CN113312814B - 一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法 - Google Patents

一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法。所述方法步骤如下：建立有限元模型并选择局部区域对单元节点进行detach操作，使节点离散；建立第一集合inner segments、第二集合surrounding segments；建立局部区域的solid element集合，将局部区域内的所有实体单元加入其中；将各集合的信息和有限元模型的信息以d文件的形式输入CDFP中；在CDFP中生成固有内聚单元；将第二集合surrounding segments导入CDFP，判断是否能够构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，对所有能构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’的所有表面对应的节点进行合并以及节点序号的替换；对更新后的节点序号进行重新排列。本发明提出的局部区域方向性固有内聚单元的插入方法，相比于现有方法更具高效性和准确性，极大程度减小建模所需要的时间。

Description

一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法
技术领域
本发明涉及在有限元模型中插入内聚单元的方法，具体涉及一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法。
技术背景
内聚模型可分成非固有聚合模型和固有聚合模型两大类，且这两种模型已广泛应用于复合材料的失效仿真分析中。其中，非固有聚合模型适用于脆性材料的破坏分析，而固有聚合模型适用于材料间的分层或剥离分析。在采用内聚模型研究材料分层或者剥离问题时，需要在层间插入内聚单元来描述其分层或剥离现象；在研究脆性破坏问题时，需要在裂纹可能扩展的路径插入内聚单元来描述材料的破坏现象。
在复杂的破坏模式中，通常需要在全局模型插入内聚单元来预测或者对标破坏现象。但是在已知破坏模式或仅针对某种破坏现象进行研究时，为了减少计算资源和时间的消耗，可以仅在可能发生破坏的局部区域插入方向性的内聚单元进行仿真研究。
在现有的商业软件中，暂时还未出现能够插入局部方向性固有内聚单元的功能，Ls-dyna可以采用其配套的后处理软件Ls-prepost的element generation功能，在指定的part中插入全方向的固有内聚单元；abaqus只能通过手动的方法在指定区域逐一插入固有内聚单元，通过编写子程序可以实现任意单元间插入内聚单元，但是无法实现仅插入方向性的内聚单元。因此，采用商业软件难以实现仅在模型的局部区域插入方向性固有内聚单元，若采用手动逐一单元插入的方法，效率则十分低下。也有学者自行开发了内聚单元生成器软件，但是并未实现在局部地区插入内聚单元以及对其方向性的判断。[Durand R,daSilva F HB T.Three-dimensional modeling of fracture in quasi-brittlematerials using plasticity and cohesive finite elements[J].InternationalJournal of Fracture,2021,228(1):45–70.]
发明内容
为解决现有方法下无法在局部区域插入方向性固有内聚单元的问题，本发明提出了一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，包括以下步骤：
S1、建立仿真所需要的有限元模型，并选择有限元模型中所需要插入方向性固有内聚单元的局部区域，对该局部区域中的单元节点进行detach操作，使节点离散；
S2、建立一个局部区域内部的contact surface集合，即第一集合innersegments，第一集合Inner segments选中该局部区域内的所有单元表面；如果该局部区域有外接的单元表面，则再建立一个contact surface集合，即第二集合surroundingsegments，将所选局部区域所有单元所接壤的外单元表面加入第二集合surroundingsegments中；
S3、建立局部区域的solid element集合，将局部区域内的所有实体单元加入其中；
S4、将第一集合inner segments、第二集合surrounding segments和solidelement集合的信息，有限元模型中的单元信息、节点信息，以及方向性固有内聚单元的主方向及其容差值以d文件的形式输入有限元离散元耦合计算软件CDFP(Combined-DEM-FEM-Program)中；
S5、在有限元离散元耦合计算软件CDFP中对第一集合Inner segments中的所有单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能构成‘潜在内聚单元segment对’，对能匹配上的‘潜在内聚单元segment对’进行方向性条件的判断，根据满足方向性条件的‘潜在内聚单元segment对’生成固有内聚单元；
S6、将第二集合surrounding segments导入CDFP，将第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面与第二集合surrounding segments中的所有外单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能够构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，对所有能构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’的所有表面对应的节点进行合并以及节点序号的替换；
S7、对更新后的节点序号进行重新排列，完成局部模型方向性固有内聚单元的插入。
