二维Cohesive单元全局嵌入方法技术

本发明专利技术公开了一种二维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：S1，通过工程处理软件建立裂纹图像的有限元模型，进行网格剖分，并导入实体，保存为模型文件输出；S2，通过数据处理软件读取模型文件，提取模型文件中的单元数据及节点数据，保存为数据文件输出；S3，采用数据分析软件读取数据文件，获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；根据原单元矩阵和重构单元矩阵获得Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；S4，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入二维Cohesive单元的模型。

【技术实现步骤摘要】
二维Cohesive单元全局嵌入方法
本专利技术涉及裂纹分析领域，具体涉及一种二维Cohesive单元全局嵌入方法。
技术介绍
力学的研究在19世纪发展迅速，基于宏观连续介质力学的基本假定已经相对完备，较难以在短时间再取得巨大突破，并且，受到实验设备、监测技术等的制约，难以对细观尺度或者宏观尺度下的局部响应进行具体描述和分析。计算机的出现和迅速发展为裂纹扩展实验和工程的区域分析提供了强有力的工具，使得运用数值模拟技术模拟细观实验局部变化和大型工程实际问题的求解成为可能。有限单元法作为早期提出的数值模拟方法，仍然被广泛地运用于机械、航天、矿业、水利、土木、桥隧等工程领域，与之相关的，随着学者们研究过程的不断深入，逐渐出现了块体离散元、颗粒流离散元等方法，代表性的软件有UDEC、3DEC、PFC等，这些软件的出现使得细观尺度的裂纹形成扩展中的应力分布情况直观地呈现在研究者面前，为工程实践提供有力的指导。但离散元等计算方法仍然受到计算机计算能力的制约，并且PFC等离散元的一些参数设置尚无明确的物理意义，因而，出现了基于离散元基本思想和有限元算法基础的有限离散元法(FDEM)，该方法的基本理论源于连续介质力学，同时结合了离散元的优点模拟各种材料(岩石、混凝土、多孔材料等)的非均质特征，相对于离散元对计算机性能需求高的特点具有巨大优势，并且也能在一定程度上对细观实验材料和工程研究区域的局部破坏等现象进行求解和模拟。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件。内聚力模型(Cohesivezone)是弹塑性断裂力学中一个被广泛应用与研究的计算模型。Cohesive单元建模，是ABAQUS中裂纹扩展模拟重要的一环，采用该方法建立的数值模型将模型划分为至少两个区域，一个区域为材料单元区域，一个区域为材料单元界面区域，当材料单元界面为0厚度时，则称为0厚度Cohesive粘聚单元，0厚度Cohesive粘聚单元在裂纹模拟上具有巨大的优势。即使用内聚力模型来模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域加入Cohesive粘聚单元。然而在ABAQUS软件中，只能嵌入几何的质体集合或者表面集合部分的Cohesive粘聚单元，尚无法直接全局嵌入Cohesive粘聚单元，不能完全的对采集的裂纹图像的裂纹的产生和扩展进行模拟仿真。Cohesive单元是一种可以计算裂纹起裂、扩展的数值模拟中数值模拟模型的计算单元，Cohesive单元又分为可非流固耦合Cohesive单元和流固耦合Cohesive单元，实现该单元的全局嵌入，有利于对冲击裂纹扩展、水力裂缝扩展、膨胀裂纹等裂纹扩展研究和对现场裂纹扩展及裂缝发育模型进行模拟预测。更具体地，例如：混凝土裂纹萌生发育模拟，降雨导致的剪切滑移带裂纹模拟，水力压裂裂缝扩展模拟，二氧化碳压裂裂缝扩展模拟，液氮压裂裂缝扩展模拟等。裂纹的模拟可以用于解决很多工程领域的问题，例如设计抗断构件、对构件疲劳寿命进行预测、合理选材、制定科学质量验收的标准及检测制度，以及预防发生断裂事故等方面起到非常关键的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中不能快速全局嵌入二维Cohesive单元的不足，提供一种二维Cohesive单元全局嵌入方法，在短时间内对ABAQUS中裂缝图像的裂纹几何模型实现全局嵌入Cohesive单元，极大提高了ABAQUS的建模效率，便于后续的裂缝扩展数值模拟研究。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种二维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：S1，采集裂纹图像，通过工程处理软件建立裂纹图像的有限元模型，进行网格剖分，并导入实体，处理后的文件保存为模型文件，并输出该模型文件；S2，通过数据处理软件读取模型文件，提取模型文件中的单元数据及节点数据，并将提取的数据保存为数据文件，并输出该数据文件；S3，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，区分原始矩阵的单元数据和节点数据，获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，将各网格单元共用的节点及线段区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；根据单元矩阵获取各网格共用的线段，再根据重构单元矩阵获得Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；S4，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入二维Cohesive单元的模型，进行模拟分析。优选地，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S31，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，区分原始矩阵的单元数据和节点数据，获得单元矩阵和节点矩阵；步骤S32，对节点矩阵进行扩展，并对单元矩阵进行重新构建；对单元矩阵内的重复节点重新编号，生成重构单元矩阵，并且扩展节点矩阵包含重新编号的节点；根据原单元矩阵获取表示单元组成线条的原线条矩阵，根据重构单元矩阵获得表示重构单元组成线条的重构线条矩阵；S33，根据原线条矩阵查找各单元所共有的线条，并查找共用的线条在重构线条矩阵中的位置，然后查询在重构单元线条矩阵中用于表示共用的线条的节点编号，上述节点编号用于表示Cohesive单元的组成节点，根据所述节点编号生成Cohesive矩阵INP_Cohesive，用于添加Cohesive单元；S34，删除扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵多余的数据部分后，放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件。优选地，所述步骤S31采用MATLAB软件作为数据分析软件，首先判定原始矩阵中的非数值元素，排除非数值元素的干扰，通过矩阵分割生成节点矩阵和单元矩阵。优选地，所述获得单元矩阵和节点矩阵的方法包括以下步骤：识别原始矩阵中的数值块，通过判断数值块的列数，识别数值块的类别，再将同一类别的数值块分割拼接，得到节点矩阵和单元矩阵；所述数值块中每行的列数相同且列数的序号一致。优选地，所述步骤S31采用isnan函数和sum函数进行矩阵分割，获得单元矩阵和节点矩阵。优选地，所述步骤S32包括以下步骤：步骤S321，对节点矩阵进行扩展，节点矩阵的扩展方式为，提取节点矩阵的第一列数据节点编号，将原节点编号扩展为多个不重复的扩展节点编号，使每个单元的节点独立存在，且扩展后的扩展节点对应的平面坐标值为原节点的平面坐标值；步骤S322，对单元矩阵进行重新构建，单元矩阵的重构方式为，对单元矩阵包含的重复节点进行重新编号，使单元矩阵包含的节点不重复；重复节点的编号方式与节点矩阵的节点编号扩展方式相对应；S323，单元矩阵和重构单元矩阵除单元标号列外的节点编号列分别两两组合，得到原线条矩阵Ele_4node2lie和重构线条矩阵Inp_Ele_4node2lie1。优选地，所述步骤S322包括以下步骤：步骤S3221，更改单元矩阵的单元编号列，区分单元编号与节点编号的数据区间；将更改单元编号列后的单元矩阵变形，生成单行或单列的单元矩阵；...

