显隐式算法结合的脆性材料准静态破坏的仿真预测方法

摘要

本发明提出显隐式算法结合的脆性材料准静态破坏的仿真预测方法。所述方法包括：建立有限元分析模型，设置隐式计算分析步；编写子程序，并将其导入到隐式计算仿真过程中，得到从加载开始到脆性材料即将破坏的时间；停用子程序，将现象时间调整为从加载开始到脆性材料即将破坏的时间，重新进行隐式计算仿真过程，输出加载点的载荷曲线，确定脆性材料在准静态加载情况下的破坏载荷，保存加载隐式计算的结果并传递到显式分析中，进行脆性材料准静态加载破坏的分析；根据分析结果对脆性材料准静态破坏特性进行预测。本发明可以解决隐式分析方法在脆性材料破坏阶段难以收敛的问题，同时在计算效率上也有极大的提升。

说明书

技术领域

本发明涉及脆性材料准静态加载破坏分析领域，具体涉及显隐式算法结合的脆性材料准静态破坏的仿真预测方法。

背景技术

脆性材料的准静态加载状态，是指脆性材料的某一点或某一区域受到随时间变化的载荷，且载荷加载速度较为平缓的状态。脆性材料的准静态性能主要是以破坏的峰值载荷确定的，而这一变量受到脆性材料结构的影响。目前在脆性材料以及相关结构的准静态加载分析方面，都没有脆性材料准静态破坏特性的预测分析。使用有限元方法对脆性材料准静态加载破坏分析，对进一步深入地，高效率地研究及预测脆性材料的准静态破坏特性有着重要意义。

随着有限元分析技术的逐渐成熟，关于脆性材料的准静态加载以及破坏仿真技术已经愈加成熟，对于脆性材料的整个准静态加载过程，都可以使用适合于加速度变化不大的隐式算法来分析；对于脆性材料的破坏现象仿真，在脆性材料中插入内聚力模型以模拟裂纹，即达到内聚力模型的破坏强度也就是脆性材料的破坏强度时内聚力单元会失效并删除以模拟裂纹的方法已经使用，并得到了较好的结果。

但纯隐式分析脆性材料准静态破坏存在两个问题，一个是当脆性材料达到破坏载荷之后，因为脆性材料尤其是玻璃的破坏阶段的时间往往不超过1ms(GiulioCastori.Structural analysis of failure behavior of laminated glass[J].Composites Part B.2017)，破坏阶段的计算极难收敛，就算是收敛了，计算时间也会十分漫长；同时，在ABAQUS中，虽然能够通过设置接触稳定控制使整个破坏阶段的计算收敛，但由于ABAQUS的接触稳定控制的机制是通过调整接触对的接触阻尼使破坏阶段计算收敛，而破坏阶段是一个时间极短的非线性阶段，在这一阶段接触稳定控制会自动将接触阻尼变大，这样会导致破坏阶段的分析结果严重失真。

同时，若使用纯显式方法来分析脆性材料的准静态加载破坏过程，由于加载阶段的时间往往在数秒甚至是数十秒，那么计算时间会非常之多，会使得计算效率极低。

ABAQUS有限元分析软件可以实现隐式计算步和显式计算步之间的数据传输，并且显式计算更适合现象时间极短的的分析，那么对于分析脆性材料准静态加载破坏问题，可以将脆性材料的加载阶段使用隐式算法分析，并将加载过程的结果传输到显式计算中分析脆性材料的破坏阶段；同时，ABAQUS具有多种子程序接口，其UVARM子程序可以提取单元的应力，可以使用UVARM子程序提取脆性材料内聚力单元的应力，当脆性材料加载即将破坏时启动子程序将计算停止，并进行数据传输工作。

发明内容

本发明提出一种使用显隐式算法相结合的分析脆性材料准静态加载情况的仿真方法，在脆性材料的加载阶段分析中使用隐式算法分析，同时插入子程序，当脆性材料即将破坏时子程序启动停止计算，将隐式分析步的现象时间调整到上次计算停止时的现象时间并停用子程序，完整分析脆性材料的加载阶段后再将计算数据传输到显式计算步中分析玻璃破坏阶段。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

显隐式算法结合的脆性材料准静态破坏的仿真预测方法，包括以下步骤：

S1、在ABAQUS中建立脆性材料准静态加载破坏的有限元分析模型，设置隐式计算分析步，并将ABAQUS、Visual Studio 2012和Intel Fortran XE 2013进行关联；

