專利名稱：一種基于有限元軟件的孔邊三維裂紋建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種損傷容限分析方法，特別提供了一種基于有限元軟件的通孔孔邊三維穿透裂紋建模方法和變截面孔孔邊三維穿透裂紋建模方法。
背景技術(shù)：
損傷容限是研究含裂紋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、分析方法和試驗(yàn)技術(shù)的工程科學(xué)，其目的在于防止結(jié)構(gòu)因裂紋而發(fā)生災(zāi)難性破壞。損傷容限的設(shè)計(jì)與分析方法廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，是保證飛行安全的重要技術(shù)手段。損傷容限的分析方法包括數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，而使用有限元軟件進(jìn)行含裂紋結(jié)構(gòu)的建模分析則是數(shù)值分析的主要途徑。通過(guò)有限元分析，可以較為準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與應(yīng)力分布，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，達(dá)到提高設(shè)計(jì)分析水平與節(jié)省試驗(yàn)周期費(fèi)用的目的?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)含裂紋結(jié)構(gòu)的有限元分析研究較多，但大多數(shù)基于二維平面模型，對(duì)三維含裂紋模型的研究較少。其主要原因是現(xiàn)有的有限元軟件提供有一套成熟的二維實(shí)體模型下的裂紋建模方法，建立二維裂紋比較簡(jiǎn)單；而針對(duì)三維模型沒(méi)有現(xiàn)成的裂紋的建模方法，建立三維模型較為困難。相比三維結(jié)構(gòu)而言，二維分析的缺點(diǎn)是顯然的，首先，二維有限元分析將實(shí)際三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了厚度效應(yīng)的影響，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性值得懷疑；其次，很多三維結(jié)構(gòu)根本無(wú)法簡(jiǎn)化為二維，研究這些結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展特性時(shí)，二維模型不可用。目前，使用有限元軟件建立三維裂紋模型的主要方法為“自下而上”的形式，即由點(diǎn)到面、再由面到體。這種方法需要通過(guò)手動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)一步生成模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，難度很大；此外，此方法需要在建模時(shí)花費(fèi)大量時(shí)間，且不易實(shí)現(xiàn)程序化。中國(guó)發(fā)明專利CN101059407 A公開(kāi)了一種基于嵌入式有限元建模的三維裂紋擴(kuò)展模擬方法，其中涉及到了一種表面裂紋的三維建模方法，是一種“自上而下”的簡(jiǎn)便方法，但是，以上方法無(wú)法對(duì)孔邊裂紋進(jìn)行分析。在航空結(jié)構(gòu)中，很多重要的承力構(gòu)件都是通過(guò)螺栓、鉚釘連接，連接結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析占有重要地位；而對(duì)連接結(jié)構(gòu)的研究，主要就是分析孔邊裂紋。因此，如果能夠建立一種方便的孔邊三維裂紋有限元建模方法，對(duì)推進(jìn)連接件損傷容限研究工作具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)建立孔邊三維裂紋模型難度高、時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度差等不足，本發(fā)明提供了一種通用的有限元軟件建立孔邊三維穿透裂紋的方法。