一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法技术

本发明专利技术公开了一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，包括按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，在裂纹尖端位置构建虚拟网格；通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据；计算出当前载荷步，虚拟网格积分点上应力以及应变数据；根据虚拟网格积分点上应力以及应变数据，利用J积分的计算公式进行计算，得到J积分参数的数值；利用J积分参数，进行后续裂纹是否扩展的判断并开展下一载荷步的有限元仿真，本发明专利技术可以在任意低质量的三角形网格条件下，获取高精度的粘弹性J积分数值计算结果，有利于提高后续粘弹性材料裂纹仿真效果。有利于提高后续粘弹性材料裂纹仿真效果。有利于提高后续粘弹性材料裂纹仿真效果。

【技术实现步骤摘要】
一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法


[0001]本专利技术涉及一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，属于计算断裂力学


技术介绍

[0002]强度因子是进行裂纹扩展判断的重要依据，可以很好的用于弹性材料裂纹扩展仿真。对于固体推进剂这类粘弹性材料而言，裂纹扩展仿真过程中，强度因子已经不再适用于粘弹性材料在蠕变条件下的断裂判断。J积分可以很好地应用于非线性材料的断裂问题。在实际的裂纹仿真计算过程中，J积分的数值计算会受到网格质量的影响，从而影响到仿真的效果。为此，本专利提出一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法。
[0004]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，包括：
[0006]按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，得到原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据；
[0007]以裂纹尖端附近平均单元边长为单元边长，在裂纹尖端位置构建虚拟网格；
[0008]根据原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据；
[0009]利用虚拟网格在当前步及其之前载荷步上的位移数据，计算出当前载荷步，虚拟网格积分点上应力以及应变数据；
[0010]根据虚拟网格积分点上应力以及应变数据，利用J积分的计算公式进行计算，得到J积分参数的数值；
[0011]利用J积分参数，进行后续裂纹是否扩展的判断并开展下一载荷步的有限元仿真。
[0012]进一步的，所述按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，得到原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，包括：
[0013]按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，含裂纹缺陷的网格结构主要采用三节点三角形网格单元；
[0014]记录有限元计算过程中，节点坐标、单元节点以及位移数据，将有限元网格中节点的坐标数据记录到数组COORD_ORI，单元组成节点的数据记录到数组NODE_ORI，节点上的所有载荷步上位移记录到数组DISP_ORI_HIS，标记裂纹尖端的位置为(X_TIP，Y_TIP)。
[0015]进一步的，所述以裂纹尖端附近平均单元边长为单元边长，在裂纹尖端位置构建虚拟网格，包括：
[0016]寻找有裂纹尖端节点参与的单元边，计算这些边的平均长度，标记为L_E；
[0017]以裂纹尖端(X_TIP，Y_TIP)为中心，构建数目为6
×
6的虚拟单元网格，单元为四节点四边形单元，单元的边长为L_E；
[0018]沿着原始网格中裂纹的方向，虚拟单元网格也设置相应的裂纹；
[0019]将虚拟网格中节点的坐标数据记录到数组COORD_VIR，单元组成节点的数据记录到数组NODE_VIR。
[0020]进一步的，所述根据原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据，包括：
[0021]对于虚拟网格上的每一个虚拟节点，遍历原始网格中的每一个单元，直到该节点的位置刚好位于某个单元中，标记该单元为目标单元；
[0022]在目标单元上，利用目标单元上节点已知的位移数据，插值计算出虚拟节点的位移数据；
[0023]假设虚拟节点的位置为N(X_N，Y_N)，原始网格上目标单元E_T的三个节点分别是A(X_A，Y_A)，B(X_B，Y_B)以及C(X_C，Y_C)，记三角形ABN、BCN、CAN以及ABC的面积分别是S_ABN、S_BCN、S_CAN以及S_ABC；
[0024]虚拟节点N刚好位于目标单元E_T中的判读依据为：
[0025]S_ABN+S_BCN+S_CAN＝S_ABC (1)
[0026]假设原始网格上目标单元E_T的三个节点位移分别是A(DISP_X_A，DISP_Y_A)，B(DISP_X_B，DISP_Y_B)以及C(DISP_X_C，DISP_Y_C)，虚拟节点N位移N(DISP_X_N，DISP_Y_N)的插值计算方法如下：
[0027][0028][0029]以此类推，计算出当前载荷步以及之前载荷步，整个虚拟网格上虚拟节点的位移数据，节点上的所有载荷步上位移记录到数组DISP_VIR_HIS。
[0030]进一步的，所述利用虚拟网格在当前步及其之前载荷步上的位移数据，计算出当前载荷步，虚拟网格积分点上应力以及应变数据，包括：
