[发明专利]结构的多个平面中的裂纹传播的有限元建模和分析

说明书

结构的多个平面中的裂纹传播的有限元建模和分析。提供了一种用于预测结构中的裂纹的传播的设备。提供了有限元模型，该有限元模型通过在正交的潜在裂纹平面中具有被定义在相邻元素之间的界面的元素的网格来表示所述结构的层。交叠界面元素被定义在所述界面处并且包括多个节点对，所述多个节点对沿着多个界面间隔开并且所述多个节点对之间具有包括结合节点对的节点集群。各个节点对的所述节点与在所述界面的相反侧的所述相邻元素的相应的节点重合。所述有限元模型在外部负载下的分析被执行，其中裂纹尖端被建立在节点集群处。所述节点集群的所述结合节点对的所述节点之间的应变能量释放率被计算并且所述裂纹的传播基于此被识别。

技术领域

本公开一般地涉及数值建模和分析，并且具体地，涉及用于预测遍历包括多个层的结构的多个平面中的裂纹的传播的有限元建模和分析。

背景技术

数值建模和分析技术是许多工程结构和组成它们的结构组件的设计和验证中的一个重要工具。一个常见的基于计算机的数值建模和分析技术是有限元建模和分析。例如，根据各种数值建模和分析技术，计算机模型可以按几何形状、元素、性质、负载、约束等定义工作环境，并且因此可被求解和分析以确定该工作环境内的工程结构的结构完整性。通过数值建模和分析并且在特定有限元分析中，可以能够将复杂系统分解成可管理的(有限)数量的元素(例如，作为一系列步骤绘制的曲线)。这些计算机模型及其分析可以被用于多个目的，诸如以帮助确定新飞机生产设计在各种负载环境下的行为。

有限元分析已常常被利用来预测诸如复合层压件的结构中的现有的裂纹的起始和传播。一旦裂纹已通过初始方向，就可能在第二或第三方向上潜在地发生裂纹的附加起始或传播。然而，现有的有限元建模和分析技术不容易能够预测结构的两个或三个平面中的裂纹的起始和传播。

具体地，利用现有的有限元计算机建模技术来预测材料中的裂纹起始和传播已经受到技术的许多限制妨碍。现有的技术不能够容易地预测包含材料或几何非线性或者展示非线性材料或几何响应(例如，作为大位移的结果)的结构中的裂纹的起始或传播。此外，这些技术中的一些需要多个计算机运行以使裂纹传播，这产生多个有限元解的冗长后处理。

因此，可能期望具有考虑以上所讨论的问题以及可能其它问题中的至少一些的系统和方法。

发明内容

本公开的示例实施方式致力于一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的改进的系统、方法和计算机可读存储介质。具体地，所述系统可以通过利用遍及有限元模型的多个维度交叠的界面元素对所述结构的多个潜在裂纹平面(例如，两个或三个平面)进行建模来提供遍及所述潜在裂纹平面的裂纹的传播。

在一些示例实施方式中，提供了一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的方法。所述方法可以包括产生或者接收所述结构的有限元模型，其中所述多个层通过壳体或实体元素的网格来表示并且各个壳体或实体元素利用节点的集合。所述壳体或实体元素的网格可以在相应的多个正交的潜在裂纹平面中具有被定义在所述壳体或实体元素的网格的相邻壳体或实体元素之间的多个界面。

所述方法也可以包括遍及所述多个界面定义界面元素。各个界面元素包括多个外节点对，所述多个外节点对之间具有节点集群，使得所述界面元素的至少一部分在所述多个界面中的各个相应的界面内。各个外节点对的所述节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点重合。此外，针对所述多个界面中的各个相应的界面，所述节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述节点集群中的相对节点结合从而成为结合节点对。所述结合节点对的所述节点和相对节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点重合。

所述方法也可以包括在外部负载下执行所述有限元模型的有限元故障分析，其可以包括建立具有位于所述界面元素的所述节点集群处的尖端的裂纹，以及在所述外部负载下计算所述节点集群的所述结合节点对的所述节点之间的应变能量释放率。在至少一个实例中，所述方法也可以包括基于如此计算出的所述应变能量释放率识别沿着所述界面元素的所述裂纹的传播。