本方法使用“自上而下”的有限元建模思想，對(duì)于一般的三維結(jié)構(gòu)各類孔邊均可使用，通用性強(qiáng)，并便于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化處理，提高了裂紋分析效率。本發(fā)明在建立孔邊三維穿透裂紋時(shí)的建模思想可簡(jiǎn)單表述為:通過(guò)體積交疊的方式生成裂紋體；復(fù)制裂紋體中的部分實(shí)體生成裂紋面；掃略網(wǎng)格劃分裂紋體單元。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下:
一、生成裂紋體。生成裂紋體的目的是將整個(gè)實(shí)體模型進(jìn)行分割，把裂紋附近的局部結(jié)構(gòu)從整體結(jié)構(gòu)中區(qū)分出來(lái)。不含裂紋的整體結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)體，裂紋附近的局部結(jié)構(gòu)稱為裂紋體，裂紋體由兩排子塊構(gòu)成，各個(gè)子塊是構(gòu)造裂紋面和裂紋尖端的基礎(chǔ)，裂紋體鑲嵌在結(jié)構(gòu)體內(nèi)。對(duì)于通孔，單側(cè)裂紋裂紋體需要4個(gè)子塊，雙側(cè)裂紋裂紋體需要8個(gè)子塊；對(duì)于變截面孔，單側(cè)裂紋裂紋體需要6個(gè)子塊，雙側(cè)裂紋裂紋體需要10個(gè)子塊。建立兩排穿過(guò)實(shí)體模型的長(zhǎng)方體，運(yùn)用布爾運(yùn)算將長(zhǎng)方體與實(shí)體模型進(jìn)行體積交疊(體積交疊(overlap)的概念，通過(guò)體積交疊運(yùn)算，兩個(gè)相交的體會(huì)被它們的相交面分割，相交的部分變?yōu)楠?dú)立的體),通過(guò)體積交疊運(yùn)算,體塊和實(shí)體模型間沿彼此的相交面被分割,再將實(shí)體模型以外的體塊刪除，使保留的部分與原有實(shí)體模型外觀和尺寸相同，即可得到裂紋體與結(jié)構(gòu)體。通過(guò)交疊法得到裂紋體的好處，一是適用于任意結(jié)構(gòu)類型的實(shí)體；二是可以對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分割得到裂紋體而不改變實(shí)體外觀。二、生成裂紋面。孔邊裂紋的主要特征在于，每條裂紋只有一個(gè)裂紋尖端，相接觸的兩個(gè)裂紋面在孔邊分開(kāi)，在裂紋尖端匯集。因此，對(duì)裂紋體中的某些相鄰子塊，需要將其共用平面進(jìn)行處理，演變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立平面來(lái)模擬裂紋。本發(fā)明先將相鄰兩子塊中的一個(gè)進(jìn)行復(fù)制，再刪掉復(fù)制前的子塊，這樣，兩個(gè)有共用平面的子塊變?yōu)榱藘蓚€(gè)相互獨(dú)立子塊，之前的公用平面變?yōu)榱藘蓚€(gè)位置重合的獨(dú)立平面；而后，合并除裂紋起裂點(diǎn)外其他相同位置的點(diǎn)，保證了只有裂紋面可以張開(kāi)，且僅有一個(gè)裂紋尖端。三、掃略網(wǎng)格。進(jìn)行有限元分析，必須進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且要把裂紋尖端點(diǎn)定義為奇異。本發(fā)明先將裂紋體的外表面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，并定義外表面裂紋尖端的奇異性，然后將劃分好的面網(wǎng)格按照裂紋尖端線的方向進(jìn)行掃略，即可將整個(gè)裂紋體的網(wǎng)格劃分完畢。四、建立變截面孔孔邊裂紋的特殊處理。對(duì)于變截面孔，掃略面面積會(huì)發(fā)生變化，有限元軟件一般無(wú)法對(duì)其進(jìn)行面網(wǎng)格掃略。因此，使用上述方法建立變截面孔孔邊裂紋模型時(shí)，需要進(jìn)行一些特殊處理。