进一步地，步骤S1中，建立的有限元模型的分区必须为连续区域，且需要离散该分区内所有单元的节点。
进一步地，步骤S1中，在Hypermesh软件中建立仿真所需要的有限元模型，将进行detach操作后的有限元模型进行节点和单元序号的renumber操作，确保导入CDFP后能够正常运行程序。
进一步地，步骤S2中，具体如下：
在Hypermesh软件中建立一个contact surface集合，即第一集合innersegments，将步骤S1中选择的局部区域内的所有单元的所有面加入第一集合innersegments；
若局部区域与有限元模型有接壤的区域，则需要在Hypermesh软件中建立另一个contact surface集合，即第二集合surrounding segments，将有限元模型中所有与所选的局部区域接壤的区域面交界处的单元面加入第二集合surrounding segments。
进一步地，步骤S3中，选择的局部区域内的所有六面体实体单元加入solidelement集合。
进一步地，步骤S4中，将Hypermesh软件中的有限元模型信息以k文件的形式输出，并将该k文件中的有限元模型信息以及方向性固有内聚单元的主方向和容差值以d文件的形式输入到CDFP中，有限元模型信息包括第一集合inner segments、第二集合surroundingsegments和solid element集合的信息，以及所选的局部区域中的单元信息、节点信息；节点信息包括节点序号；
在进行方向性参数的输入时，1代表主方向为X轴，2代表主方向为Y轴，3代表主方向为Z轴；容差值表示的是单元表面法向方向与主方向的余弦值的上下限，范围为0～1。
进一步地，步骤S5中，通过第一集合Inner segments中的其中一个单元表面的四个节点位置计算该单元表面的中心点位置，再遍历所有单元表面寻找中心点位置与该单元表面相同的另一个单元表面进行匹配，若匹配成功则匹配的两个单元表面构成‘潜在内聚单元segment对’；
方向性条件是指构成‘潜在内聚单元segment对’的两个单元表面的法向方向与所设置的主方向的夹角的余弦值是否在所设定的容差范围之内，具体余弦值表示为：
Figure GDA0003501023880000041
其中，
Figure GDA0003501023880000042
表示单元表面的法向向量，
Figure GDA0003501023880000043
表示所输入的主方向向量，
Figure GDA0003501023880000044
和
Figure GDA0003501023880000045
分别表示单元表面的法向向量和主方向向量的模。
进一步地，在步骤S6中，将第二集合surrounding segments中的所有外单元表面和在步骤S5中第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面进行中心点位置匹配，若匹配成功则匹配的单元表面和外单元表面构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，进行节点合并和序号替换；匹配不成功的外单元表面即为与有限元模型没有接壤面的外单元表面，不需要进行节点合并和序号替换。
进一步地，步骤S6中，节点合并和序号替换具体包括以下步骤：
S6.1、建立一个一维数组eid_add(:)，一维数组的长度取solid element集合中所有单元的element ID的最大值，一维数组中一个单元的element ID所对应的值是该单元在solid element集合中的local ID，按照逐次序号加一的顺序，给solid element集合中的单元编写local ID；
S6.2、建立一个三维数组um_eid(:,:,:)；三维数组中，第一维数组的长度是solidelement集合中的所有单元数，第二维数组的长度是3，第三维数组的长度是8；
S6.3、在三维数组中，第二维数组的第一行(x,1,:)储存local ID为x的单元原始的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第二行(x,2,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第三行(x,3,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点所来自单元的element ID；
S6.4、遍历所有‘潜在虚拟内聚单元segment对’，通过‘潜在虚拟内聚单元segment对’中的单元表面和外单元表面反推出各自所在的单元的element ID；
S6.5、通过element ID，利用三维数组um_eid索引到对应的单元的单元表面所属的local ID；
S6.6、通过local ID，利用三维数组um_eid索引原始节点ID、历史更新节点ID、所属单元的element ID；对比更新后的节点所来自单元的element ID，用小element ID的节点序号去替换大element ID的节点序号。
进一步地，步骤S7中，对所有节点从序号1开始重新排序。
相比现有技术，本发明具有如下的优点和效果：
本发明方法能高效、快速地仅在有限元模型的局部区域插入固有内聚单元，且能够实现选择性插入适量的单元，可以减少单元数量，在后续的计算过程中能够减少耗时。此外，本方法还能够对所需要插入内聚单元的方向性进行判断，筛选其方向，能够更准确地插入所需要的内聚单元，提高仿真的效率和精确度。在节点合并的算法中，采用local ID能够最大程度减小数值的存储空间和计算时间，减小计算耗时。
附图说明
图1为本发明实施例中有限元模型分区示意图。
图2为本发明实施例中所选择inner segments示意图，其中，图2a为显示实体单元时的inner segments示意图，图2b为隐藏实体单元时的inner segments示意图；
图3为本发明实施例中所选择surrounding segments示意图，其中，图3a为显示实体单元时的surrounding segments示意图，图3b为隐藏实体单元时的surroundingsegments示意图；
