一种基于有限元软件的孔边三维裂纹建模方法技术

本发明专利技术公开了基于有限元软件的孔边三维裂纹建模方法，包括以下步骤：A1、生成裂纹体；A2、生成裂纹面；A3、扫略网格：先将裂纹体的外表面进行面网格划分，并定义外表面裂纹尖端的奇异性，然后将划分好的面网格按照裂纹尖端线的方向进行扫略，即可将整个裂纹体的网格划分完毕。本发明专利技术应用的建模方法如建立实体、体积交叠、网格扫略等均为通用方法，在大部分商用有限元软件均可使用，在实际操作中通用性很强；本发明专利技术的整套建模思路可以在平面结构、曲面结构、组合结构等多种结构类型下，建立圆孔、方孔、锪窝孔等等各类孔的孔边三维穿透裂纹，在应用领域上通用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种损伤容限分析方法，特别提供了一种基于有限元软件的通孔孔边三维穿透裂纹建模方法和变截面孔孔边三维穿透裂纹建模方法。
技术介绍
损伤容限是研究含裂纹结构的设计准则、分析方法和试验技术的工程科学，其目的在于防止结构因裂纹而发生灾难性破坏。损伤容限的设计与分析方法广泛应用于航空领域，是保证飞行安全的重要技术手段。损伤容限的分析方法包括数值分析和试验研究，而使用有限元软件进行含裂纹结构的建模分析则是数值分析的主要途径。通过有限元分析，可以较为准确地模拟结构受力状态与应力分布，从而指导结构设计与试验，达到提高设计分析水平与节省试验周期费用的目的。现有文献中，对含裂纹结构的有限元分析研究较多，但大多数基于二维平面模型，对三维含裂纹模型的研究较少。其主要原因是现有的有限元软件提供有一套成熟的二维实体模型下的裂纹建模方法，建立二维裂纹比较简单；而针对三维模型没有现成的裂纹的建模方法，建立三维模型较为困难。相比三维结构而言，二维分析的缺点是显然的，首先，二维有限元分析将实际三维结构进行了简化，忽略了厚度效应的影响，其分析结果的准确性值得怀疑；其次，很多三维结构根本无法简化为二维，研究这些结构中的裂纹扩展特性时，二维模型不可用。目前，使用有限元软件建立三维裂纹模型的主要方法为“自下而上”的形式，即由点到面、再由面到体。这种方法需要通过手动生成节点，再进一步生成模型并进行网格划分，难度很大；此外，此方法需要在建模时花费大量时间，且不易实现程序化。中国专利技术专利CN101059407 A公开了一种基于嵌入式有限元建模的三维裂纹扩展模拟方法，其中涉及到了一种表面裂纹的三维建模方法，是一种“自上而下”的简便方法，但是，以上方法无法对孔边裂纹进行分析。在航空结构中，很多重要的承力构件都是通过螺栓、铆钉连接，连接结构的疲劳性能分析占有重要地位；而对连接结构的研究，主要就是分析孔边裂纹。因此，如果能够建立一种方便的孔边三维裂纹有限元建模方法，对推进连接件损伤容限研究工作具有重要意义。
技术实现思路
为了克服现有技术建立孔边三维裂纹模型难度高、时间长、自动化程度差等不足，本专利技术提供了一种通用的有限元软件建立孔边三维穿透裂纹的方法。本方法使用“自上而下”的有限元建模思想，对于一般的三维结构各类孔边均可使用，通用性强，并便于实现参数化处理，提高了裂纹分析效率。本专利技术在建立孔边三维穿透裂纹时的建模思想可简单表述为:通过体积交叠的方式生成裂纹体；复制裂纹体中的部分实体生成裂纹面；扫略网格划分裂纹体单元。本专利技术所采取的技术方案如下:一、生成裂纹体。生成裂纹体的目的是将整个实体模型进行分割，把裂纹附近的局部结构从整体结构中区分出来。不含裂纹的整体结构称为结构体，裂纹附近的局部结构称为裂纹体，裂纹体由两排子块构成，各个子块是构造裂纹面和裂纹尖端的基础，裂纹体镶嵌在结构体内。