(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111655933.0 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 中国科学院力学研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路15 号 (72)发明人 朱心广　冯春　李世海　王心泉　 程鹏达　范永波　张丽　 (74)专利代理 机构 北京和信华成知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11390 代理人 焦海峰 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种模拟裂纹自适应扩 展的数值 算法 (57)摘要 本发明公开了一种模拟裂纹自适应扩展的 数值算法， 步骤S1、 根据裂纹拓展的目标问题确 定出求解区域， 以及将求解区域中裂纹未扩展的 区域作为连续求解域， 再利用克隆点技术在连续 求解域内进行裂纹拓展的求解计算； 步骤S2、 在 连续求解域内的网格上作用最大拉应力和Mohr ‑ Coulomb复合强度准则， 以作为裂纹萌生以及扩 展方向的依据， 并在裂缝萌生的区域进行网格重 构； 步骤S3、 采取空间映射技术将原有网格信息 继承至新生成 网格当中， 并在新增裂纹面处设置 接触面， 通过在接触面内增加法向和切向弹簧进 行裂纹面的力学特征描述。 本发 明实现了裂缝的 动态扩展过程模拟， 克服了裂缝扩展路径受制于 初始网格拓扑的问题， 实现了裂缝扩展方向的精 确模拟。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114330065 A 2022.04.12 CN 114330065 A 1.一种模拟裂纹自适应扩展的数值 算法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S1、 根据裂纹拓展的目标问题确定出求解区域， 并将求解区域离散为数值网格， 以 及将求解区域中裂纹未扩展的区域作为连续求解域， 再利用克隆点技术在连续求解域内进 行裂纹拓展的求 解计算； 步骤S2、 在连续求解域内的网格上作用最大拉应力和Mohr ‑Coulomb复合强度准则， 以 作为裂纹萌生以及扩展方向的依据， 并在裂缝萌生的区域内选取一个设定范围， 将设定范 围内的原有网格删除， 再在删除区域中沿新增裂纹的边界进行网格重构； 步骤S3、 采取空间映射技术将原有网格信息继承至新生成网格当中， 并在新增裂纹面 处设置接触面， 通过在接触面内增 加法向和 切向弹簧进行裂纹面的力学 特征描述。 2.根据权利要求1所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于， 所述求解 区域的数值网格是由对目标问题的几何模型采用网格剖分算法建立的数值模型中直接确 定得到， 网格剖分算法包括但不限于Delaunay方法、 波前法、 栅格法。 3.根据权利要求1所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于： 所述利用 克隆点技术在连续 求解域内进行裂纹拓展的求 解计算， 包括： 将空间位置相同的数值网格的所有网格单元节点量化为统一的网格单元节点作为克 隆点， 并将空间位置相同的数值网格的所有网格单 元节点的质量之和作为克隆点的质量； 根据有限元计算每个网格单元的节点变形力Fe， 将同一位置的节点变形力求和得克隆 点变形力 结合克隆点外力Fext可计算克隆点 合力Ftol； 根据克隆点合力与质量的比值获取当前时刻克隆点加速度， 由动态显式迭代技术可分 别计算克隆点速度和位移； 连续求解域的变形 特征由所有克隆点的位移状态 表征。 4.根据权利要求3所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于： 所述在连 续求解域内的网格上作用最大拉应力和Mohr ‑Coulomb复合强度准则， 包括： 根据最大拉应力准则判断网格单 元节点是否拉伸破坏， 其中， 若为拉伸破坏， 裂纹扩展方向与网格单 元节点最大主应力方向垂直； 若未拉伸破坏， 则根据Mohr ‑Coulomb准则判断网格单 元节点是否 剪切破坏， 其中， 若为剪切破坏， 裂纹的扩展方向与网格单元节点最小主应力方向的夹角为(45 °+φ/ 2)， 式中φ为岩体内摩擦角。 5.根据权利要求4所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于： 所述在删 除区域中沿新增裂纹的边界进行网格重构， 包括： 设定预设长度， 沿新增裂缝方向延长预设长度的网格特征尺寸确定为圆心坐标， 以预 设长度为圆半径沿圆心坐标3 60度旋转得到的范围作为所述设定范围； 删除网格单元体心坐标位于所述设定范围内的网格， 并将删除网格后的设定范围作为 所述删除区域以进行沿新增裂纹的边界的网格重构。 6.根据权利要求5所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于： 所述空间 映射技术建立重构后的网格与原有网格之间的空间位置关系。 7.根据权利要求6所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于： 所述网格 信息继承包括： 网格单元信息继承和网格单元节 点信息继承， 其中， 所述网格单元信息继承 包括：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114330065 A 2当重构后的网格单元的体心坐标位于重构前的网格单元中， 则 两个单元建立空间 映射 关系， 将重构前的单 元材料参数及应力应 变信息直接继承至 重构后的网格单 元中； 当重构后的网格单元的体心坐标不位于重构前的网格单元中， 则 两个单元不建立空间 映射关系， 无需将重构前的单元材料参数及应力应变信息直接继承至重构后的网格单元 中。 8.根据权利要求7所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于， 所述节点 信息继承 包括： 当重构后的网格单元节点位于重构前的网格单元中， 则网格单元节点与重构前网格单 元建立空间映射关系， 将重构前的网格单元各节点信息通过形函数插值形式继承至重构后 的网格单 元节点中； 当重构后的网格单元节点不位于重构前的网格单元中， 则网格单元节点与重构前网格 单元不建立空间映射关系， 无需将重构前的网格单元各节点信息通过形函数插值形式继承 至重构后的网格单 元节点中。 9.根据权利要求8所述的一种 模拟裂纹自适应扩展的数值算法， 其特征在于， 所述在接 触面内增 加法向和 切向弹簧进行裂纹面的力学 特征描述， 包括： 式中， Δun,Δuτ分别表征为法向位移和切向位移； Fn,Fτ分别表征为法向力和切向力； σn1, σn2表征为接触点对的法向应力； στ1, στ2表征为接触点对的切向应力； Kn,Kτ分别表征为 弹簧的法向刚度和 切向刚度； A 表示接触点对的面积。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114330065 A 3