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方案

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。

Method and system for numerical simulation of structural failure using clusters with discrete elements

A method and system for numerical simulation of structural failure using clusters of bonded discrete elements that represent the failure portion of the structure are disclosed. A computer mesh model representing the structure is received in a computer system. The computer mesh model contains at least several finite elements, including subgroups of adaptive elements. Based on a set of predefined criteria, the corresponding clusters of discrete elements and connection keys for each adaptive element are created. The discrete elements and connection keys are initially set to a pre-activated state, and the connection keys are used to connect the discrete elements within each cluster. The structural characteristics of the numerical calculation are obtained by using a computer mesh model, performing time-marching simulations of predetermined duration in multiple solving cycles using a special scheme for processing the adaptive elements and the corresponding clusters of the discrete elements.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术的其他目的、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，将会更好地理解本专利技术的这些和其它特征、方面和优点，其中：图1A-1B共同地示出了根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术实施例的示例性二维自适应元素的示意图；图3D-3E是根据本专利技术实施例的集群中的连接键的示例模式的示意图；图3F-3G是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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，本专利技术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专利技术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R303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R303。连接键310包括从该对离散元301-302的中心到中心的长度L308。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，但是本专利技术不限于二维模型。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。为了在时本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
2017.03.03 US 15/449,6721.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泊宁，滕海龙，王季先，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US