CN113094977B - 一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法，该算法由按照abaqus数据裂缝边界点提取参数、裂缝点划分、上下壁面点剖分(中轴线提取)，裂缝宽度参数计算组成。具有算法完善、计算准确度高的特点，并克服了传统基于图像细化算法的多边形边缘点不准确的特点，并提出多种方法针对不同裂缝情况下的进行参数估计与计算。

Description

一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法

技术领域

本发明属于abaqus数值模拟及参数提取分析技术领域，具体来说涉及一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法。

背景技术

利用abaqus模拟计算裂缝参数是一种常见的数值模拟手段，abaqus裂缝模拟是基于XFEM方法，常规的裂缝模拟是针对新产生的单元破裂裂纹，或者流体填充的缺口，这种情况下的裂缝能够直接通过开度参数获取裂缝宽度，但是预制的未含流体的裂缝(定义为材料缺口)，裂缝实际上为一种带有缺口的材料，该缺口即为裂缝，但不具有裂缝网格，是一种内边界条件，不具有网格开度等属性。该种情况下的裂缝宽度需要借助abaqus的网格标记规律提取参数，再借助相关的数学方法还原裂缝轨迹，从而计算合理的裂缝宽度值和随着时间进行的裂缝宽度变化情况。

但是目前没有相关的成熟算法解决这个问题，一般针对裂缝的参数提取是通过在两侧壁面上标记两点，通过获取两点间的距离，来反映裂缝宽度的变换，但是该方案存在三点缺点：

1、abaqus剖分网格时不能做到完全对称，两点连线不一定在每一个时间步内都是法向；

2、裂缝的变形不是按照标记两点连线进行变化，两点间距无法反映裂缝宽度变化；

3、裂缝受力过程中存在变形和位移，裂缝的走向也在变化，两个数据点不能反映整个裂缝每一点的宽度变化。

故目前没有一种较为可行和完整的方案进行裂缝宽度参数的获取及计算。大多数的研究是针对新产生的裂缝网格的参数计算的，预制未填充裂缝没有成熟的研究方案。

重庆大学提出了一种abaqus的裂缝数据存储方法(详见专利CN110399684A“一种ABAQUS裂缝扩展的数据提取方法、系统与计算机可读存储介质”)，该专利中提及一种关于裂缝的图像处理方法提取裂缝参数，即采用形态学上的细化算法获取裂缝图像的中轴线，从而获取裂缝轴向。

但是目前通过图像形态学的方式获取的裂缝轴向，极大地受到图像分辨率的影响，裂缝多边形转变为图像的过程中会丢失一些特征参数(详细位置无法在图像中描述)，像素和实际坐标无法一一对应，获取的中轴线存在还原困难的问题。无法基于图像的细化算法得到的中轴线计算裂缝宽度。

故目前缺少一套完整的abaqus未填充预制裂缝的缝宽计算算法，能够准确地提取裂缝参数、分类、还原，从而计算整个裂缝中的宽度变化。

发明内容

本发明提出了一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法，该算法由按照abaqus数据裂缝边界点提取参数、裂缝点划分、上下壁面点剖分(中轴线提取)，裂缝宽度参数计算组成。具有算法完善、计算准确度高的特点，并克服了传统基于图像细化算法的多边形边缘点不准确的特点，并提出多种方法针对不同裂缝情况下的进行参数估计与计算。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法，该计算方法按照以下步骤进行：

