【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料模型，具体为适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法。
技术介绍
1、准脆性材料是指在外力作用下仅发生很小的变形就破坏的材料，如混凝土、岩石、冰、坚韧陶瓷和各种纤维或颗粒复合材料等。准脆性材料在小尺度上服从塑性理论(或强度理论)，以材料强度或屈服极限为特征，在大尺度上服从线弹性断裂力学理论，以断裂能为特征。准脆性材料破坏是指在载荷作用下，准脆性材料内部微裂纹萌生和扩展，从而产生宏观裂纹，最终导致材料逐渐劣化直至失效的过程。
2、为了研究准脆性材料的破坏问题，开发了多种数值计算方法，例如有限元法(fem)，内聚区单元法(czm)，扩展有限元法(xfem)等。有限元法(fem)在处理裂纹时必须预先知道裂纹的存在位置及尺寸，而实际工程应用中往往不具备这个条件，为了克服这一缺陷，内聚区单元法(czm)通过内聚定律实现了裂纹在相邻单元之间的任意扩展，但是这种方法对网格有很高的要求，甚至有时需要重新划分网格。扩展有限元法(xfem)通过在传统有限单元法的单元函数中引入具有自由度的局部扩充函数，消除了网格的依赖性，模拟裂纹生长时也无需对网格进行重新剖分，然而其在模拟具有复杂形态的多裂纹扩展方面存在局限性。以上几种方法都是使用传统连续介质力学理论研究裂纹的萌生与扩展，通过偏微分方程描述物体的变形与内力。但是一旦出现裂纹就会导致空间的不连续性，从而使得偏微分方程出现奇异性，造成了传统连续介质力学控制方程中偏微分方程的不存在。而基于非局部作用思想提出的近场动力学理论使用积分方程描述空间域中物质点的信息，不需要额
3、与现有申请相比区别如下：
4、与专利cn110414167a“准脆性材料的近场动力学本构力函数建模方法”的技术对比中
5、1、专利cn110414167a中，本构力函数是通过数学拟合损伤变量得出的，但并未给出具体的拟合方法，而本专利技术通过解析式的形式给出了本构力函数具体的构建方法。
6、2、专利cn110414167a中，认为键在压缩时超过某一固定值时断裂，而本专利技术认为键压缩时的断裂是由累计损伤引起的，没有设定一个固定值，避免了键状态的突变。
7、3、专利cn110414167a中，以分段函数的形式给出了本构力函数的具体解析式，但并未给出相关临界伸长率的具体确定方法，而本专利技术在构建本构力函数之后，明确定义了线性和非线性阶段的各伸长率以及表示键状态的损伤函数。
8、4、专利cn110414167a中，提出了一种适用于准脆性材料的近场动力学本构力函数，但并未通过数值模拟进行验证，而本专利技术通过数值模拟预制裂纹岩石的裂纹扩展趋势，并与实验结果对比，验证了本专利技术提出的本构方法的可靠性。
9、与专利cn116895351a“用于准脆性材料破坏预测的bpd有限元耦合方法及系统”的技术对比中
10、1、专利cn116895351a中，主要侧重于近场动力学与有限元的耦合，而本专利技术侧重于准脆性材料的本构方法构建。
11、2、专利cn116895351a中，键的损伤模型各阶段均采用二次函数的表达形式，而本专利技术在拉伸和压缩的衰减阶段分别采用了对数函数和指数函数的形式，同时键的损伤模型为连续函数，体现了键从从完整到累计损伤直到断裂的过程。
12、3、专利cn116895351a中，断裂伸长率是通过与临界伸长率的比例关系确定的，存在两个未知数，而本专利技术是通过断裂能的计算推到得出的，不存在未知数，减少了模型校准的时间。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，以弥补传统pmb模型仅能反映弹性力学行为的不足。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
3、适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，具体步骤如下；
4、1)分析准脆性材料的力学行为；
5、准脆性材料的力学行为分成三个阶段线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段，线弹性阶段无裂纹萌生，无损伤，非线性强化阶段微裂纹萌生和稳定扩展，应变软化阶段开始形成宏观裂纹，损伤局部化；
6、2)本构力函数构建；