首先，在生成裂紋體時(shí)，需要建立額外的長(zhǎng)方體與結(jié)構(gòu)相交，使孔邊部分屬于單獨(dú)的子塊；其次，在生成裂紋面時(shí)，除裂紋起裂點(diǎn)外，還要防止兩個(gè)不同裂紋面上的點(diǎn)被合并，造成裂紋不能張開(kāi)；再次，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，包含孔邊的裂紋體子塊不參與網(wǎng)格掃略，可以將裂紋體的其他子塊先進(jìn)行掃略，孔邊的子塊的網(wǎng)格劃分可與結(jié)構(gòu)體一起進(jìn)行。由于結(jié)構(gòu)邊裂紋可以看作單側(cè)孔邊裂紋的一種變體，使用本發(fā)明涉及的步驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)邊裂紋三維建模的方法將落于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明應(yīng)用的建模方法如建立實(shí)體、體積交疊、網(wǎng)格掃略等均為通用方法，在大部分商用有限元軟件均可使用，在實(shí)際操作中通用性很強(qiáng)；本發(fā)明的整套建模思路可以在平面結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)類型下，建立圓孔、方孔、锪窩孔等等各類孔的孔邊三維穿透裂紋，在應(yīng)用領(lǐng)域上通用性強(qiáng)；本發(fā)明涉及的方法步驟明確，可以使用有限元軟件方便地實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，自動(dòng)化程度高，在進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算，尤其像裂紋擴(kuò)展分析時(shí)，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，方法簡(jiǎn)單，易于使用。


圖1為含圓形通孔矩形平板實(shí)體模型；
圖2為建立長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)立體圖；圖3為建立長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖4為裂紋體與結(jié)構(gòu)體的示意圖；圖5為生成裂紋面前，部分裂紋體體塊復(fù)制后示意圖；圖6為裂紋體裂紋起裂點(diǎn)示意圖；圖7為裂紋體面網(wǎng)格劃分示意圖；圖8為裂紋體體單元?jiǎng)澐质疽鈭D；圖9為含锪窩孔矩形平板示意圖；圖10為建立長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖11為建立長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖12為裂紋體與結(jié)構(gòu)體的示意圖；圖13為生成裂紋面前，部分裂紋體體塊復(fù)制后示意圖；圖14為裂紋面上的關(guān)鍵點(diǎn)示意15為合并后裂紋面上的關(guān)鍵點(diǎn)示意圖；圖16為裂紋體裂紋起裂點(diǎn)示意圖；圖17為裂紋體部分子塊面網(wǎng)格劃分不意圖；圖18為裂紋體部分子塊體單元?jiǎng)澐质疽鈭D；圖19為裂紋體體單元?jiǎng)澐质疽?b>具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1:通孔雙側(cè)孔邊三維穿透裂紋建模以一個(gè)含圓形通孔的矩形平板為例，在孔邊雙側(cè)建立三維穿透裂紋。矩形平板的尺寸為100X40X3臟，通孔位于矩形中心，半徑為3mm ;兩側(cè)孔邊穿透裂紋長(zhǎng)度分別為2mm和 5mm ο步驟I建立結(jié)構(gòu)實(shí)體模型 (I)建立一個(gè)長(zhǎng)度100mm,寬度40mm,高度3_的矩形平板；(2)在平板中心處，沿垂直平板方向建立一個(gè)半徑3mm，高度IOmm的穿透平板的圓柱體；(3)應(yīng)用布爾運(yùn)算，使用矩形平板減掉圓柱體，即可建立一個(gè)含圓形通孔矩形平板的實(shí)體模型，如圖1所示。