图4为本发明实施例中方向性选择时，主方向向量和segment法向方向向量的夹角(容差)示意图。
图5为本发明实施例中，在局部区域生成方向性内聚单元的示意图，其中，图5a为未隐藏六面体实体单元，且仅显示外轮廓时生成方向性内聚单元的示意图，图5b为仅显示插入的内聚单元时生成方向性内聚单元的示意图。
具体实施方式
下面结合某个具体实例，进一步阐述本发明的使用方法与流程，其仅为本发明的较佳实施例，但发明的实施和保护范围不仅限于此。
实施例：
一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，包括以下步骤：
S1、建立仿真所需要的有限元模型，并选择有限元模型中所需要插入方向性固有内聚单元的局部区域，对该局部区域中的单元节点进行detach操作，使节点离散；
建立的有限元模型的分区必须为连续区域，且需要离散该分区内所有单元的节点。
在Hypermesh软件中建立仿真所需要的有限元模型，将进行detach操作后的有限元模型进行节点和单元序号的renumber操作，确保导入CDFP后能够正常运行程序。
S2、建立一个局部区域内部的contact surface集合，即第一集合innersegments，第一集合Inner segments选中该局部区域内的所有单元表面；如果该局部区域有外接的单元表面，则再建立一个contact surface集合，即第二集合surroundingsegments，将所选局部区域所有单元所接壤的外单元表面加入第二集合surroundingsegments中，具体如下：
在Hypermesh软件中建立一个contact surface集合，即第一集合innersegments，将步骤S1中选择的局部区域内的所有单元的所有面加入第一集合innersegments；
若局部区域与有限元模型有接壤的区域，则需要在Hypermesh软件中建立另一个contact surface集合，即第二集合surrounding segments，将有限元模型中所有与所选的局部区域接壤的区域面交界处的单元面加入第二集合surrounding segments。
S3、建立局部区域的solid element集合，将局部区域内的所有六面体实体单元加入其中；
S4、将第一集合inner segments、第二集合surrounding segments和solidelement集合的信息，有限元模型中的单元信息、节点信息，以及方向性固有内聚单元的主方向及其容差值以d文件的形式输入有限元离散元耦合计算软件CDFP(Combined-DEM-FEM-Program)中；
将Hypermesh软件中的有限元模型信息以k文件的形式输出，并将该k文件中的有限元模型信息以及方向性固有内聚单元的主方向和容差值以d文件的形式输入到CDFP中，有限元模型信息包括第一集合inner segments、第二集合surrounding segments和solidelement集合的信息，以及所选的局部区域中的单元信息、节点信息；节点信息包括节点序号；
在进行方向性参数的输入时，1代表主方向为X轴，2代表主方向为Y轴，3代表主方向为Z轴；容差值表示的是单元表面法向方向与主方向的余弦值的上下限，范围为0～1。
S5、在有限元离散元耦合计算软件CDFP中对第一集合Inner segments中的所有单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能构成‘潜在内聚单元segment对’，对能匹配上的‘潜在内聚单元segment对’进行方向性条件的判断，根据满足方向性条件的‘潜在内聚单元segment对’生成固有内聚单元；
通过第一集合Inner segments中的其中一个单元表面的四个节点位置计算该单元表面的中心点位置，再遍历所有单元表面寻找中心点位置与该单元表面相同的另一个单元表面进行匹配，若匹配成功则匹配的两个单元表面构成‘潜在内聚单元segment对’；
方向性条件是指构成‘潜在内聚单元segment对’的两个单元表面的法向方向与所设置的主方向的夹角的余弦值是否在所设定的容差范围之内，具体余弦值表示为：
Figure GDA0003501023880000081
其中，
Figure GDA0003501023880000082
表示单元表面的法向向量，
Figure GDA0003501023880000083
表示所输入的主方向向量，
Figure GDA0003501023880000084
和
Figure GDA0003501023880000085
分别表示单元表面的法向向量和主方向向量的模。
S6、将第二集合surrounding segments导入CDFP，将第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面与第二集合surrounding segments中的所有外单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能够构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，对所有能构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’的所有表面对应的节点进行合并以及节点序号的替换；
将第二集合surrounding segments中的所有外单元表面和在步骤S5中第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面进行中心点位置匹配，若匹配成功则匹配的单元表面和外单元表面构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，进行节点合并和序号替换；匹配不成功的外单元表面即为与有限元模型没有接壤面的外单元表面，不需要进行进行节点合并和序号替换。
节点合并和序号替换具体包括以下步骤：
