【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及断裂结构仿真预测，特别是涉及一种高精度的结构破坏预测方法。
技术介绍
1、断裂对于材料、工程结构和设备的安全性、可靠性和性能至关重要。为了理解断裂机理和现象，研究人员采用了多种方法进行研究。经典连续介质力学被广泛用于研究结构力学响应行为，但是处理断裂问题时，却面临一些挑战。因为经典的连续介质力学控制方程中涉及求导，而导数在不连续(断裂)处不存在。而相场理论则利用连续的损伤函数来估计不连续表面的存在，但它本质上在一个连续场框架内运作，并不是模拟真正的断裂。扩展有限元种通过引入一个函数来将不连续性纳入位移场的数值方法，以增强传统的有限元方法，然而，在面对复杂的裂缝分支情景时，需要设置大量参数，扩展有限元法可能会遇到挑战。近场动力学是传统微分方程的一种替代方案，采用积分方程来规避裂缝尖端的奇异性问题，但在近场动力学模拟中可能会出现与材料边界附近刚度降低有关的问题。离散单元法将材料视为离散的实体，其中单个块或颗粒遵循牛顿第二定律。通过启用位移、旋转、滑动甚至分离，该方法能够真实地模拟包括断裂和大范围变形在内的各种现象。
2、然而，离散元方法仍然面临一些亟待克服的挑战。首先是建模方面的挑战，因为使用随机颗粒模型进行位移场计算时存在较大的误差，使用简单的单轴试验去比较位移场，如图1可以观察到一般随机模型的位移场相较于有限元位移场更为混乱。这一问题与颗粒尺寸和建模方式有关。这是因为离散元是一种基于颗粒间相互作用的数值方法，颗粒的尺寸越大，颗粒之间的相互作用范围也就越大，从而导致模拟结果与实际情况之间存在较大的偏差。然
3、第二是微观参数标定的挑战，由于离散元的微观参数如刚度比和宏观参数泊松比不一样，且微观参数不能通过试验获取，故需要标定。标定最开始使用试错法或经验法去标定力-位移曲线和微观参数，但盲目性操作比较多,不够高效。然后实验设计法能够通过解方程较为快速得实现标定，相比与试错法和经验法更科学，但是实验设计法在处理非线性上较弱。进而机器学习标定出现了，虽然机器学习标定的非线性处理能力强，但是需要大量标注数据，浪费大量人力和时间，且机器学习标定方法侧重于力-位移曲线的对应，但这并不意味着位移场的准确对应。位移场对应不上的问题不仅与几何建模密切相关，还与微观参数有着紧密的联系。
技术实现思路
1、针对上述现有技术，本专利技术在于提供一种高精度的结构破坏预测方法，主要解决上述
技术介绍
中存在的技术问题。
2、为达到上述目的，本专利技术实施例的技术方案是这样实现的：
3、一种高精度的结构破坏预测方法，所述方法包括下列步骤：
4、对任一实际结构件，建立有限元结构件模型，以及在离散元空间中通过双球建模法构建离散元结构件模型；
5、计算有限元结构件模型的位移场uf，计算离散元结构件模型的位移场ud；
6、比较位移场uf和位移场ud之间的差异，基于所述差异，迭代调整离散元结构件模型的微观参数，直到差异符合指定的标准；
7、通过离散元方法对调整后的离散元结构件模型进行迭代计算，完成对结构件的断裂预测。
8、可选的，通过双球建模法构建离散元结构件模型，具体包括：
9、在离散元空间中围出区域空间，并在所述区域空间先通过循环函数形成大颗粒，再通过所述循环函数形成小颗粒，在所述区域空间中由大颗粒以及小颗粒排列形成四边形的结构模型；
10、将所述四边形的结构模型作为结构件胚子，并设置微观参数；
11、对结构件胚子进行接触模型选择，并设置对应的接触模型微观参数从而得到完整的离散元结构件模型文件。
12、可选的，所述大颗粒与所述小颗粒之间满足下列关系：(2)2＝(r+r)2+(+r)2，其中其中r为大颗粒半径，r为小颗粒半径。
13、可选的，大颗粒之间的接触发生在45°的侧向角度。
14、可选的，基于所述差异，迭代调整离散元结构件模型的微观参数，具体包括：
15、首先给定n组微观参数并给定误差限值e；
16、计算有限元结构件模型位移场uf和离散元结构件模型位移场ud之间的差异；
17、如果差异超过规定的误差限值e，则进入迭代调整阶段，在迭代调整过程中更新微观参数。
18、可选的，通过下式计算误差限值e：其中λ为系数，t为转置矩阵。
19、可选的，在n组离散元和有限元之间结构件位移场的误差并找到n组误差中最小值，记为emin，当emin大于误差限值e时，进入迭代调整阶段。
