CN111524560A - 一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法 - Google Patents

一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，包括如下步骤：在离散元仿真结束后获取离散元模型内部所有断裂键的时间以及位置信息；根据所获得的断裂键的时间以及位置信息，通过一定的搜索、判别方法将所有的断裂键标记为不同的裂纹；在搜索结束之后，输出离散元模型内部标记的所有裂纹条数，每条裂纹的长度以及每条裂纹形成时所释放的能量。本发明利用一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，能有效地标识出离散元模型内部的裂纹数目以及形状，弥补了目前离散元仿真领域中对离散元模型内部裂纹标识的空白。

Description

一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法
技术领域
本发明涉及离散元仿真中裂纹标识领域，具体涉及一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法。
技术背景
离散元仿真目前应用于许多脆性材料内部裂纹的萌生以及扩展等过程，因为离散元法适用于模拟离散颗粒组合体在准静态或动态条件下的变形以及破坏过程，但目前对于仿真结果中材料模型内部裂纹的分析仍处于空白阶段。
从已掌握的文献及专利来看，研究人员大多将材料模型内部的粘结键断裂数目直接处理为材料模型内部的裂纹数，但这种统计方法是不准确的，统计数会远大于模型内部的实际裂纹数。为了解决上述问题，本发明提供了一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，对离散元模型内部粘结键的断裂进行标识，不仅直观地统计了材料模型内部的裂纹数，也直观地计算了每一条裂纹的长度及其形成时所释放的能量，从而弥补了离散元仿真中对于模型内部裂纹定量分析这一内容的空白。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于识别离散元仿真中材料模型内部裂纹的技术方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在离散元仿真过程结束后，提取离散元模型内部断裂键的发生时间、位置信息、长度信息以及方向信息，并按发生时间先后顺序进行排序，同时初始化裂纹条数i，且设置i＝1；
(2)基于步骤(1)所获得的断裂键数据，将未标记断裂键中最早出现的断裂键标记为第i条新裂纹，并以此断裂键的中心位置为圆心及其键长l的k倍为搜索半径(1≤k≤3)，建立第i条新裂纹的搜索范围；
(3)基于步骤(2)所标记的第i条新裂纹以及建立的搜索范围，对其他未标记的断裂键进行搜索，若某个未标记的断裂键的中心位置出现在第i条新裂纹的搜索范围之内，则将该未标记的断裂键纳入第i条新裂纹并进行标记，同时以新标记的断裂键的中心为圆心及其键长l的k倍为搜索半径，更新第i条新裂纹的新增搜索范围，随后基于第i条新裂纹的新增搜索范围对余下的未标记断裂键进行搜索，直至没有中心位置出现在第i条新裂纹的新增搜索范围之内的未标记断裂键；
(4)在步骤(3)执行结束后，若仍存在不属于任意一条已知裂纹的未标记断裂键，则令i＝i+1，然后返回继续执行步骤(2)、(3)、(4)，若不存在未标记的断裂键，则输出离散元模型内部所有的裂纹条数i，每一条裂纹的长度Lj(1≤j≤i)及其所需的断裂能Ej。
上述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，步骤(1)所述的离散元模型内部断裂键的位置信息为断裂键的中心位置坐标、法向方向以及断裂键长度，建立全局坐标系，令任意第m条断裂键的中心位置为：
Figure BDA0002453853520000021
则以该断裂键位置标记的搜索范围为：
Figure BDA0002453853520000022
上述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，第m条粘结键断裂时释放的能量为：
Figure BDA0002453853520000023
其中，Fn-平行键法向力；
Figure BDA0002453853520000024
