三维Cohesive单元全局嵌入方法技术

本发明专利技术公开了一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：S1，建立裂纹三维的有限元模型，网格剖分并导入实体，保存为模型文件输出；S2，读取并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，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；原单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；S4根据原面矩阵和重构面矩阵获得三维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；S5，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入三维Cohesive单元的模型。

【技术实现步骤摘要】
三维Cohesive单元全局嵌入方法
本专利技术涉及裂纹有限元离散方法建模分析领域，具体涉及一种三维Cohesive单元全局嵌入方法。
技术介绍
随着监测技术和模拟技术的发展，学者们对于裂纹形态、裂纹扩展机理等研究已不再局限于二维平面内的欧式线性裂纹，同时，越来越复杂的几何模型和数学模型使得数值模拟等技术对于当前的研究分析工作显得越发重要。数值模拟技术能解决理论推导的解析解假定太多而不容易符合实际工程的问题。其在多尺度研究中的作用尤为明显，不仅能用于大尺度的复杂工程中局部破坏、局部应力不均等现象的描述，便于工程师们对工况和研究结果进行对比分析，在实验室研究中，模拟求解得到的历程云图、随时间变化的位移云图、孔隙压力云图等为学者们对本质现象的描述和成因分析提供了有力的参考和引导。数值模拟技术发展至今，已经开始由有限元逐渐向离散元发展，然而，即使在计算机快速发展，且普及程度已经如此之高的时代，有限元作为一种最早发展出来的数值模拟方法，仍然具有其独特的优势和巨大的潜力。这是由于离散元等数值模拟技术的基本理论还不够充分，同时，其计算工程过于缓慢，即使是在当今，其对计算机性能的要求也略高。也就有了过渡型的一些方法，如边界元、有限离散元法等，这些模拟方法基于有限元的基本理论，同时采用离散的基本思想将地质模型、工程实体模型等抽象为由许多块体，许多节理裂隙分割的，却又保持为整体的模型，既保证了求解速度，又能够在一定程度上再现工程实体的局部响应。ABAQUS作为大型非线性有限元求解软件，一直受到极大的关注，其内裂纹的模拟手段之一的Cohesive单元建模方法与有限离散元法的思想基本一致，因而在航空航天、机械制造、材料科学、岩土工程等领域具有相当的潜力。然而，当前的文献等资料中尚未有公开提到的ABAQUS三维Cohesive单元的全局嵌入方法，使得ABAQUS三维Cohesive单元的嵌入繁琐，影响建模仿真效率，不便于对裂纹扩展数值模拟等进行研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的不能快速全局嵌入二维Cohesive单元的不足，提供一种三维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：一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，包括以下步骤：S1，采集裂纹信息，通过工程处理软件建立三维的有限元模型，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三维的模型文件，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，原始矩阵通过矩阵分割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，将各立体单元共用的节点及面区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；S4，根据原面矩阵获取各六面体单元共用的面，再根据重构面矩阵获得三维Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及三维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；S5，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入三维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面的原面矩阵，根据重构单元矩阵获得表示重构单元组成面的重构面矩阵。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的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；所述原面矩阵和重构面矩阵用于表示组成六面体的六个面。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；步骤S3222，获取节点编号不重复的节点数目值，建立for循环，根据for循环，查找各节点在单行或单列的单元矩阵中出现的次数及位置，对单行或单列的单元矩阵包含的重复节点进行重新编号，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；单行或单列的单元矩阵的重复节点重新编号后，通过矩阵分割或变形，转换为与原始单元矩阵大小一致的重构单元矩阵。优选地，所述步骤S3222中采用unique函数和length函数获取节点编号不重复的节点数目值Unique_C3D8L；采用unique函数去掉已删除单元编号列的单元矩阵中的重复元素，得到单值矩阵Unique_C3D8，采用length函数计算矩阵Unique_C3D8的长度Unique_C3D8L；所述步骤S3222中for循环内通过ismember函数及bwlabel函数，得到重复节点出现次数及位置；ismember函数用于将单行或单列的单元矩阵二值化，以判断单元矩阵中的数据是否为待判断的节点；bwlabel函数用于对二值化后的单元矩阵进行连通域判断，以得到重复节点出现次数及位置。优选地，所述步骤S4包括以下步骤：S41，根据原面矩阵查找各六面体单元所共有的面，并查找共用的面在原面矩阵和重构面矩阵中的位置，然后查询在原面矩阵和重构面矩阵中用于表示共用的面的节点编号，查询的原画矩阵的节点编号根据工程处理软件的编号规则进行重新排序；查询的重构面矩阵的节点编号用于表示三维Cohesive单元的组成节点，查询的重构面矩阵的节点编号根据原画矩阵中节点的重新排序的规则排序后生成用于添加三维Cohesive单元的三维Cohesive矩阵；S42，删除扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及三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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，采集裂纹信息，通过工程处理软件建立三维的有限元模型，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三维的模型文件，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，原始矩阵通过矩阵分割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，将各立体单元共用的节点及面区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；/nS4，根据原面矩阵获取各六面体单元共用的面，再根据重构面矩阵获得三维Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及三维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；/nS5，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入三维Cohesive单元的模型，进行模拟分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维Cohesive单元全局嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集裂纹信息，通过工程处理软件建立三维的有限元模型，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三维的模型文件，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，原始矩阵通过矩阵分割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，将各立体单元共用的节点及面区分开，分别得到扩展节点矩阵和重构单元矩阵；单元矩阵和重构单元矩阵的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；
S4，根据原面矩阵获取各六面体单元共用的面，再根据重构面矩阵获得三维Cohesive矩阵；将扩展节点矩阵，重构单元矩阵以及三维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；
S5，工程处理软件读取新模型文件，得到全局嵌入三维Cohesive单元的模型，进行模拟分析。


2.根据权利要求1所述的三维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面的原面矩阵，根据重构单元矩阵获得表示重构单元组成面的重构面矩阵。


3.根据权利要求2所述的三维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所述的三维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。


5.根据权利要求2所述的三维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的节点编号列组合，得到原面矩阵和重构面矩阵；所述原面矩阵和重构面矩阵用于表示组成六面体的六个面。


6.根据权利要求5所述的三维Cohesive单元全局嵌入方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铭辉，吴明洋，高明忠，李存宝，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