[发明专利]离散元法中用于表示非匀质材料的键模型

说明书

技术领域

本发明总的涉及计算机辅助工程分析(例如，离散元法)，更具体地涉及在基于离散元法的时间推进模拟中获得由非匀质材料制成的物理域的数值模拟的物理现象的方法和系统，尤其是使用键模型以利于由多个键连接的多个非匀质离散微粒。

背景技术

许多现代工程分析都在计算机系统的辅助下执行。一种这样的计算机辅助工程(CAE)分析被称为离散元法(DEM)，通常用于数值模拟大量离散微粒的运动。随着用于最邻近分类的计算能力和数值算法的进步，数值模拟数百万的离散微粒变成可能。今天DEM作为求解粒状和不连续材料的工程问题尤其是裂纹扩展、颗粒流、粉末力学、以及岩石力学的有效方法，正被广泛接受。

传统力学基于在域上求解偏微分方程(PDE)，且假定质量连续分布，包括有限元法、边界积分法、无网格法等等。在其它的学科中，分子动力学(MD)已经被用于确定力、以及能量原子和分子，以进行纳米级别至微观级别的模拟，它不适用于宏观级别的模拟。

相反，DEM提供了不同的方法，它不要求用于连续力学的PDE公式。但是，基于DEM的现有技术的方法仍然有缺点和/或短处。例如，只允许在物理域中模拟单种材料(也就是，匀质材料)。又例如，只有线性材料行为被允许。

因此，期望改进DEM，可以用于在基于DEM的时间推进模拟中模拟非匀质材料和/或非线性材料的行为。

发明内容

本发明公开了在用于数值模拟非匀质材料的行为的离散元法中提供键模型的系统和方法。根据本发明的一方面，所述方法包括在其上安装有应用模块的计算机系统中接收表示由非匀质材料制成的物理域的多个非匀质离散微粒的定义。所述定义包括每个微粒的初始位置、体积、质量密度、体积模量和剪切模量；赋予影响范围，以建立每个离散微粒的影响域；建立用于连接离散微粒的键，每个键都被分为第一和第二子键，第一子键连接到第一离散微粒，第二子键连接到第二离散微粒。第一和第二离散微粒位于影响范围内。因此，每个离散微粒都连接到一个或多个子键；根据体积分割方案，将每个离散微粒的体积分割到一个或者多个子键，使得子键被赋予包括长度和横截面面积的特性；以及通过根据离散元法执行时间推进模拟，获得具有被赋予的特性的键/子键在物理域内的数值模拟的物理现象。

根据另一方面，获得数值模拟的物理现象进一步包括使用从前一求解周期获得的连接的离散微粒(即第一和第二离散微粒)的速度以及键的更新的方位和长度，来计算每个键的位移梯度率；通过位移梯度率计算角速度和应变率；根据响应转换方案，将每个键的角速度和应变率转换为每个离散微粒处的角速度和应变率；以及从角速度和应变率计算每个离散微粒处的应力和对应的反作用力，以获得每个微粒的新位置和速度。

根据以下结合附图对实施例的详细描述，本发明的目的、特征和优点将会变得明显。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1A-1B是共同的流程图，示出了根据本发明的一个实施例的用于在数值模拟非匀质材料的行为的离散元法中提供键模型的示范性过程；

图2是二维视图，示出了根据本发明的实施例的由多个非匀质离散微粒表示的示范性物理域；

图3A-3B是二维视图，示出了根据本发明的实施例的两个示范性的影响域；

图4是二维图，示出了根据本发明的实施例的感兴趣的离散微粒与其它相连的非匀质离散微粒以及对应的键的示范性配置；

图5是根据本发明的实施例的具有不同尺寸定义的示范性键的示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的示范性三维离散微粒(即，球体)的示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的包括具有不同响应的两个子键的键的示范性配置的二维示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的从子键到连接的离散微粒的示范性响应组合方案的二维示意图；以及

图9是计算机系统的主要部件的功能框图，可在其中执行本发明的实施例。

具体实施方式

首先参照图1A-1B，示出了在数值模拟非匀质材料的结构行为的离散元法(DEM)中提供键模型的示范性过程100的流程图。过程100在软件中实施，优选地结合其他附图进行理解。