S2、编写判定脆性材料是否即将发生破坏的ABAQUS子程序，并将其导入到脆性材料准静态加载的隐式计算仿真过程中，当脆性材料即将发生破坏时，子程序启动停止计算的命令，得到从加载开始到脆性材料即将破坏的时间；

S3、停用步骤S2中的ABAQUS子程序，在ABAQUS中将步骤S1中设置的隐式计算分析步中的现象时间调整为步骤S2中所得到的从加载开始到脆性材料即将破坏的时间，重新进行脆性材料准静态加载的隐式计算仿真过程，分析这段时间内脆性材料加载的情况，输出加载点的载荷曲线，确定脆性材料在准静态加载情况下的破坏载荷，同时保存加载隐式计算的结果；

S4、将加载隐式计算的结果数据传递到显式分析中，进行脆性材料准静态加载破坏的分析；

S5、根据步骤S4中的分析结果对脆性材料准静态破坏特性进行预测。

进一步地，步骤S1中，使用ABAQUS软件建立脆性材料准静态破坏的三维立体模型并划分有限元网格，将三维立体模型赋予材料属性、相关接触以及边界条件，完成脆性材料准静态加载破坏的有限元分析模型的建立。

进一步地，步骤S1中，隐式计算分析步中的现象时间即加载过程的物理时间足够长。

进一步地，步骤S2中，从加载开始到脆性材料即将破坏的时间的确定方法具体如下：

在加载隐式计算过程中，每完成一个时间步长的计算，便获取脆性材料内聚力单元的截面等效拉应力，其中内聚力单元模拟裂纹的机理是基于断裂力学理论；在断裂力学中，材料的破坏有I型破坏、II型破坏和III型破坏；脆性材料的破坏为典型的拉伸断裂，而I型破坏为张开型破坏，是由截面等效拉应力引起的拉伸破坏，则可将每完成一个时间步长的计算所获取的玻璃内聚力单元的截面等效拉应力与ABAQUS子程序中设定的断裂应力标准相比较，当获取的脆性材料内聚力单元的截面等效拉应力大于或等于子程序设定的断裂应力标准时停止计算，便可确定从加载开始到脆性材料即将破坏的时间。

进一步地，步骤S3中保存的加载隐式计算的最终结果是脆性材料在隐式加载阶段计算的最终状态，同时也是步骤S4中进行脆性材料准静态加载破坏的分析的初始状态。

进一步地，步骤S4中，使用ABAQUS自带的显式算法进行脆性材料准静态加载破坏的分析。

进一步地，步骤S5中，得到步骤S4中的仿真分析结果后，将仿真结果与试验结果进行对比分析，从而能准确预测脆性材料的准静态破坏特性，进而能进一步深入地，高效率地研究及预测脆性材料的准静态破坏特性。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明使用显式算法分析脆性材料破坏阶段，不仅能解决纯隐式分析脆性材料准静态加载破坏阶段的收敛问题，同时大大提高了计算效率以及提高脆性材料破坏分析的计算精度。

附图说明

图1为本发明实施例中纯玻璃三点弯曲模型示意图；

图2为本发明实施例中玻璃内聚力模型截面等效拉应力和剪应力设置示意图；

图3为本发明实施例中关联Intel Fortran XE 2013和Visual Studio 2012示意图；

图4为本发明实施例中关联ABAQUS 2016与Intel Fortran XE 2013示意图；

图5为本发明实施例中设置子程序需要调用的变量示意图；

图6为本发明实施例中在创建Job时插入子程序示意图；

图7为本发明实施例中当玻璃即将破坏时停止计算示意图；

图8为本发明实施例中删除子程序调用变量的设置示意图；

图9为本发明实施例中加载阶段结束应力云图；

图10为本发明实施例中破坏阶段开始应力云图；

图11为本发明实施例中仿真裂纹示意图；

图12为本发明实施例中载荷-位移曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。

实施例：

本实施例中，以在ABAQUS 2016环境下分析尺寸为120mm×20mm×3mm的纯玻璃的三点弯曲为例，显隐式算法结合的脆性材料准静态破坏的仿真预测方法，包括以下步骤：