【技术保护点】
1.一种二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，采集裂纹图像，通过工程处理软件建立裂纹图像的有限元模型，进行网格剖分，并导入实体，处理后的文件保存为模型文件，并输出该模型文件；/nS2，通过数据处理软件读取模型文件，提取模型文件中的单元数据及节点数据，并将提取的数据保存为数据文件，并输出该数据文件；/nS3，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，区分原始矩阵的单元数据和节点数据，获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，将各网格单元共用的节点及线段区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；根据单元矩阵获取各网格共用的线段，再根据重构单元矩阵获得Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；/nS4，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入二维Cohesive单元的模型，进行模拟分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集裂纹图像，通过工程处理软件建立裂纹图像的有限元模型，进行网格剖分，并导入实体，处理后的文件保存为模型文件，并输出该模型文件；
S2，通过数据处理软件读取模型文件，提取模型文件中的单元数据及节点数据，并将提取的数据保存为数据文件，并输出该数据文件；
S3，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，区分原始矩阵的单元数据和节点数据，获得单元矩阵和节点矩阵；分别对单元矩阵和节点矩阵进行处理，将各网格单元共用的节点及线段区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；根据单元矩阵获取各网格共用的线段，再根据重构单元矩阵获得Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件；
S4，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入二维Cohesive单元的模型，进行模拟分析。


2.根据权利要求1所述的二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31，采用数据分析软件读取数据文件记作原始矩阵，区分原始矩阵的单元数据和节点数据，获得单元矩阵和节点矩阵；
步骤S32，对节点矩阵进行扩展，并对单元矩阵进行重新构建；对单元矩阵内的重复节点重新编号，生成重构单元矩阵，并且扩展节点矩阵包含重新编号的节点；根据原单元矩阵获取表示单元组成线条的原线条矩阵，根据重构单元矩阵获得表示重构单元组成线条的重构线条矩阵；
S33，根据原线条矩阵查找各单元所共有的线条，并查找共用的线条在重构线条矩阵中的位置，然后查询在重构单元线条矩阵中用于表示共用的线条的节点编号，上述节点编号用于表示Cohesive单元的组成节点，根据所述节点编号生成Cohesive矩阵INP_Cohesive，用于添加Cohesive单元；
S34，删除扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及Cohesive矩阵多余的数据部分后，放入模型文件的对应位置替换原节点数据和单元数据，得到新模型文件。


3.根据权利要求2所述的二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，所述步骤S31采用MATLAB软件作为数据分析软件，首先判定原始矩阵中的非数值元素，排除非数值元素的干扰，通过矩阵分割生成节点矩阵和单元矩阵。


4.根据权利要求3所述的二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，所述获得单元矩阵和节点矩阵的方法包括以下步骤：识别原始矩阵中的数值块，通过判断数值块的列数，识别数值块的类别，再将同一类别的数值块分割拼接，得到节点矩阵和单元矩阵；所述数值块中每行的列数相同且列数的序号一致。


5.根据权利要求4所述的二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，所述步骤S31采用isnan函数和sum函数进行矩阵分割，获得单元矩阵和节点矩阵。


6.根据权利要求2所述的二维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，所述步骤S32包括以下步骤：
步骤S321，对节点矩阵进行扩展，节点矩阵的扩展方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：李存宝，吴明洋，李铭辉，高明忠，尚德磊，鲁俊，高恒，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44