-法向刚度；
A-粘结键面积；
ks-剪切刚度；
Mt-扭矩；
J-转动惯量；
Mb-弯矩。
其中，粘结键发生断裂的判别准则为：
Figure BDA0002453853520000025
其中，σc-最大法向应力；
β-力矩贡献因子；
R-粘结键半径；
I-惯性矩；
τc-最大切向应力；
Fs-平行键剪切力；
上述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，步骤(4)所述的每条裂纹的长度为：
Figure BDA0002453853520000031
其中，qj-构成第j条裂纹的断裂键数；
Figure BDA0002453853520000032
-第mj(1≤mj≤qj)个断裂键的长度，
Figure BDA0002453853520000033
其中
Figure BDA0002453853520000034
为第mj条断裂键相邻两颗粒的半径。
且第j条裂纹形成时对应释放的断裂能为：
Figure BDA0002453853520000035
上述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，除第1条新裂纹以外的所有新裂纹的标记仅发生在步骤(3)的实施以及步骤(4)的判别结束之后。
本发明基于仿真结束后材料模型内部断裂键的时间、位置信息，创造性地提出了一种用于识别离散元仿真结束后材料模型内全部裂纹的技术方法，为离散元仿真结果后续的分析提供了技术支持。
附图说明
图1为一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法流程图。
图2为SiC陶瓷三点弯曲试验仿真结果图。
图3为离散元仿真模型内部裂纹标识示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于更清楚地理解本发明的目的、特点以及优点。
本发明涉及一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，示例脆性材料选用SiC陶瓷材料，示例软件选用PFC5.02D，示例过程为模拟含单条裂纹缺陷的SiC陶瓷的三点弯曲试验，仿真结束后，对SiC陶瓷模型内部裂纹进行标识，具体包括如下步骤：
(1)本实例中，在SiC陶瓷的切削仿真结束之后(仿真结果如图2所示)，陶瓷材料模型内部一共存在106条断裂键，提取SiC陶瓷模型内部所有的断裂键信息，其中包括断裂键的发生时间信息、中心位置信息、长度信息以及方向信息，将断裂键信息按照发生时间先后顺序进行排列，并保存信息文件；
(2)执行裂纹标识程序，将最先出现的未标记断裂键标记为裂纹1，并以该断裂键的中心位置(x1,y1)为圆心及其键长的1.5倍建立第1条新裂纹的实时搜索范围，本实例中最先出现的未标记断裂键键长为l1，则此实时搜索范围为：
Figure BDA0002453853520000041
(3)根据步骤(2)所生成的实时搜索范围S1对剩余未标记的断裂键进行搜索，搜索过程如图3所示；当有未标记断裂键m的中心位置出现在实时搜索范围S1之内时，则将该断裂键标记为裂纹1，同时以该新标记断裂键的中心位置(xm,ym)为圆心，以其键长的1.5倍为搜索半径建立并更新第1条新裂纹的实时搜索范围S1，以更新后的实时搜索范围S1对剩余未标记断裂键进行搜索，若有中心位置出现在实时搜索范围内的裂纹，则将其标记为裂纹1，当有多条断裂键的中心位置出现在实时搜索范围内时，则将这一系列断裂键标记为裂纹1，并同时分别以新标记断裂键的中心位置为圆心，及其键长的1.5倍为半径建立并更新裂纹1的实时所搜范围以继续搜索，其标识过程示意图如图3所示，直至无未标记断裂键的中心位置出现在搜索范围S1内，则表明对裂纹1的标识完成；
(4)在剩余未标记断裂键中，将发生时间最早的断裂键标记为裂纹2，并以该断裂键的中心位置为圆心，该断裂键键长的1.5倍为搜索半径建立裂纹2的实时搜索范围S2，具体搜索过程如步骤(3)，此处不再赘述，当对裂纹2的标识完成时，仍存在未标记断裂键，则将剩余未标记断裂键中发生时间最早的断裂键标记为裂纹3，再按步骤(3)的搜索过程继续展开搜索，若已无未标记断裂键存在时，则表明对陶瓷材料模型内部裂纹的搜索和标识已经完成；
(5)当对陶瓷材料模型内部裂纹的搜索和标识完成时，则表明已对所有未标记的断裂键进行了标记，便可输出陶瓷材料模型内部裂纹的数目，以及每条裂纹的长度及其产生时释放的断裂能，示例中陶瓷材料模型内部的裂纹数i＝3；其中第1条裂纹由56条断裂键组成，裂纹长度为