[0031]利用当前载荷步以及之前载荷步，整个虚拟网格上虚拟节点的位移数据DISP_VIR_HIS，遵循粘弹性材料的本构关系，依次计算出每一个载荷步上的网格单元积分点上的应力以及应变数据。
[0032]进一步的，所述根据虚拟网格积分点上应力以及应变数据，利用J积分的计算公式进行计算，得到J积分参数的数值，包括：
[0033]将J积分的定义式转换成区域积分的形式，以虚拟网格为积分区域，利用计算得到的单元积分点上的应力以及应变数据进行J积分的数值计算；其中J积分等效区域计算的表达式为：
[0034][0035]其中，积分区域A对应虚拟网格区域，σ
xx
、σ
yy
以及τ
xy
分别为x方向，y方向以及切向的应力，u和v分别为沿着x方向，y方向的位移，q为虚拟网格区域上的函数，当q在虚拟网格最外侧的边界上时，q为0，当q不在虚拟网格最外侧的边界上时，q为1.0，w为应变能密度；
[0036]在整个虚拟网格区域上，J积分的计算表达式为：
[0037][0038]其中，NE
‑
VIR为虚拟单元的个数，N
‑
G为积分点的数目，W
j
为积分点对应的权重。
[0039]第二方面，本专利技术提供一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取装置，包括：
[0040]第一计算模块，用于按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，得到原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据；
[0041]虚拟网格构建模块，用于以裂纹尖端附近平均单元边长为单元边长，在裂纹尖端位置构建虚拟网格；
[0042]第二计算模块，用于根据原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据；
[0043]第三计算模块，用于利用虚拟网格在当前步及其之前载荷步上的位移数据，计算出当前载荷步，虚拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，其特征在于，包括：按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，得到原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据；以裂纹尖端附近平均单元边长为单元边长，在裂纹尖端位置构建虚拟网格；根据原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据；利用虚拟网格在当前步及其之前载荷步上的位移数据，计算出当前载荷步，虚拟网格积分点上应力以及应变数据；根据虚拟网格积分点上应力以及应变数据，利用J积分的计算公式进行计算，得到J积分参数的数值；利用J积分参数，进行后续裂纹是否扩展的判断并开展下一载荷步的有限元仿真。2.根据权利要求1所述的粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，其特征在于，所述按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，得到原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，包括：按照常规的有限元计算方法，开展粘弹性含裂纹缺陷的有限元网格结构的数值计算，含裂纹缺陷的网格结构主要采用三节点三角形网格单元；记录有限元计算过程中，节点坐标、单元节点以及位移数据，将有限元网格中节点的坐标数据记录到数组COORD_ORI，单元组成节点的数据记录到数组NODE_ORI，节点上的所有载荷步上位移记录到数组DISP_ORI_HIS，标记裂纹尖端的位置为(X_TIP，Y_TIP)。3.根据权利要求2所述的粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，其特征在于，所述以裂纹尖端附近平均单元边长为单元边长，在裂纹尖端位置构建虚拟网格，包括：寻找有裂纹尖端节点参与的单元边，计算这些边的平均长度，标记为L_E；以裂纹尖端(X_TIP，Y_TIP)为中心，构建数目为6
×
6的虚拟单元网格，单元为四节点四边形单元，单元的边长为L_E；沿着原始网格中裂纹的方向，虚拟单元网格也设置相应的裂纹；将虚拟网格中节点的坐标数据记录到数组COORD_VIR，单元组成节点的数据记录到数组NODE_VIR。4.根据权利要求3所述的粘弹性材料裂纹扩展仿真的J积分参数获取方法，其特征在于，所述根据原始有限元网格对应的节点坐标、单元节点以及位移数据，通过插值方法，计算出当前步及其之前载荷步，每一个载荷步对应的虚拟网格节点的位移数据，包括：对于虚拟网格上的每一个虚拟节点，遍历原始网格中的每一个单元，直到该节点的位置刚好位于某个单元中，标记该单元为目标单元；在目标单元上，利用目标单元上节点已知的位移数据，插值计算出虚拟节点的位移数据；假设虚拟节点的位置为N(X_N，Y_N)，原始网格上目标单元E_T的三个节点分别是A(X_A，Y_A)，B(X_B，Y_B)以及C(X_C，Y_C)，记三角形ABN、BCN、CAN以及ABC的面积分别是S_ABN、S_BCN、S_CAN以及S_ABC；虚拟节点N刚好位于目标单元E_T中的判读依据为：S_ABN+S_BCN+S_CAN＝S_ABC (1)
假设原始网格上目标单元E_T的三个节点位移分别是A(DISP_X_A，DISP_Y_A)，B(DISP_X_B，DISP_Y_B)以...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔辉如，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：