步驟2生成裂紋體( I)建立數(shù)個(gè)穿透結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的長(zhǎng)方體建立長(zhǎng)方體的原則如下:1、兩排長(zhǎng)方體的數(shù)目相同、上下對(duì)稱，相鄰兩長(zhǎng)方體相互接觸，所有長(zhǎng)方體構(gòu)成一個(gè)大的長(zhǎng)方體；2、對(duì)于通孔雙側(cè)孔邊裂紋，建立長(zhǎng)方體的數(shù)目為8個(gè)(即每排4個(gè));3、裂紋面的位置應(yīng)包含在兩排長(zhǎng)方體的接觸面之中，因此兩排長(zhǎng)方體的接觸面應(yīng)垂直于結(jié)構(gòu)實(shí)體且與裂紋面同面；4、所有長(zhǎng)方體高度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)厚度，且所有長(zhǎng)方體應(yīng)將實(shí)體模型穿透；5、中間四個(gè)長(zhǎng)方體的共用邊位于圓孔軸線上；6、中間四個(gè)長(zhǎng)方體沿裂紋方向的長(zhǎng)度為孔的半徑加裂紋長(zhǎng)度，外側(cè)四個(gè)長(zhǎng)方體沿裂紋方向的長(zhǎng)度可自行定義，方便網(wǎng)格劃分即可；7、所有長(zhǎng)方體垂直于裂紋方向的長(zhǎng)度可自行定義，方便網(wǎng)格劃分即可。如圖2、圖3所示，在本實(shí)施例中，建立八個(gè)長(zhǎng)方體2至9，長(zhǎng)方體2、3、8、9為外側(cè)的四個(gè)長(zhǎng)方體，尺寸為4X2X9mm;長(zhǎng)方體4、5的尺寸為4X5X9mm ;長(zhǎng)方體6、7的尺寸為4X8X9mm。八個(gè)長(zhǎng)方體沿圓孔的軸線方向穿透實(shí)體模型1，長(zhǎng)方體4、5的接觸面包含結(jié)構(gòu)中2mm長(zhǎng)的裂紋面，長(zhǎng)方體6、7的接觸面包含結(jié)構(gòu)中5mm長(zhǎng)的裂紋面。(2)運(yùn)用布爾運(yùn)算中的體積交疊運(yùn)算將長(zhǎng)方體與實(shí)體模型交疊在本實(shí)施例中，將實(shí)體模型I與長(zhǎng)方體2至9進(jìn)行體積交疊。通過(guò)體積交疊運(yùn)算，各個(gè)體塊和實(shí)體模型之間沿彼此的相交面被分割，9個(gè)體塊變?yōu)?1個(gè)。(3)刪除多余子塊如圖4所示，將實(shí)體模型I兩側(cè)多余的子塊刪除，剩余的部分為結(jié)構(gòu)體10和裂紋體11至18。剩余體塊加起來(lái)的尺寸和形狀與實(shí)體模型I相同，唯一區(qū)別是結(jié)構(gòu)體10和裂紋體11至18是實(shí)體模型I被分割之后的體塊。步驟3生成裂紋面使用體積交疊運(yùn)算并刪除多余子塊后，剩余體塊10至18之間并不是完全分離的，相鄰體塊之間的平面，并不是兩個(gè)位置重合的接觸面，而是同時(shí)屬于兩個(gè)體塊的共用平面。由于一條裂紋的裂紋面是兩個(gè)相接觸不同平面，因此，要生成裂紋，必須將同屬于兩個(gè)體塊的共用平面變?yōu)閮刹煌矫妗?I)如圖5所示，將裂紋體子塊13和15復(fù)制，生成與其位置重合的子塊19和20。(2)刪除裂紋體子塊13和15,此時(shí),子塊19與子塊14、子塊20與子塊16之間為面一面接觸。(3)子塊19與子塊14、子塊20與子塊16為面一面接觸的同時(shí)，子塊19與子塊
