FEM与颗粒DEM动态耦合算法研究及在脆性材料冲击破坏仿真分析的应用

本项目拟研究有限元与颗粒离散元动态耦合算法，以充分利用有限元的计算效率和离散元能够描述裂口的发生发展和碎片飞散现象的特点，完整而迅速地实现脆性材料的破坏仿真分析。首先，研究分区域耦合算法。从连续介质力学基本原理出发，结合变分原理和罚函数法建立分区域耦合算法的控制方程的弱形式，重点解决离散元域和有限元域之间的力学信息传递方法。然后，根据脆性材料冲击过程破坏通常是在局部区域产生且位置无法预测的特点，提出有限元与颗粒离散元动态耦合算法。该算法在有限元计算的基础上，自动将即将发生破坏的区域中的有限单元置换为离散单元进行计算，实现离散元求解区域的最小化，从而极大地提高仿真分析效率。以上理论成果均通过软件实现，并通过与不同数值方法和夹层玻璃冲击破坏实验的比较对其精度和有效性进行验证。

针对有限元方法难以描述汽车前挡玻璃等脆性材料冲击破坏现象的现状，本项目提出使用离散元与有限元耦合分析方法，在破坏发生区域使用离散元描述裂口发生、发展和碎片飞散，非破坏区域使用有限元方法提高计算效率，在离散元区域与有限元区域界面使用罚函数方法进行耦合计算以实现力和位移等信息在界面的传递。本项目完成了固定界面离散元与有限元层间耦合方法和面内耦合方法、动态耦合方法、离散元与有限元接触方法等的理论研究、软件开发和实验验证，获得了有效快捷的脆性材料冲击破坏现象的数值分析方法和仿真分析软件CDFP (combined discrete/finite element program)。此外，为适应面内耦合方法，提出了新的立方体排列颗粒离散元模型；开发了基于内聚单元方法的离散单元破坏模型，以描述冲击破坏过程裂纹的发生及扩展现象。开发了可调高应变拉伸试验装置，对PVB材料物性随应变速度变化规律进行了系统研究。以上成果为包括前挡玻璃冲击破坏现象在内的脆性材料破坏仿真研究新的方法和手段。作为本项目的延伸，利用离散元与有限元耦合方法开展了越野车辆松软路面行驶性能的初步研究；利用离散单元间接触搜索的盒子搜索方法，开发了一种新的有限元接触搜索方法。. 到目前为止，共发表6篇（含已接受论文2篇），其中SCI源刊论文3篇，EI源刊论文3篇；已投稿和拟投稿SCI源刊论文3篇；申报发明专利2个，获得实用新型专利授权1个和软件著作权1个。