对于通孔，单侧裂纹裂纹体需要4个子块，双侧裂纹裂纹体需要8个子块；对于变截面孔，单侧裂纹裂纹体需要6个子块，双侧裂纹裂纹体需要10个子块。建立两排穿过实体模型的长方体，运用布尔运算将长方体与实体模型进行体积交叠(体积交叠(overlap)的概念，通过体积交叠运算，两个相交的体会被它们的相交面分割，相交的部分变为独立的体),通过体积交叠运算,体块和实体模型间沿彼此的相交面被分割,再将实体模型以外的体块删除，使保留的部分与原有实体模型外观和尺寸相同，即可得到裂纹体与结构体。通过交叠法得到裂纹体的好处，一是适用于任意结构类型的实体；二是可以对实体模型进行分割得到裂纹体而不改变实体外观。二、生成裂纹面。孔边裂纹的主要特征在于，每条裂纹只有一个裂纹尖端，相接触的两个裂纹面在孔边分开，在裂纹尖端汇集。因此，对裂纹体中的某些相邻子块，需要将其共用平面进行处理，演变为两个独立平面来模拟裂纹。本专利技术先将相邻两子块中的一个进行复制，再删掉复制前的子块，这样，两个有共用平面的子块变为了两个相互独立子块，之前的公用平面变为了两个位置重合的独立平面；而后，合并除裂纹起裂点外其他相同位置的点，保证了只有裂纹面可以张开，且仅有一个裂纹尖端。三、扫略网格。进行有限元分析，必须进行网格划分，且要把裂纹尖端点定义为奇异。本专利技术先将裂纹体的外表面进行面网格划分，并定义外表面裂纹尖端的奇异性，然后将划分好的面网格按照裂纹尖端线的方向进行扫略，即可将整个裂纹体的网格划分完毕。四、建立变截面孔孔边裂纹的特殊处理。对于变截面孔，扫略面面积会发生变化，有限元软件一般无法对其进行面网格扫略。因此，使用上述方法建立变截面孔孔边裂纹模型时，需要进行一些特殊处理。首先，在生成裂纹体时，需要建立额外的长方体与结构相交，使孔边部分属于单独的子块；其次，在生成裂纹面时，除裂纹起裂点外，还要防止两个不同裂纹面上的点被合并，造成裂纹不能张开；再次，在进行网格划分时，包含孔边的裂纹体子块不参与网格扫略，可以将裂纹体的其他子块先进行扫略，孔边的子块的网格划分可与结构体一起进行。由于结构边裂纹可以看作单侧孔边裂纹的一种变体，使用本专利技术涉及的步骤进行结构边裂纹三维建模的方法将落于本专利技术的保护范围之内。本专利技术应用的建模方法如建立实体、体积交叠、网格扫略等均为通用方法，在大部分商用有限元软件均可使用，在实际操作中通用性很强；本专利技术的整套建模思路可以在平面结构、曲面结构、组合结构等多种结构类型下，建立圆孔、方孔、锪窝孔等等各类孔的孔边三维穿透裂纹，在应用领域上通用性强；本专利技术涉及的方法步骤明确，可以使用有限元软件方便地实现参数化建模，自动化程度高，在进行大规模计算，尤其像裂纹扩展分析时，可以大大提高分析效率；本方法采用“自上而下”的建模思想，思路清晰，方法简单，易于使用。附图说明图1为含圆形通孔矩形平板实体模型；图2为建立长方体的结构立体图；图3为建立长方体的结构侧视图；图4为裂纹体与结构体的示意图；图5为生成裂纹面前，部分裂纹体体块复制后示意图；图6为裂纹体裂纹起裂点示意图；图7为裂纹体面网格划分示意图；图8为裂纹体体单元划分示意图；图9为含锪窝孔矩形平板示意图；图10为建立长方体的结构俯视图；图11为建立长方体的结构侧视图；图12为裂纹体与结构体的示意图；图13为生成裂纹面前，部分裂纹体体块复制后示意图；图14为裂纹面上的关键点示意15为合并后裂纹面上的关键点示意图；图16为裂纹体裂纹起裂点示意图；图17为裂纹体部分子块面网格划分不意图；图18为裂纹体部分子块体单元划分示意图；图19为裂纹体体单元划分示意具体实施例方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。