步骤1：纯玻璃三点弯曲模型建模。

本实施例中，纯玻璃三点弯曲有限元模型如图1所示，由于模型关于xy平面对称，所以只取1/2模型以提高计算效率；内聚力模型的等效应力设置如图2所示。

步骤2：将ABAQUS 2016、Intel Fortran XE 2013、Visual Studio 2012三者关联。

ABAQUS 2016调用一个子程序之前需要编译，同时ABAQUS的子程序接口都使用Fortran 77语言，编写子程序使用Visual Studio 2012，所以必须要将ABAQUS 2016、IntelFortran XE 2013、Visual Studio 2012三者关联，在插入子程序时方可正常编译。

关联步骤如下：

本实施例中，系统为64位系统，则打开所有程序→Intel Parallel Studio XE2013→Command Prompt→Parallel Studio XE with Intel Compiler XE v14.0 Update1→Intel 64Visual Studio 2012mode，打开后输入命令％comspec％/k“(vcvarsall.bat文件的位置)”x86_amd64并运行，以关联Intel Fortran XE 2013和Visual Studio 2012，如图3所示；

如图4所示，编辑ABAQUS 2016安装目录的abq2016.bat和launcher.bat文件，在原有的基础上加入两行命令：

call“(vcvarsall.bat文件的位置)”x86_amd64；

call“(ifortvars.bat文件的位置)”intel64 vs2012。

这两行命令的作用是将ABAQUS分别与Visual Studio 2012以及Intel FortranXE 2013关联。

步骤3：编写UVARM子程序。

本实施例中，由于玻璃是脆性材料，并且玻璃的破坏多数情况下是拉伸破坏，所以可以使用第一强度理论作为判断计算是否停止的标准，子程序的编写方法为：按照ABAQUS的UVARM子程序所规定的格式编写好子程序的框架，在这个框架中编写获取内聚力单元x方向上的截面等效正应力的命令以及判断当内聚力单元的等效截面正应力大于或等于破坏应力标准时停止计算的语句。

本实施例中，由于ABAQUS的子程序的语法都是Fortran 77语法，所以编写后的子程序要保存为.for文件，ABAQUS才能调用子程序。

步骤4：添加一个现象时间足够长的加载隐式分析，同时插入子程序。

插入UVARM子程序之前必须先确定子程序获取模型单元的范围，本实施例中，子程序获取模型单元的范围是整个玻璃的内聚力单元，所以要在内聚力材料属性定义部分加上“User Output Variable”的设置以确定子程序获取模型单元是内聚力单元，同时设置需要调用的变量，本实施例中，由于子程序仅需要调用一个变量，所以变量数设置为1，如图5所示。

在提交算例前，在Job模块中导入步骤3中生成的子程序文件，如图6所示；当玻璃即将破坏时子程序停止计算的命令启动，如图7所示。

步骤5：将加载隐式分析的现象时间调整到步骤4中计算停止时的现象时间，删除子程序调用变量的设置，并启动重启动设置，再次计算。

在ABAQUS中，隐式计算和显式计算不能无缝对接，所以步骤5是必不可少的一步，目的就是要将加载阶段的计算结果保存以便作为破坏阶段的初始状态。在此之前需要将子程序调用变量的设置删除，如图8所示。

步骤6：将步骤5的加载隐式分析计算数据传递到显式分析中，进行玻璃的破坏显式分析。

本实施例中的加载过程隐式分析结束的等效应力计算结果、破坏过程显式分析初始的等效应力分布以及破坏阶段仿真裂纹如图9、图10、图11所示。由图9和图10对比可知加载过程隐式分析结束后的等效应力分布和破坏过程显式分析初始的等效应力分布是相同的，应力区间数值的误差远小于1％，说明加载隐式分析计算数据已经传输成功；图11所显示的仿真破坏模式是玻璃中线处一条裂纹，符合脆性材料在三点弯曲加载状态下破坏时理论上只有在等效应力最大的地方有一条破坏裂纹的破坏模式。

纯隐式和隐式-显式分析的加载-破坏过程的载荷-位移曲线如图12所示。在图12中，使用隐式-显式分析的加载-破坏过程的载荷-位移曲线和试验的载荷-位移曲线具有高度的一致性，尤其是破坏过程曲线的一致性比纯隐式分析的载荷-位移曲线更高，说明计算精度上隐式-显式分析方法比纯隐式分析方法更高。

下表为纯隐式方法分析和隐式-显式结合方法分析玻璃准静态加载破坏的时间对比：

表1

可以看出使用隐式-显式分析玻璃准静态加载破坏相比纯隐式分析的分析效率会大大提高。