7、假定近场动力学本构力函数的变化趋势与应力应变曲线保持一致，参考全应力应变曲线的解析表达式，本构力函数采取分段函数的表示方法，在控制未知参数的同时使其更具灵活性；
8、3)参数确定；
9、包括各阶段的临界伸长率确定、断裂能确定、表示键状态的标量值函数确定和物质点损伤函数确定；
10、4)数值模拟与模型验证；
11、进行数值模拟时，确定模型尺寸，输入材料力学参数，包括质量、密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量，确定近场动力学中物质点间距，邻域半径，生成物质点坐标，确定时间步长，搜索每个物质点邻域范围内的点并初始化，对数值模型施加初始边界条件，按照所提出的本构模型迭代计算每个物质点的力、位移、速度、加速度，输出计算结果并绘制损伤云图，将实验结果与数值模拟结果对比分析，验证模型的可靠性。
12、作为本专利技术进一步改进，步骤2)拉伸阶段，当键的拉伸达到拉伸弹性伸长率set之前保持线性增长，函数解析式与pmb模型保持一致，拉伸弹性伸长率set和拉伸极限伸长率st之间对应应力应变曲线的非线性强化阶段，使近场力按照二次函数的形式增长，在拉伸极限伸长率st处近场力达到最大值，解析式设为f＝as2+bs+c。由于本构力函数为连续函数，带入两处临界条件：
13、
14、可找到满足条件的未知数的值：
15、
16、整理得对应非线性强化部分的本构力函数解析式为对应应力应变曲线的应变软化阶段，本构力函数使用对数函数进行衰减，并在伸长率达到s0时，近场力衰减至零，键断裂，解析式设为f＝aln(bs+c)，代入两处临界条件：
17、
18、找到满足条件的未知数的值：
19、
20、整理得解析式为拉伸阶段的本构力函数写为；
21、
22、对于该模型的压缩阶段，对应压缩应力应变曲线弹性变形和非线性强化部分的本构力函数与拉伸阶段保持一致，由于准脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度，键在受压缩时始终保持一定的承载能力，即近场力不会随着伸长率的增加衰减至零，所以衰减函数使用指数函数。假设解析式为f＝asebs+c，与拉伸部分同理，为确保本构力函数为连续函数，代入临界条件，满足条件的未知数的值如下：
23、
24、压缩部分的本构力函数表示如下：
25、<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，具体步骤如下；
2.根据权利要求1所述的适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，步骤2)拉伸阶段，当键的拉伸达到拉伸弹性伸长率set之前保持线性增长，函数解析式与PMB模型保持一致，拉伸弹性伸长率set和拉伸极限伸长率st之间对应应力应变曲线的非线性强化阶段，使近场力按照二次函数的形式增长，在拉伸极限伸长率st处近场力达到最大值，解析式设为f＝As2+Bs+c。由于本构力函数为连续函数，带入两处临界条件：
3.根据权利要求1所述的适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，步骤3)参数确定中，在构建的适用于准脆性材料的本构模型中，涉及了五个临界伸长率，分别为压缩极限伸长率sc、压缩弹性伸长率sec、拉伸弹性伸长率set、拉伸极限伸长率st、键拉伸断裂伸长率s0，其中拉伸极限伸长率st和压缩极限伸长率sc分别由抗拉强度σt和抗压强度σc与弹性模量E的比值确定，表示为；
【技术特征摘要】
1.适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，具体步骤如下；
2.根据权利要求1所述的适用于准脆性材料力学行为的键基近场动力学本构方法，其特征在于，步骤2)拉伸阶段，当键的拉伸达到拉伸弹性伸长率set之前保持线性增长，函数解析式与pmb模型保持一致，拉伸弹性伸长率set和拉伸极限伸长率st之间对应应力应变曲线的非线性强化阶段，使近场力按照二次函数的形式增长，在拉伸极限伸长率st处近场力达到最大值，解析式设为f＝as2+...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹏，应何蓉，缪秋华，朱文昌，贾民平，许飞云，胡建中，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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