实施例1:通孔双侧孔边三维穿透裂纹建模以一个含圆形通孔的矩形平板为例，在孔边双侧建立三维穿透裂纹。矩形平板的尺寸为100X40X3臟，通孔位于矩形中心，半径为3mm ;两侧孔边穿透裂纹长度分别为2mm和 5mm ο步骤I建立结构实体模型 (I)建立一个长度100mm,宽度40mm,高度3_的矩形平板；(2)在平板中心处，沿垂直平板方向建立一个半径3mm，高度IOmm的穿透平板的圆柱体；(3)应用布尔运算，使用矩形平板减掉圆柱体，即可建立一个含圆形通孔矩形平板的实体模型，如图1所示。步骤2生成裂纹体( I)建立数个穿透结构实体模型的长方体建立长方体的原则如下:1、两排长方体的数目相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元软件的孔边三维裂纹建模方法，其特征在于，包括以下步骤：A1、生成裂纹体；生成裂纹体的目的是将整个实体模型进行分割，把裂纹附近的局部结构从整体结构中区分出来；不含裂纹的整体结构称为结构体，裂纹附近的局部结构称为裂纹体，裂纹体由两排子块构成，各个子块是构造裂纹面和裂纹尖端的基础，裂纹体镶嵌在结构体内；对于通孔，单侧裂纹裂纹体需要4个子块，双侧裂纹裂纹体需要8个子块；对于变截面孔，单侧裂纹裂纹体需要6个子块，双侧裂纹裂纹体需要10个子块；建立两排穿过实体模型的长方体，运用布尔运算将长方体与实体模型进行体积交叠，通过体积交叠运算，体块和实体模型间沿彼此的相交面被分割，再将实体模型以外的体块删除，使保留的部分与原有实体模型外观和尺寸相同，即可得到裂纹体与结构体；A2、生成裂纹面：先将相邻两子块中的一个进行复制，再删掉复制前的子块，这样，两个有共用平面的子块变为了两个相互独立子块，之前的公用平面变为了两个位置重合的独立平面；而后，合并除裂纹起裂点外其他相同位置的点，保证了只有裂纹面可以张开，且仅有一个裂纹尖端；A3、扫略网格：先将裂纹体的外表面进行面网格划分，并定义外表面裂纹尖端的奇异性，然后将划分好的面网格按照裂纹尖端线的方向进行扫略，即可将整个裂纹体的网格划分完毕。...

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元软件的孔边三维裂纹建模方法，其特征在于，包括以下步骤: Al、生成裂纹体；生成裂纹体的目的是将整个实体模型进行分割，把裂纹附近的局部结构从整体结构中区分出来；不含裂纹的整体结构称为结构体，裂纹附近的局部结构称为裂纹体，裂纹体由两排子块构成，各个子块是构造裂纹面和裂纹尖端的基础，裂纹体镶嵌在结构体内；对于通孔，单侧裂纹裂纹体需要4个子块，双侧裂纹裂纹体需要8个子块；对于变截面孔，单侧裂纹裂纹体需要6个子块，双侧裂纹裂纹体需要10个子块；建立两排穿过实体模型的长方体，运用布尔运算将长方体与实体模型进行体积交叠，通过体积交叠运算，体块和实体模型间沿彼此的相交面被分割，再将实体模型以外的体块删除，使保留的部分与原有实体模型外观和尺寸相同，即可得到裂纹体与结构体； A2、生成裂纹面:先将相邻两子块中的一个进行复制，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何宇廷，张腾，崔荣洪，安涛，张海威，高潮，丁华，邵青，侯波，伍黎明，
申请(专利权)人：空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61