Figure BDA0002453853520000042
该条裂纹形成释放的能量为
Figure BDA0002453853520000043
第2条裂纹由45条断裂键组成，裂纹长度为
Figure BDA0002453853520000044
该条裂纹形成时释放的能量为
Figure BDA0002453853520000045
第3条裂纹由5条断裂键组成，裂纹长度为
Figure BDA0002453853520000046
该条裂纹形成时释放的能量为
Figure BDA0002453853520000047
以上所述实例仅为本发明的优选实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在离散元仿真过程结束后，提取离散元模型内部断裂键的发生时间、位置信息、长度信息以及方向信息，并按发生时间先后顺序进行排序，同时初始化裂纹条数i，且设置i＝1；
(2)基于步骤(1)所获得的断裂键数据，将未标记断裂键中最早出现的断裂键标记为第i条新裂纹，并以此断裂键的中心位置为圆心及其键长l的k倍为搜索半径(1≤k≤3)，建立第i条新裂纹的搜索范围；
(3)基于步骤(2)所标记的第i条新裂纹以及建立的搜索范围，对其他未标记的断裂键进行搜索，若某个未标记的断裂键的中心位置出现在第i条新裂纹的搜索范围之内，则将该未标记的断裂键纳入第i条新裂纹并进行标记，同时以新标记的断裂键的中心为圆心及其键长l的k倍为搜索半径，更新第i条新裂纹的新增搜索范围，随后基于第i条新裂纹的新增搜索范围对余下的未标记断裂键进行搜索，直至没有中心位置出现在第i条新裂纹的新增搜索范围之内的未标记断裂键；
(4)在步骤(3)执行结束后，若仍存在不属于任意一条已知裂纹的未标记断裂键，则令i＝i+1，然后返回继续执行步骤(2)、(3)、(4)；若不存在未标记的断裂键，则输出离散元模型内部所有的裂纹条数i，每一条裂纹的长度Lj(1≤j≤i)及其所需的断裂能Ej。
2.根据权利要求1所述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，步骤(1)所述的离散元模型内部断裂键的位置信息为断裂键的中心位置坐标、法向方向以及断裂键长度，建立全局坐标系，令任意第m条断裂键的中心位置为：
Figure FDA0002453853510000011
则以该断裂键位置标记的搜索范围为：
Figure FDA0002453853510000012
3.根据权利要求1所述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，第m条粘结键断裂时释放的能量为：
Figure FDA0002453853510000013
其中，Fn-平行键法向力；
Figure FDA0002453853510000014
-法向刚度；
A-粘结键面积；
ks-剪切刚度；
Mt-扭矩；
J-转动惯量；
Mb-弯矩；
其中，粘结键发生断裂的判别准则为：
Figure FDA0002453853510000021
其中，σc-最大法向应力；
β-力矩贡献因子；
R-粘结键半径；
I-惯性矩；
τc-最大切向应力；
Fs-平行键剪切力。
4.根据权利要求1所述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，步骤(4)所述的每一条裂纹的长度为：
Figure FDA0002453853510000022
其中，qj-构成第j条裂纹的断裂键数；
Figure FDA0002453853510000025
-第mj(1≤mj≤qj)个断裂键的长度，
Figure FDA0002453853510000023
其中
Figure FDA0002453853510000026
为第mj条断裂键相邻两颗粒的半径。
且第j条裂纹形成时对应释放的断裂能为：
Figure FDA0002453853510000024
5.根据权利要求1所述的一种用于识别离散元仿真中材料裂纹的技术方法，其特征在于，除第1条新裂纹以外的所有新裂纹的标记仅发生在步骤(3)的实施以及步骤(4)的判别结束之后。
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