步骤一、通过abaqus的模型计算，得到odb文件，再通过python接口获取模型所有node的coordinate、label和连通关系；

步骤二、简单裂缝采用kmeans或者SVM方法进行剖分，复杂裂缝使用abaqus自身标记的方法进行剖分；

步骤三、简单裂缝使用线性拟合或者B样条插值的方法进行上下壁面剖分，复杂裂缝采用Delaunay三角形剖分的方式提取裂缝多边形的中轴线。

步骤四、线性剖分的裂缝采用微分定义确定轴向和法向，从而确定裂缝宽度，查找中轴线的裂缝采用最大球方法确定裂缝宽度。

在上述技术方案中，在步骤一中，通过abaqus Python提供的数据接口获取所有节点初始位置和下标参数，并通过连通关系判定处于内边界和外边界点。

在上述技术方案中，在步骤一中，所述abaqus的odb文件分析方法是利用abaqus的python接口，利用abaqus自带API库odbAccess提供的接口，提取所有element的连接的node的label，因为node的label是顺时针保存的，所以能够得到每个node的连接关系，即edge，通过对模型中的所有的edge出现次数进行统计，出现次数为1的edge为边界edge，通过对边界node的位置进行计算，排除包含外边界node的edge，即为裂缝的node点位置和label。

在上述技术方案中，在步骤二中，kmeans是指利用离散点坐标重心进行类划分的方法，SVM方法是指支持向量机，利用最大距离划分。

在上述技术方案中，在步骤三中，Delaunay三角剖分是一项对数值分析(比如有限元分析)以及图形学来说极为重要的预处理技术，Delaunay三角剖分有最大化最小角，最接近于规则化的的三角网和任意四点不能共圆两个特点。

在上述技术方案中，在步骤三中，最大球方法是指某个空间内能够放下的最大球半径，用于确定空间的特征大小。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)通过裂缝壁面插值计算能够完整地还原裂缝壁面特征，相较于传统方法的标记两点测试计算间距，要更加的准确，计算得到的缝宽即为实际缝宽，不受裂缝变形位移影响。

(2)采用Delaunay三角形剖分的方式获取多边形中轴线，从而确定裂缝轴向的方法，相较于传统的基于裂缝图像的细化算法，能够更好地获取裂缝特征，避免了因为裂缝壁面点受像素精度的影响，从而影响缝宽参数的计算。

(3)简单裂缝采用kmeans方法进行裂缝点划分，并采用SVM方法或B样条插值的方法进行上下壁面点剖分，然后通过一阶线性插值还原上下壁面，再通过法向与壁面交点确定裂缝宽度。复杂裂缝采用abaqus数据特征标注裂缝，通过基于受限Delaunay三角形剖分的中轴线算法确定轴向，再通过最大球算法确定裂缝宽度。实现了从数据提取到裂缝宽度计算的全自动化过程，可以不借助额外的node set标注。

附图说明

图1为本发明的abaqus下的预制未填充共轭双裂缝示意图(15度)；1-abaqus下预制15°倾角共轭裂缝；

图2为本发明通过步骤(1)获取的共轭裂缝的边界点(mathematica绘图)；

图3为通过kmeans方法划分的裂缝点；

图4-1和4-2为通过线性拟合和B样条插值方法进行的上下壁面的剖分；

图5为裂缝宽度定义；

图6为该模型下的共轭裂缝的宽度分布；

图7为模拟复杂裂缝图；

图8为受限Delaunay三角形剖分和中轴线提取；

图9为基于中轴线的最大球方法的裂缝半径计算；

图10为缝宽分布图；

图11为计算方法流程图。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

①首先在abaqus下建立模型，进行网格剖分，一般采用四边形网格，如图1所示。

②使用python提取第一帧的element的label和对应的node，如图1所示。

③通过connectivity命令按顺序获取相应的node，并将相邻的两个node组成一个顺序tuple(通过排序)，统计所有node组成的tuple的出现次数，选择出现一次的tuple作为边界tuple，删除模型外边界的node，并获取node位置坐标和label下标，如图2所示，删除算法如下：