S6.1、建立一个一维数组eid_add(:)，一维数组的长度取solid element集合中所有单元的element ID的最大值，一维数组中一个单元的element ID所对应的值是该单元在solid element集合中的local ID，按照逐次序号加一的顺序，给solid element集合中的单元编写local ID；
S6.2、建立一个三维数组um_eid(:,:,:)；三维数组中，第一维数组的长度是solidelement集合中的所有单元数，第二维数组的长度是3，第三维数组的长度是8；
S6.3、在三维数组中，第二维数组的第一行(x,1,:)储存local ID为x的单元原始的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第二行(x,2,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第三行(x,3,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点所来自单元的element ID；
S6.4、遍历所有‘潜在虚拟内聚单元segment对’，通过‘潜在虚拟内聚单元segment对’中的单元表面和外单元表面反推出各自所在的单元的element ID；
S6.5、通过element ID，利用三维数组um_eid索引到对应的单元的单元表面所属的local ID；
S6.6、通过local ID，利用三维数组um_eid索引原始节点ID、历史更新节点ID、所属单元的element ID；对比更新后的节点所来自单元的element ID，用小element ID的节点序号去替换大element ID的节点序号。
S7、对更新后的节点序号进行重新排列，完成局部模型方向性固有内聚单元的插入；
对所有节点从序号1开始重新排序。
本实施例中，如图1所示，为本发明的有限元模型分区示意图，在hypermesh中建模，分出白色网格区域作为所选择需要插入方向性内聚单元的区域。同时，还需要对白色的区域的所有单元节点进行detach操作来分离单元间的共节点，以便于选择inner segments和插入内聚单元等操作。
图2a和图2b所示为本发明中第一集合inner segments的示意图，需要在Hypermesh软件中建立一个contact surface的集合，然后框选需要插入内聚单元的所有单元，建立第一集合inner segments，其中包括了所有所选单元的所有外表面(六个面)。
图3a和图3b所示为本发明中选择surrounding segments的示意图，需要在hypermesh中建立一个contact surface的集合，然后框选所有与所选内区域的外接面，建立surrounding segments，其中包括了所选区域的所有外接单元面。
图4所示为本发明中主方向向量和单元表面的法向方向向量的夹角(容差)，在图中rN表示该单元表面的法向单位向量，rM表示设置的主方向单位向量，α表示的是法向单位向量与主方向方向向量的夹角，cosα为两者之间的余弦值。在CDFP中筛选满足方向要求的单元表面时，若内聚单元的两个单元表面对满足cosα在所设置的容差之间的条件，即满足方向性条件，则生成内聚单元。
对于不满足方向性条件的单元表面则需要在CDFP中进行节点合并，对比历史更新节点所属单元全局ID的大小，用小单元序号的当前节点序号去替换大单元序号的当前节点序号。对于合并后的节点序列还需要进行节点重排序，以保障节点序号的连续性。在完成上述工作后，能够通过将数据输出到k文件，导入到Ls-prepost中查看生成的内聚单元，如图5a和图5b所示。

Claims (10)

1.一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立仿真所需要的有限元模型，并选择有限元模型中所需要插入方向性固有内聚单元的局部区域，对该局部区域中的单元节点进行detach操作，使节点离散；
S2、建立一个局部区域内部的contact surface集合，即第一集合inner segments，第一集合Inner segments选中该局部区域内的所有单元表面；如果该局部区域有外接的单元表面，则再建立一个contact surface集合，即第二集合surrounding segments，将所选局部区域所有单元所接壤的外单元表面加入第二集合surrounding segments中；
S3、建立局部区域的solid element集合，将局部区域内的所有实体单元加入其中；
S4、将第一集合inner segments、第二集合surrounding segments和solid element集合的信息，有限元模型中的单元信息、节点信息，以及方向性固有内聚单元的主方向及其容差值以d文件的形式输入有限元离散元耦合计算软件CDFP中；
S5、在有限元离散元耦合计算软件CDFP中对第一集合Inner segments中的所有单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能构成‘潜在内聚单元segment对’，对能匹配上的‘潜在内聚单元segment对’进行方向性条件的判断，根据满足方向性条件的‘潜在内聚单元segment对’生成固有内聚单元；
S6、将第二集合surrounding segments导入CDFP，将第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面与第二集合surrounding segments中的所有外单元表面进行中心点位置匹配，判断是否能够构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，对所有能构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’的所有表面对应的节点进行合并以及节点序号的替换；
S7、对更新后的节点序号进行重新排列，完成局部模型方向性固有内聚单元的插入。
