[发明专利]一种快速获取脆性材料冲击破坏特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种获取材料冲击破坏特性的方法，具体涉及一种快速获取脆性材料冲击破坏特性的方法。

背景技术

以陶瓷、夹层玻璃、钢筋混凝土等为代表的脆性材料已被广泛应用于航空、机械、建筑等领域，所以其在动态载荷作用下的冲击破坏等技术问题越来越受到人们的重视。随着对问题的深入研究，既要从整体上把握问题的宏观特征，又要对感兴趣的局部进行微观分析，揭示脆性材料的例如裂纹扩展和碎片飞散等破坏特性。

脆性材料的冲击破坏问题本质上是一个材料由连续体向非连续体转换的复杂力学过程，学者们尝试利用非连续介质力学方法解决此类技术问题，其中离散元法被认为是一种行之有效的方法(Liu K，Liu W.Application of Discrete Element Method for Continuum DynamicProblems.Archive of Applied Mechanics，2006，76(3-4)：229-243)。离散元法能较好地获取脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性，但是在模型较大时离散元单元间的接触搜索消耗系统资源巨大，导致离散元法在获取脆性材料冲击破坏特性时执行效率比较低。虽然已有几种搜索效率相对较高的接触搜索方法，但无法从根本上解决执行效率低的问题。

有限元法作为一种执行效率和分析精度都比较高的方法，可以很好地在宏观上解决结构响应、弹性波的传播以及热传导等技术问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，但是由于脆性材料冲击破坏区域无法预测，目前有限元法无法获取脆性材料在冲击载荷作用下的裂纹扩展和碎片飞散等破坏特性。

国内外很多学者尝试了多种离散元与有限元耦合方法，在感兴趣的区域用离散单元，在其它区域用有限单元，既得到了足够的精度，又节约了系统资源。例如离散元与有限元结合的多尺度方法在离散元和有限元耦合处增加一个过渡层对两个区域之间的各种运动学、力学信息做一个平滑的过渡(Xu JianLong，Tang ZhiPing.Combined Discrete/FiniteElement Multiscale Numerical Method and Its Application.Chinese Journal of ComputationalPhysics，2003，Vol 20，No.6)；离散元与有限元耦合的罚函数法将两种单元耦合处离散单元节点与有限单元节点绑定来传递两个计算区域之间的力学信息Zang MY，Lei Z.An approach tocombining 3D discrete and finite element methods based on penalty function method.Computational Mechanics，2010，46：609-619)。上述两种耦合方法都是静态耦合，模型中的有限单元和离散单元区域已知，但是在脆性材料冲击破坏分析中，破坏区域无法预测，在建模时无法确定有限单元和离散单元区域。

综上所述，在研究脆性材料破坏特性的上述方法中，存在以下不足之处：

(1)在脆性材料冲击破坏分析中，离散单元数目巨大导致接触搜索算法消耗系统资源巨大，执行效率很低。

(2)在脆性材料冲击破坏分析中无法确定有限单元和离散单元区域，导致静态耦合方法的建模困难，执行效率也较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种快速获取脆性材料冲击破坏特性的方法。本发明的最终目的是把即将发生破坏的有限单元替换成离散单元，在替换前后有限单元和离散单元的运动学、力学信息近似等效的基础上，将离散单元限制在很小范围，利用离散元法获取脆性材料在冲击载荷作用下的裂纹扩展和碎片飞散等特性。本发明方法在进行脆性材料冲击破坏分析时既得到了足够的执行精度，又节约了系统资源，这样就可以快速获取脆性材料在冲击载荷作用下的裂纹扩展和碎片飞散等破坏特性，具体技术方案如下。

一种快速获取脆性材料破坏特性的方法，该方法包括如下步骤：

用有限单元定位部件，根据有限单元替换条件判断即将替换的立方体八节点有限单元(以下简称有限单元)，得到有限单元的编号；