(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111461806.7 (22)申请日 2021.12.02 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114186456 A (43)申请公布日 2022.03.15 (73)专利权人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 郑勇刚　刘振海　胡志强　张洪武　 叶宏飞　张家永　章子健　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 苗青 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 17/13(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 113360992 A,2021.09.07 CN 110020478 A,2019.07.16 CN 112116128 A,2020.12.2 2 WO 2021169336 A1,2021.09.02 US 2006100795 A1,20 06.05.11 CN 113569442 A,2021.10.2 9 秦洪远等.基 于改进型近场动力学方法的复 合材料单向板变形与破坏分析. 《宇 航材料工 艺》 .2020,(第04期), 王涵等.非常规态型近场动力学 热黏塑性模 型及其应用. 《力学 学报》 .2018,(第04期), 沈峰等.冲击荷载作用下混凝 土结构破坏过 程的近场动力学模拟. 《工程力学》 .2012, 审查员 王海容 (54)发明名称 结构冲击弹塑性断裂分析的时间间断态基 近场动力学方法 (57)摘要 本发明属于计算力学领域， 提供了一种结构 冲击弹塑性断裂分析的时间间断态基近场动力 学方法， 该方法将时间间断的思想引入态基近场 动力学理论， 有效提高了近场动力学显式动力分 析的精度和准确预测结构断裂破坏的能力。 本发 明采用时间间断显式时程积分格式可以有效控 制传统时程积分方法带来的虚假数值振荡， 采用 非常规态基近场动力学模型简便全面地描述了 材料在冲击荷载下的复杂力学行为， 并通过多种 损伤断裂准则有效表征了结构的冲击断裂破坏 模式。 此外， 本发明还采用快速邻域搜索算法构 建物质点邻域并更新接触邻域， 提升了计算效 率。 本发明所提出的方法作为一种新的数值求解 格式， 可以通过简单修改原计算程序实现， 降低 了数值实施复杂度。 权利要求书6页 说明书12页 附图6页 CN 114186456 B 2022.06.14 CN 114186456 B 1.一种结构冲击弹塑性断裂分析的时间间断态基近场动力学方法， 其特征在于， 步骤 如下： 首先， 给出非常规态基近场动力学求解的基本格 式； 基于非常规态基近场动力学框架， 控制方程以积分 ‑微分方程的形式给 出， 其中， t表示时间， ρ 是密度， x是参考构型中的物质点， u是位移矢量， 是加速度， T是力 状态， b是给定的外力密度， Vx′是物质点x ’的体积， Hx是半径为δ 的物质点x的邻域； 定义ξ＝ x’ ‑x是参考构型中的相对位置， y和y ’是当前构型中物质点的位置， η＝u ’ ‑u是物质点x和x ’ 之间的相对位移； 在非常规态基近场动力学中力状态T与变形状态Y＝y ’ ‑y＝ η+ξ 并不平行； 非常规态基近场动力学将经典材料本构模型引入近场动力学框架， 它基于经典变形梯 度F的非局部表征， 其中， K是形状张量， 表示两矢量并乘， 这里物质点之间相互作用的程度由标量函数ω描述； 在连续介质力学中， 速度梯度从 变形梯度导出， 得到非局部变形梯度F和非局部速度梯度L后， 结合经典材料本构模型， 得到一系列应 力应变张量； 这样， 非常规态基近场动力学力状态为， 其中， Px表示物质点x的PK1应力， Kx表示物质点x的形状张量； 将式(5)代入式(1)， 控制方程写作， 该方程使用数值方法求解； 系统在空间上离散为Nx个物质点， xp的邻域有Np个物质点； 时域I＝[0， T]被均匀划分为Nt个区间， 离散时刻为tn＝nT/Nt， 其中n＝0， 1， …， Nt； 物质点xp 在tn时刻的控制方程(6)写为， 这里下标p和q表示 点的编号； 至此， 非常规态基近场动力学的求 解框架就建立 起来； 接着， 将经典材料本构关系引入非常规态基近场动力学求解框架； 由式(2)求得变形梯 度F后， 通过 计算出格林应变张量 εij； 其中δij为克罗内克尔符号， 这里的下标是张量的指标； 在得到 时间步n的格林应变张量εij后， 已知物理量是上一步中的格林应变张量 塑性应变张量 内变量 本步应变增量 这里上一步中的物理量用下标n ‑1标 出， 本步骤中的物理量在下标n中省略； 塑性问题的数值计算用返回映射算法， 其由两个步权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114186456 B 2骤组成， 弹性试验步假设材料具有弹性， 试应力 Cijkl表示弹性张量， 表示上一步应力张量， Δεkl表示本步应变增量； 此时的应力偏离该步骤的真实屈服 面， 然后使用径向返 回算法进行塑性校正， 将试应力拉 回到屈服面上； 对于J2流动理论的特 殊情况， 只有一个内部变量 屈服条件是 其中， sij是偏应力， 是等效塑性应变， σy是当前屈服应力； 径向返回算法一般使用循 环迭代判断的方法实现， 第k个迭代步的应力和塑性应 变的增量 为 其中， nij是屈服面的法向方向， 且 其中， G是剪切模量， Ep是塑性模量， fk是第k步的屈服函数值， 当|fk|＜TOL时迭代结束， 其中TOL为给定的迭代收敛容差； 根据Johnson和Cook提出的有关应变硬化、 应变率和热软化的流动应力 模型， 则应变率 效应必须包 含在冲击和爆炸问题的本构模型中， 其中， A、 B、 C、 m1和m2是Johnson ‑Cook模型的材料常数； 是塑性应变率， 是有效塑性 应变率， Tr和Tm是室温和熔化温度， T是当前温度； Joh nson‑Cook模型还 定义了物质点随时间 的累积损伤， 其中， 为等效塑性应 变增量， 当D＝1时物质点发生断裂； 是断裂的等效应 变， 其中， σm是三个法向应力的平均值， 是Mises等效应力， D1、 D2、 D3、 D4和D5是Johnson ‑ Cook损伤的材料常数； 通过损伤 来折减应力， 当损伤 参数D达到1时， 发生断裂； 断裂发生后， 偏应力置零； 如果球 应力为正， 则再将球 应力置零； 最后， 导出时间间断态基近场动力学的基本格 式； 在时间间断伽辽金方法中， 允许未知 场函数在相邻时间 间隔之间 间断； 函数w(t)在时间域的阶跃定义 为， 其中， 是间断算子符号； 对 于任意的时间间隔In， 其初时刻和末时刻分别为tn和tn+1， 位移u和速度v分别基于三次 Hermite函数和线性 函数进行插值，权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114186456 B 3