2.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S1中，建立的有限元模型的分区必须为连续区域，且需要离散该分区内所有单元的节点。
3.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S1中，在Hypermesh软件中建立仿真所需要的有限元模型，将进行detach操作后的有限元模型进行节点和单元序号的renumber操作，确保导入CDFP后能够正常运行程序。
4.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S2中，具体如下：
在Hypermesh软件中建立一个contact surface集合，即第一集合inner segments，将步骤S1中选择的局部区域内的所有单元的所有面加入第一集合inner segments；
若局部区域与有限元模型有接壤的区域，则需要在Hypermesh软件中建立另一个contact surface集合，即第二集合surrounding segments，将有限元模型中所有与所选的局部区域接壤的区域面交界处的单元面加入第二集合surrounding segments。
5.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S3中，选择的局部区域内的所有六面体实体单元加入solid element集合。
6.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S4中，将Hypermesh软件中的有限元模型信息以k文件的形式输出，并将该k文件中的有限元模型信息以及方向性固有内聚单元的主方向和容差值以d文件的形式输入到CDFP中，有限元模型信息包括第一集合inner segments、第二集合surrounding segments和solidelement集合的信息，以及所选的局部区域中的单元信息、节点信息；节点信息包括节点序号；
在进行方向性参数的输入时，1代表主方向为X轴，2代表主方向为Y轴，3代表主方向为Z轴；容差值表示的是单元表面法向方向与主方向的余弦值的上下限，范围为0～1。
7.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S5中，通过第一集合Inner segments中的其中一个单元表面的四个节点位置计算该单元表面的中心点位置，再遍历所有单元表面寻找中心点位置与该单元表面相同的另一个单元表面进行匹配，若匹配成功则匹配的两个单元表面构成‘潜在内聚单元segment对’；
方向性条件是指构成‘潜在内聚单元segment对’的两个单元表面的法向方向与所设置的主方向的夹角的余弦值是否在所设定的容差范围之内，具体余弦值表示为：
Figure FDA0003501023870000031
其中，
Figure FDA0003501023870000032
表示单元表面的法向向量，
Figure FDA0003501023870000033
表示所输入的主方向向量，
Figure FDA0003501023870000034
和
Figure FDA0003501023870000035
分别表示单元表面的法向向量和主方向向量的模。
8.根据权利要求7所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，在步骤S6中，将第二集合surrounding segments中的所有外单元表面和在步骤S5中第一集合Inner segments中所有未生成固有内聚单元的单元表面进行中心点位置匹配，若匹配成功则匹配的单元表面和外单元表面构成‘潜在虚拟内聚单元segment对’，进行节点合并和序号替换；匹配不成功的外单元表面即为与有限元模型没有接壤面的外单元表面，不需要进行节点合并和序号替换。
9.根据权利要求8所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S6中，节点合并和序号替换具体包括以下步骤：
S6.1、建立一个一维数组eid_add(:)，一维数组的长度取solid element集合中所有单元的element ID的最大值，一维数组中一个单元的element ID所对应的值是该单元在solid element集合中的local ID，按照逐次序号加一的顺序，给solid element集合中的单元编写local ID；
S6.2、建立一个三维数组um_eid(:,:,:)；三维数组中，第一维数组的长度是solidelement集合中的所有单元数，第二维数组的长度是3，第三维数组的长度是8；
S6.3、在三维数组中，第二维数组的第一行(x,1,:)储存local ID为x的单元原始的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第二行(x,2,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点的ID，在三维数组中，第二维数组的第三行(x,3,:)储存local ID为x的单元更新后的八个节点所来自单元的element ID；
S6.4、遍历所有‘潜在虚拟内聚单元segment对’，通过‘潜在虚拟内聚单元segment对’中的单元表面和外单元表面反推出各自所在的单元的element ID；
S6.5、通过element ID，利用三维数组um_eid索引到对应的单元的单元表面所属的local ID；
S6.6、通过local ID，利用三维数组um_eid索引原始节点ID、历史更新节点ID、所属单元的element ID；对比更新后的节点所来自单元的element ID，用小element ID的节点序号去替换大element ID的节点序号。
10.根据权利要求1所述的一种局部模型方向性固有内聚单元的插入方法，其特征在于，步骤S7中，对所有节点从序号1开始重新排序。
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