a.将所有边界node与模型外边界位置进行对比并计算距离。

b.删掉与边界点的距离小于误差范围的node。

④对于已知的简单裂缝，采用kmeans算法，对各自裂缝点区域进行剖分和分类，如图3所示。

⑤采用线性拟合或者B样条插值的方式，对裂缝的上下壁面node进行剖分，如图4-1和4-2所示。

⑥对分开的上下壁面node进行旋转和线性插值，还原裂缝走向，如图5所示。

⑦根据裂缝缝宽的定义，缝宽为定义在裂缝法向的距离，通过图5的定义可知，算法如下：

a.选取裂缝中任意位置，其横坐标为x，然后求解上下壁面在x位置处的y值，将上下壁面的两个交点的中点作为裂缝在x位置处的代表点A。

b.沿着x坐标方向平移一个微元距离Δx，采用同样方法求取x+Δx位置处的代表点B。

c.向量AB即为裂缝的轴向向量，在x位置处与AB垂直的向量即为法向量，法向量所在的直线与上下壁面的交点即为裂缝宽度点，两点的距离即为裂缝宽度d。

d.沿着x轴进行平移，利用上述方法可以求得每一个点处的缝宽值，如图6所示。

⑧对于复杂裂缝，如图7所示，采用abaqus自身输出裂缝边界node的顺序进行排列，利用前后关系采用算法计算，将其边界node排列为顺时针或者逆时针排列。

⑨对生成的边界点组成的裂缝区域，采用受限Delaunay三角形剖分算法对裂缝区域进行剖分，提取区域中轴线分布，如图8所示。算法如下：

a.按照裂缝边界node的连通顺序，生成一个polygon，对已有点进行Delaunay三角形划分。

b.检查是否有划分的三角形边处于polygon区域外，如果有，在连接的两点间的中点增加额外的node。

c.再次进行Delaunay三角形划分，重复a、b步骤，直到所有的三角形均在polygon内，划分结束。

d.依次连接相邻三角形重心，作为中轴线。

⑩将每段中轴线的中点作为每个缝宽的代表点，根据最大球算法计算该点能存在的最大圆，将圆的直径作为缝宽，如图9所示。最大球算法如下：

a.计算每个圆心位置(中轴线的中点)到所有边界点和边界线段的距离(点到直线的距离)和垂足位置。

b.选择垂足位置在线段范围内的线段，以所有距离的最小值作为圆的半径，即裂缝宽度的一半。

c.根据每个圆的半径，画出裂缝宽度分布图。

本发明用于自动化对abaqus的未填充裂缝宽度进行求解和计算，无需特别按点标注裂缝边界node，具有高准确度，高自动化的特点。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于abaqus未填充裂缝的缝宽自动分析方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：

通过abaqus的模型计算，得到odb文件，再通过python接口获取模型所有node的coordinate、label和连通关系；

对于简单裂缝，采用kmeans算法，对各简单裂缝的裂缝点区域进行分类；

采用线性拟合或者B样条插值的方式，对简单裂缝的上下壁面node进行剖分；

对剖分后的上下壁面node进行旋转和线性插值，还原简单裂缝走向；

根据裂缝缝宽的定义，计算简单裂缝的缝宽，缝宽为定义在裂缝法向的距离，算法如下：

a.选取简单裂缝中任意位置，其横坐标为x，然后求解上下壁面在x位置处的y值，将上下壁面的两个交点的中点作为裂缝在x位置处的代表点A；

b.沿着x坐标方向平移一个微元距离Δx，采用同样方法求取x+Δx位置处的代表点B；

c.向量AB即为简单裂缝的轴向向量，在x位置处与AB垂直的向量即为法向量，法向量所在的直线与上下壁面的交点即为裂缝宽度点，两点的距离即为裂缝宽度d；

d.沿着x轴进行平移，利用步骤a,b,c可以求得每一个点处的缝宽值；

对于复杂裂缝，采用abaqus自身输出的复杂裂缝边界node的顺序进行排列，即利用前后关系采用算法计算，将其边界node排列为顺时针或者逆时针排列；

对生成的边界node组成的裂缝区域，采用受限Delaunay三角形剖分算法对裂缝区域进行剖分，提取复杂裂缝区域中轴线分布；

将每段中轴线的中点作为每个缝宽的代表点，根据最大球算法计算该点能存在的最大圆，将圆的直径作为缝宽，最大球算法如下：

a.计算所述中轴线的中点到所有边界node和边界线段的距离和垂足位置；

b.选择垂足位置在预设线段范围内的线段，以得到各线段的长度的最小值作为圆的半径，即复杂裂缝宽度的一半；

c.根据每个圆的半径，画出复杂裂缝宽度分布图。

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