以下操作：
接收表示结构的计算机网格模型，所述计算机网格模型包含至少多个有限元，所述有限元具有包括在其中的子自适应元素的子组；
基于一组预定义的标准创建每个自适应元素的离散元和连接键的对应集群，所述离散元和连接键初始设定为预激活状态，并且所述连接键用于在每个集群内将所述离散元彼此连接；以及
通过使用所述计算机网格模型、利用用于处理所述自适应元素和所述离散元的对应集群的方案在多个求解周期中执行预定持续时间的时间推进模拟，来获得数值计算的结构特性，所述方案包括以下动作：
(a)获得所有有限元的元素变形和全局位移；
(b)根据由所述元素变形得到的塑性应变，确定哪个有限元已经失效；
(c)从所述计算机网格模型中删除每个失效的自适应元素，并将对应集群中的离散元和连接键的状态从预激活改变为激活；
(d)更新预激活离散元以反映每个自适应元素的全局位移和元素变形；
(e)在所有激活离散元和有限元之间执行接触计算，因此在每个集群内不发生接触，且激活的键可经历结构失效；以及
(f)重复下一个求解周期的动作(a)-(e)，直至达到预定的持续时间。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预定义的标准包括每个集群内离散元的总数和每个离散元的大小。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预定义的标准还包括所述连接键的特定模式。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述预定义的标准还包括每个自适应元素内的离散元的位置。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，每个离散元包括具有半径为所述大小的球体。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预定义的标准包括分配所述连接键的材料性质。
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