CN111177968B - 一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，属于沥青混凝土细观结构数值建模技术领域。本发明预先对要插入黏聚力单元的区域创建集合，在MATLAB软件中以矩阵的形式存储该区域所有单元节点信息，利用MATLAB自带的find函数可迅速获取共用节点号的单元个数，根据共用个数增加新的节点号；在识别单元间的共用面时，采用“紧邻单元集”技术，省去了与其不共用节点的单元的识别过程，显著提高了识别效率；最后根据已识别的共用面和新节点，输出二维零厚度黏聚力单元。
Description
技术领域
本发明属于沥青混合料细观模拟前处理技术领域，涉及一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法。
背景技术
沥青混合料通常由沥青、粗骨料、细骨料、矿粉和空隙组成。在细观尺度上，通常将沥青混合料视作由沥青胶砂基质、粗骨料及空隙组成的三相复合材料。沥青混合料内部损伤的萌生与演化规律是道路工程领域的主要研究方向之一。ABAQUS有限元软件是一个很好的数值仿真平台，它自带的零厚度黏聚力单元可很好地模拟损伤起始及演化。在有限元模拟过程中，一般认为骨料不发生损伤，因此通常在沥青胶砂内部以及沥青胶砂与骨料交界面插入零厚度黏聚力单元进行损伤行为模拟。这里零厚度黏聚力单元具体指零厚度的二维黏聚力单元。
在ABAQUS软件中，插入零厚度的黏聚力单元需要在input文件中进行操作，目前可查询的插入方法较少，特别是需在较大区域一次性插入若干零厚度黏聚力单元时可用的有效方法更少，因此亟需一种可在特定区域快速插入零厚度黏聚力单元的方法。
发明内容
针对上述不足，本发明提出了一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法。通过本发明所述“紧邻单元集”技术可显著减少识别单元共用面所需循环次数，从而显著提高识别效率，准确快速完成零厚度黏聚力单元的插入。
本发明的技术方案：
一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，包括以下步骤：
步骤1.生成ABAQUS软件的input文件
(1.1)在ABAQUS软件中，根据已建立的沥青混合料细观结构模型，预先对要插入零厚度黏聚力单元的区域即目标区域创建集合，以在input文件中方便查询单元和节点信息。
(1.2)在ABAQUS软件中，根据单元类型和单元节点的个数，对模型划分网格。
(1.3)提交job，生成input文件；input文件中包含模型的所有信息，例如：单元号、节点号、节点坐标、材料特性等。
步骤2.记录目标区域的所有信息
在步骤(1.3)获得的input文件中获取目标区域中所有单元和节点信息，包括单元号、节点号及节点坐标。
步骤3.获取目标区域所需零厚度黏聚力单元的所有新增节点号
(3.1)在目标区域中，查询每个节点被共用的单元个数。
(3.2)根据共用个数n，增加n-1个新的节点号。
零厚度黏聚力单元存在于单元与单元之间，插入零厚度黏聚力单元后，原共面的两单元不再共享节点，而未插入零厚度黏聚力单元时的共面单元，仍共享节点，所以需要新增节点。
步骤4.获取目标区域每个单元的紧邻单元集合
对每个单元，根据节点号确立与其共用节点的所有单元，并建立集合，称为每个单元的紧邻单元集。
因为零厚度黏聚力单元存在于两个单元的交界面，而两单元若共面，则必有公共节点，所以在查询某单元的共面单元时，只需找到与这个单元共用节点的所有单元(即本步骤所述的紧邻单元集)，即可避免不必要的识别过程。
步骤5.确定零厚度黏聚力单元
(5.1)在步骤4得到的每个单元的紧邻单元集中，查询与该单元共面的单元。
例如：对于两个4节点单元来说，共面则表示它们有2个公共节点。
(5.2)在共面的单元间插入零厚度黏聚力单元，即根据步骤(3.2)中的新节点，为每个插入的零厚度黏聚力单元分配节点，获得相应的零厚度黏聚力单元，完成目标区域内零厚度黏聚力单元的插入。
在有限元软件中，每个单元都是由若干节点组成建立的，如步骤3所述，插入零厚度黏聚力单元后，原共面的两单元不可再共节点，所以需为新增的黏聚力单元分配新的节点号。
进一步的：
步骤2中记录单元号、节点号以及节点坐标时，均使用MATLAB软件以矩阵的形式存储数据。
步骤(3.1)中所述的每个节点被共用的单元个数，使用MATLAB软件自带的find函数可迅速获取。
本发明效果显著，具有以下几个优点：
1)可以在任意区域内插入零厚度黏聚力单元。
2)采用“紧邻单元集”技术，可避免大量不共面单元的识别过程，从而大大提高了插入效率。
3)为需要插入大批量零厚度黏聚力单元的问题提供了工具。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明中对插入零厚度黏聚力单元区域创建集合示意图。
图3为本发明中模型网格划分完毕示意图。
图4为本发明中提交job生成input文件示意图。
图5(A)为本发明中未插入零厚度黏聚力单元时的单元节点示意图。
图5(B)为本发明中插入零厚度黏聚力单元后的单元节点示意图。