11、14以及結(jié)構(gòu)體10之間，子塊20與子塊16、17以及結(jié)構(gòu)體10之間，以及子塊19和子塊20之間也為面一面接觸。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，僅有裂紋面可以張開(kāi)，因此，除裂紋面外，需要把其余的接觸面變?yōu)楣灿闷矫?。如圖6所示，dl至d8為兩條裂紋的起裂點(diǎn)，dl、d3屬于子塊16，d2、d4屬于子塊20, d5、d7屬于子塊14, d6、d8屬于子塊19,選擇結(jié)構(gòu)中所有的點(diǎn)后,取消對(duì)dl至d8的選擇；而后，使用有限元軟件中“合并相同位置的關(guān)鍵點(diǎn)”命令，即可將除dl至d8以外的所有相同位置的點(diǎn)合并。此時(shí)，除子塊19和子塊14以及子塊20和子塊16之間為面一面接觸外，其他體塊之間均共面。步驟4劃分并掃略網(wǎng)格(I)根據(jù)分析需要，設(shè)置網(wǎng)格劃分所使用的面單元類型和體單元類型。(2)如圖7所示，使用有限元軟件定義兩個(gè)裂紋尖端在裂紋體同一側(cè)外表面的點(diǎn)d9、d IO為應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)d9、d IO所在的裂紋體表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(3)如圖8所示，設(shè)置網(wǎng)格掃略的層數(shù)(本實(shí)施例中掃略層數(shù)設(shè)為3)，任選一裂紋前沿線，使用有限元軟件將已劃分好的面網(wǎng)格沿裂紋前沿線進(jìn)行掃略。(4)刪除已劃分的裂紋體表面面網(wǎng)格，保留裂紋體的體單元?jiǎng)澐?。步驟5使用體單元對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，至此，含有孔邊雙側(cè)穿透裂紋的實(shí)體有限元模型建立完畢。實(shí)施例2:锪窩孔單側(cè)孔邊三維穿透裂紋建模锪窩孔常用作埋頭鉚釘孔，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中十分常見(jiàn)，是一種典型的變截面孔。以一個(gè)含锪窩孔的矩形平板為例，在孔邊單側(cè)建立三維穿透裂紋。矩形平板的尺寸為100X40X 3mm,鎊窩孔位于矩形中心,孔半徑為2mm,鎊窩半徑為3mm,鎊窩深度為Imm ；一側(cè)孔邊穿透裂紋長(zhǎng)度為5mm。步驟I建立結(jié)構(gòu)實(shí)體模型(I)建立一個(gè)長(zhǎng)度100mm,寬度40mm,高度3mm的矩形平板；(2)在平板中心處，沿垂直平板方向建立一個(gè)半徑2mm，高度IOmm的穿透平板的圓柱體；(3)應(yīng)用布爾運(yùn)算，使用矩形平板減掉圓柱體，即可建立一個(gè)含圓形通孔矩形平板的實(shí)體模型。(4)與矩形平板同底,與圓孔同軸,建立一個(gè)底面半徑3mm,高3mm的圓錐體。(5)應(yīng)用布爾運(yùn)算，使用含圓形通孔矩形平板剪掉圓錐體，即可建立含锪窩孔矩形平板實(shí)體模型，如圖9所示。步驟2生成裂紋體(I)建立數(shù)個(gè)穿透結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的長(zhǎng)方體建立長(zhǎng)方體的原則如下:1、兩排長(zhǎng)方體的數(shù)目相同、上下對(duì)稱，相鄰兩長(zhǎng)方體相互接觸，所有長(zhǎng)方體構(gòu)成一個(gè)大的長(zhǎng)方體；2、對(duì)于锪窩孔單側(cè)孔邊裂紋，建立長(zhǎng)方體的數(shù)目為6個(gè)(即每排3個(gè))；3、裂紋面的位置應(yīng)包含在兩排長(zhǎng)方體的接觸面之中，因此兩排長(zhǎng)方體的接觸面應(yīng)垂直于結(jié)構(gòu)實(shí)體且與裂紋面同面；4、所有長(zhǎng)方體高度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)厚度，且所有長(zhǎng)方體應(yīng)將實(shí)體模型穿透；5、靠近孔側(cè)的兩個(gè)長(zhǎng)方體的外側(cè)共用邊位于锪窩孔軸線上，長(zhǎng)方體沿裂紋方向長(zhǎng)度比锪窩半徑稍大，方便網(wǎng)格劃分即可；6、中間兩個(gè)長(zhǎng)方體沿裂紋方向的長(zhǎng)度為孔的半徑加裂紋長(zhǎng)度再減去靠近孔側(cè)的長(zhǎng)方體長(zhǎng)度，遠(yuǎn)離孔邊的兩個(gè)長(zhǎng)方體沿裂紋方向的長(zhǎng)度可自行定義，方便網(wǎng)格劃分即可；7、所有長(zhǎng)方體垂直于裂紋方向的長(zhǎng)度可自行定義，方便網(wǎng)格劃分即可。