20、可选的，采用采用更新算法进行迭代调整，直到emin小于误差限值e。
21、可选的，采用更新算法进行迭代调整，具体包括下列步骤：
22、对于n组微观参数向量β，设定其微观参数向量的变化量为δβi，并设定对每个初始微观参数向量β通过模拟得到了宏观参数坐标向量bn，其δβi的计算方式如下：
23、δβi＝[v1v2……vn]
24、其中，vn是每个微观参数的变化量；
25、由于在开始时没有进化经验，所有这些变量都是随机的，因此新的微观参数向量更新公式如下所示：
26、zi＝βi+δβi＝[z1z2……zn]
27、其中zn是新的进化的微观参数，对每个zn通过模拟得到了宏观参数坐标向量cn；
28、使用宏观参数坐标向量cn以及bn分别进行数值模拟，获得对应的多个结果量；
29、基于所述结果量判断是否符合要求，若不符合要求，则选取宏观参数坐标向量cn、bn进行数值模拟后获得的最小值结果量所对应的微观参数向量作为最佳微观参数pgbest，基于最佳微观参数pgbest再次更新zi；
30、基于第二次更新结果与第一次更新结果进行数值模拟，并重复上述过程再次获得最佳微观参数，直到所获得的结果量符合要求。
31、本专利技术的有益效果在于：本专利技术实施例所提供的一种高精度的结构破坏预测方法，其所采用的双球模型能够有效模拟结构件的断裂过程，从裂纹的起始到扩展直至破坏，在模拟结构件弹性阶段的变形时表现出高准确性，以及在在弹性阶段的高精度，其标定方法通过迭代调整微观参数，使得离散元模型的位移场与有限元模型的位移场尽可能匹配，提高了效率，减少了人工干预。
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1.一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，通过双球建模法构建离散元结构件模型，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，所述大颗粒与所述小颗粒之间满足下列关系：(2R)2＝(R+r)2+(R+r)2，其中其中R为大颗粒半径，r为小颗粒半径。
4.根据权利要求3所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，大颗粒之间的接触发生在45°的侧向角度。
5.根据权利要求4所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，基于所述差异，迭代调整离散元结构件模型的微观参数，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，通过下式计算误差限值e：其中λ为系数，T为转置矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，在n组离散元和有限元之间结构件位移场的误差并找到n组误差中最小值，记为cmin，当emin大于误差限值e时，进入迭代调整阶段。<...
【技术特征摘要】
1.一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，通过双球建模法构建离散元结构件模型，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，所述大颗粒与所述小颗粒之间满足下列关系：(2r)2＝(r+r)2+(r+r)2，其中其中r为大颗粒半径，r为小颗粒半径。
4.根据权利要求3所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，大颗粒之间的接触发生在45°的侧向角度。
5.根据权利要求4所述的一种高精度的结构破坏预测方法，其特征在于，基于所述差异，迭代调整离散元结构件模型的微观参数，具体包括：
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王永卫，刘显阳，董勤喜，魏群哲，黄俊珲，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：
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