图6为本发明实例中已插入的零厚度黏聚力单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明为一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，其中整个方法的流程如附图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1.生成ABAQUS软件的input文件
(1.1)在ABAQUS软件中，根据已建立的细观模型，对要插入零厚度黏聚力单元的区域(简称为目标区域)创建集合。
如图2所示，深色部分是骨料，浅色区域是沥青胶砂，浅色区域即是本实施例中要插入零厚度黏聚力单元的区域。
(1.2)在ABAQUS软件中，对模型划分好网格。
设定胶砂为4节点单元，骨料为3节点单元，共得到8272个胶砂单元，如图3所示。
(1.3)提交job，生成input文件。
如图4所示。
步骤2.记录目标区域的所有信息
在步骤(1.3)所述input文件中获取目标区域中所有单元号、节点号及节点坐标。
如8153号胶砂单元，节点号分别为1366、1367、7443、7240，在MATLAB中以矩阵的形式存储，即[1366,1367,7443,7240]。
步骤3.获取目标区域所需零厚度黏聚力单元的所有新增节点号
(3.1)在目标区域中，查询每个节点被共用的单元个数。
例如图5(A)中，各单元的节点号依次为：
[9,3,2,1；7,9,1,8；5,4,3,9；6,5,9,7]
使用MATLAB自带的find函数得到9号节点重复4次。
(3.2)根据共用个数n，增加n-1个新的节点号。
如图5(A)为未插入零厚度黏聚力单元时的单元节点信息，为了方便表示，将单元号命名为字母，如单元A的节点号为9、3、2、1，而节点9为A、B、C、D单元共用，共用个数为4，于是新增加3个节点号10、11、12，其他节点同理。
步骤4.获取目标区域每个单元的紧邻单元集合
(4.1)对每个单元，根据节点号确定与它共用节点的所有单元，并建立集合，称为每个单元的紧邻单元集。
如图5(A)所示，单元D的紧邻单元集为A、B、C，建立紧邻单元集。
步骤5.确定零厚度黏聚力单元
(5.1)在步骤4得到的每个单元的紧邻单元集中，查询与该单元共面的单元。
如图5(A)所示，与单元D共面的是单元B、C。
(5.2)在共面的单元间插入零厚度的黏聚力单元，即根据步骤(3.2)中的新节点，为每个插入的黏聚力单元分配节点，获得相应的零厚度黏聚力单元。
如图5(B)所示，在单元D与单元B间插入零厚度的黏聚力单元即为单元E，其节点号为14、11、9、7。需要说明的是，图中为了清楚表明零厚度黏聚力单元E的位置，夸张了其厚度，实际单元E为零厚度单元，即节点7与14、节点9与11的坐标完全一致。
本实施例中，在8272个胶砂单元之间插入15642个零厚度黏聚力单元仅需50.597s，插入后的零厚度黏聚力单元如图6所示。
Claims (3)
1.一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.生成ABAQUS软件的input文件
(1.1)在ABAQUS软件中，根据已建立的沥青混合料细观结构模型，预先对要插入零厚度黏聚力单元的区域即目标区域创建集合，以在input文件中方便查询单元和节点信息；
(1.2)在ABAQUS软件中，根据单元类型和单元节点的个数，对模型划分网格；
(1.3)提交job，生成input文件；input文件中包含模型的所有信息，包括单元号、节点号、节点坐标和材料特性；
步骤2.记录目标区域的所有信息
在步骤(1.3)获得的input文件中获取目标区域中所有单元和节点信息，包括单元号、节点号及节点坐标；
步骤3.获取目标区域所需零厚度黏聚力单元的所有新增节点号
(3.1)在目标区域中，查询每个节点被共用的单元个数；
(3.2)根据共用个数n，增加n-1个新的节点号；
步骤4.获取目标区域每个单元的紧邻单元集合
对每个单元，根据节点号确立与其共用节点的所有单元，并建立集合，称为每个单元的紧邻单元集；
步骤5.确定零厚度黏聚力单元
(5.1)在步骤4得到的每个单元的紧邻单元集中，查询与该单元共面的单元；
(5.2)在共面的单元间插入零厚度黏聚力单元，即根据步骤(3.2)中的新节点，为每个插入的零厚度黏聚力单元分配节点，获得相应的零厚度黏聚力单元，完成目标区域内零厚度黏聚力单元的插入。
2.根据权利要求1所述的一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，其特征在于，步骤2中记录单元号、节点号以及节点坐标时，均使用MATLAB软件以矩阵的形式存储数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种在目标区域内快速插入二维零厚度黏聚力单元的方法，其特征在于，步骤(3.1)中所述的每个节点被共用的单元个数，使用MATLAB软件自带的find函数获取。
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