如圖10、圖11所示，在本實(shí)施例中，建立六個(gè)長(zhǎng)方體22至27，長(zhǎng)方體22、23為靠近孔側(cè)的兩個(gè)長(zhǎng)方體，尺寸為4X4X9mm ;長(zhǎng)方體24、25為中間兩長(zhǎng)方體，尺寸為4X3X9mm ；長(zhǎng)方體26、27為遠(yuǎn)離孔邊的兩長(zhǎng)方體，尺寸為4 X 2 X 9mm。六個(gè)長(zhǎng)方體穿透實(shí)體模型21，長(zhǎng)方體22、23、24、25的接觸面包含結(jié)構(gòu)中5mm長(zhǎng)的裂紋面。(2)運(yùn)用布爾運(yùn)算中的體積交疊運(yùn)算將長(zhǎng)方體與實(shí)體模型交疊在本實(shí)施例中，將實(shí)體模型21與長(zhǎng)方體22至27進(jìn)行體積交疊。通過(guò)體積交疊運(yùn)算，各個(gè)體塊和實(shí)體模型之間沿彼此的相交面被分割，7個(gè)體塊變?yōu)?7個(gè)。(3)刪除多余子塊如圖12所示，將實(shí)體模型兩側(cè)多余的子塊刪除，剩余的部分為結(jié)構(gòu)體28和裂紋體29至34。剩余體塊加起來(lái)的尺寸和形狀與實(shí)體模型20相同，唯一區(qū)別是結(jié)構(gòu)體28和裂紋體29至34是實(shí)體模型20被分割之后的體塊。步驟3生成裂紋面(I)如圖13所示，將裂紋體子塊29和31復(fù)制，生成與其位置重合的子塊35和36。(2)刪除裂紋體子塊29和31,此時(shí),子塊35與子塊30、子塊36與子塊32之間為面一面接觸。(3)如圖14所示，dll至dl8為裂紋面上的點(diǎn)，dll至dl4點(diǎn)位置重合，dl5至dl8點(diǎn)位置重合;dll、dl5點(diǎn)屬于子塊35，dl2、dl6點(diǎn)屬于子塊30，dl3、dl7點(diǎn)屬于子塊36，dl4、dl8點(diǎn)屬于子塊32。如圖15所示，將dll與dl3，dl2與dl4，dl5與dl7，dl6與dl8分別合并，得到點(diǎn)d25至d28，d25和d27屬于子塊35和36共用點(diǎn)，d26和d28屬于子塊30和32共用點(diǎn)。(4)如圖16所示，dl9至d24為兩條裂紋的起裂點(diǎn)，dl9、d21、d23屬于子塊35，d20、d22、d24屬于子塊30。選擇結(jié)構(gòu)中所有的點(diǎn)后，取消對(duì)dl9至d24以及d25至d28的選擇；而后，使用有限元軟件中“合并相同位置的關(guān)鍵點(diǎn)”命令，即可將除dl9至至d28的所有相同位置的點(diǎn)合并。此時(shí)，除子塊35和子塊30以及子塊36和子塊32之間為面一面接觸外，其他體塊之間均共面。步驟4劃分并掃略網(wǎng)格(I)根據(jù)分析需要，設(shè)置網(wǎng)格劃分所使用的面單元類型和體單元類型。(2)如圖17所示，使用有限元軟件定義裂紋尖端在裂紋體一側(cè)外表面的點(diǎn)d29為應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)與d29同面的裂紋體子塊36、32、33、34表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(3)如圖18所示，設(shè)置網(wǎng)格掃略的層數(shù)(本實(shí)施例中掃略層數(shù)設(shè)為3)，選擇裂紋前沿線，將已劃分好的面網(wǎng)格沿裂紋前沿線進(jìn)行掃略。(4)刪除已劃分的裂紋體表面面網(wǎng)格，保留裂紋體的體單元?jiǎng)澐帧２襟E5 如圖19所示，使用體單元對(duì)結(jié)構(gòu)體及裂紋體子塊35、30進(jìn)行網(wǎng)格劃分。至此，含有锪窩孔孔邊單側(cè)穿透裂紋的實(shí)體有限元模型建立完畢。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于有限元軟件的孔邊三維裂紋建模方法，其特征在于，包括以下步驟: Al、生成裂紋體；生成裂紋體的目的是將整個(gè)實(shí)體模型進(jìn)行分割，把裂紋附近的局部結(jié)構(gòu)從整體結(jié)構(gòu)中區(qū)分出來(lái)；不含裂紋的整體結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)體，裂紋附近的局部結(jié)構(gòu)稱為裂紋體，裂紋體由兩排子塊構(gòu)成，各個(gè)子塊是構(gòu)造裂紋面和裂紋尖端的基礎(chǔ)，裂紋體鑲嵌在結(jié)構(gòu)體內(nèi)；對(duì)于通孔，單側(cè)裂紋裂紋體需要4個(gè)子塊，雙側(cè)裂紋裂紋體需要8個(gè)子塊；對(duì)于變截面孔，單側(cè)裂紋裂紋體需要6個(gè)子塊，雙側(cè)裂紋裂紋體需要10個(gè)子塊；建立兩排穿過(guò)實(shí)體模型的長(zhǎng)方體，運(yùn)用布爾運(yùn)算將長(zhǎng)方體與實(shí)體模型進(jìn)行體積交疊，通過(guò)體積交疊運(yùn)算，體塊和實(shí)體模型間沿彼此的相交面被分割，再將實(shí)體模型以外的體塊刪除，使保留的部分與原有實(shí)體模型外觀和尺寸相同，即可得到裂紋體與結(jié)構(gòu)體； A2、生成裂紋面:先將相鄰兩子塊中的一個(gè)進(jìn)行復(fù)制，再刪掉復(fù)制前的子塊，這樣，兩個(gè)有共用平面的子塊變?yōu)榱藘蓚€(gè)相互獨(dú)立子塊，之前的公用平面變?yōu)榱藘蓚€(gè)位置重合的獨(dú)立平面；而后，合并除裂紋起裂點(diǎn)外其他相同位置的點(diǎn)，保證了只有裂紋面可以張開(kāi)，且僅有Iv裂紋尖; A3、掃略網(wǎng)格:先將裂紋體的外表面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，并定義外表面裂紋尖端的奇異性，然后將劃分好的面網(wǎng)格按照裂紋尖端線的方向進(jìn)行掃略，即可將整個(gè)裂紋體的網(wǎng)格劃分完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于變截面孔的特殊處理:首先，在生成裂紋體時(shí)，需要建立額外的長(zhǎng)方體與結(jié)構(gòu)相交，使孔邊部分屬于單獨(dú)的子塊；其次，在生成裂紋面時(shí)，除裂紋起裂點(diǎn)外，還要防止兩個(gè)不同裂紋面上的點(diǎn)被合并，造成裂紋不能張開(kāi)；再次，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，包含孔邊的裂紋體子塊不參與網(wǎng)格掃略，可以將裂紋體的其他子塊先進(jìn)行掃略，孔邊的子塊的網(wǎng)格劃分可與結(jié)構(gòu)體一起進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于有限元軟件的孔邊三維裂紋建模方法，包括以下步驟A1、生成裂紋體；A2、生成裂紋面；A3、掃略網(wǎng)格先將裂紋體的外表面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，并定義外表面裂紋尖端的奇異性，然后將劃分好的面網(wǎng)格按照裂紋尖端線的方向進(jìn)行掃略，即可將整個(gè)裂紋體的網(wǎng)格劃分完畢。本發(fā)明應(yīng)用的建模方法如建立實(shí)體、體積交疊、網(wǎng)格掃略等均為通用方法，在大部分商用有限元軟件均可使用，在實(shí)際操作中通用性很強(qiáng)；本發(fā)明的整套建模思路可以在平面結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)類型下，建立圓孔、方孔、锪窩孔等等各類孔的孔邊三維穿透裂紋，在應(yīng)用領(lǐng)域上通用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103116682SQ201310079840
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者何宇廷, 張騰, 崔榮洪, 安濤, 張海威, 高潮, 丁華, 邵青, 侯波, 伍黎明 申請(qǐng)人:空軍工程大學(xué)