本發(fā)明通常涉及一種計(jì)算機(jī)輔助工程分析，更具體地，涉及一種提供在多個離散顆粒中的顆粒連接模型，該顆粒連接模型代表在時間推進(jìn)模擬中的由脆性材料構(gòu)成的物理定義域，用于獲得數(shù)值上模擬的物理現(xiàn)象。

背景技術(shù)：
許多現(xiàn)代工程分析在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的協(xié)助下執(zhí)行。這種計(jì)算機(jī)輔助的工程（CAE）分析中的一種被稱作離散單元法（DEM），其通常用于從數(shù)值上模擬大量的離散顆粒的運(yùn)動。隨著用于最近鄰域分類的計(jì)算能力和數(shù)值算法的進(jìn)步，從數(shù)值上模擬數(shù)以萬計(jì)的顆粒成為可能。如今，DEM正作為一種解決在粒狀和非連續(xù)材料中的工程問題的有效方法被廣泛地接受，特別是在顆粒流、粉粒體力學(xué)和巖石力學(xué)中。經(jīng)典力學(xué)以在假設(shè)物質(zhì)的連續(xù)分布的定義域上解決偏微分方程（PDE）為基礎(chǔ)，包括有限元法、邊界積分法、無網(wǎng)格法等。在其他學(xué)科中，分子動力學(xué)（MD）已經(jīng)被用于確定作用力和能量的原子和分子，用于從納米級別到微觀層面的模擬，但這對于宏觀層面的模擬是不適合的。相反，DEM提供不需要用于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的PDE公式的不同方法。然而，在現(xiàn)有方法中存在缺陷或缺點(diǎn)。具體地，不存在用于在連續(xù)介質(zhì)已經(jīng)被損害后連結(jié)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和破碎顆粒的集成技術(shù)。已經(jīng)提出了許多特別的方法，但這些現(xiàn)有技術(shù)中沒有一項(xiàng)是令人滿意的。例如，其中一個現(xiàn)有技術(shù)假定作用在顆粒上的作用力僅僅是軸向的，因此不能夠正確地模擬具有任何相對的剪切變形或橫向變形的定義域。因此，需要提供一種在多個離散顆粒中的改良的模型，該模型代表在時間推進(jìn)模擬中的由脆性材料構(gòu)成的物理定義域，用于獲得數(shù)值上地模擬的連續(xù)物理現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明公開了一種在多個離散顆粒中的顆粒連接模型，該顆粒連接模型代表在時間推進(jìn)模擬中的由脆性材料構(gòu)成的物理定義域，用于獲得數(shù)值上地模擬的連續(xù)物理現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，物理定義域由多個離散顆粒代表。影響域由每個離散顆粒指定，并且形成用于該離散顆粒的顆粒連接模型。建立各個結(jié)點(diǎn)以將每個離散顆粒在它的影響域之內(nèi)連接到所有其他的離散顆粒上。該顆粒連接模型還定義了結(jié)點(diǎn)的斷裂的規(guī)則。物理定義域的連續(xù)物理現(xiàn)象（例如，力學(xué)性能）數(shù)值上通過一組公式代表（即，用該顆粒連接模型支配離散顆粒），以使得物理定義域的時間推進(jìn)模擬能夠被執(zhí)行。物理特性包括材料特性和斷裂能釋放速率。該套公式用于計(jì)算在每對離散顆粒之間的作用力，以及物理定義域的勢能。物理定義域的動量守恒和能量平衡被保存。最終，顆粒連接模型允許每個離散顆粒的尺寸和定向的變換。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的顆粒連接模型以由具有以下特征的多個離散顆粒所代表的材料的物理特性為基礎(chǔ)：1）在每對離散顆粒之間的結(jié)點(diǎn)的特性通過材料常數(shù)確定，包括：體積彈性模量、剪切模量和密度。結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度以斷裂能釋放速率的形式的材料的斷裂韌度為基礎(chǔ)；2）所有的離散顆粒能夠自由地在該物理定義域中單獨(dú)移動；3）在顆粒連接模型中不存在差分操作（即，沒有PDE）；并且4）為了計(jì)算效率，在顆粒連接模型中不存在積分運(yùn)算。本發(fā)明的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將在結(jié)合附圖審閱下文中對其實(shí)施方式的詳細(xì)說明后變得顯而易見。附圖說明通過下文的說明、附加權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解，附圖中：圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的、提供用于數(shù)值上模擬連續(xù)物理現(xiàn)象的在多個離散顆粒之中的顆粒連接模型的示意性過程的流程圖。圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的、在時間推進(jìn)模擬中的示意性的離散顆粒的尺寸和定向的變化的二維示圖。圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的、在時間推進(jìn)模擬中的示意性的離散顆粒的兩個示意性的位置的二維示圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的、第一示意性的離散顆粒的示意性的影響域的二維示圖；圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的、第二示意性的離散顆粒的另一示意性的影響域的二維示圖；圖6A為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的、基于顆粒連接模型的離散顆粒的第一示意性構(gòu)造的二維示圖；圖6B為示出圖6A中的離散顆粒的第二示意性構(gòu)造的二維示圖；圖7為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的、示意性三維離散顆粒（即，球體）的示圖；圖8為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的代表示意性物理定義域的多個離散顆粒的二維示圖；圖9為示出根據(jù)本發(fā)明的可被實(shí)現(xiàn)的實(shí)施方式的計(jì)算裝置的突出部件的方塊圖。具體實(shí)施方式首先參見圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的、提供在多個離散顆粒之中的顆粒連接模型用于數(shù)值上獲得連續(xù)物理現(xiàn)象的示意性過程100的流程圖，該多個離散顆粒代表由在時間推進(jìn)模擬中的脆性材料構(gòu)成的物理定義域。過程100在軟件中實(shí)現(xiàn)并且優(yōu)選地結(jié)合其他附圖被理解。過程100以步驟102中的接收多個離散顆粒的定義開始，該多個離散顆粒代表由脆性材料制成的物理定義域。物理定義域能夠具有任何的尺寸或形狀。圖8示出代表物理定義域800（不規(guī)則幾何形狀）的多個離散顆粒802（圓或盤）。為了便于說明，在此使用的所有例子為二維的并且顆粒為圓形或球形的。然而，本發(fā)明能夠應(yīng)用到在二維或三維的物理定義域。并且離散顆粒能夠具有除了圓形或球形的其他不同的幾何形狀（例如，矩形、立方體等）。雖然圖8的離散顆粒802均勻地布置，但在本發(fā)明中這不是必須的。離散顆粒的任何其他放置同樣能夠代表物理定義域。離散顆粒的定義包括每個離散顆粒的初始位置、定向和尺寸。圖2示出具有第一定向202（由實(shí)線箭頭表示）和第二定向212（由虛線箭頭表示）的示意性的離散顆粒（即，實(shí)線圓200）。第一和第二定向代表離散顆粒在時間推進(jìn)模擬中的兩個不同的定向，其最初在零時刻開始，并在未來時間終止。例如，第一定向能夠?yàn)樵诹銜r刻“t0”的初始定向，而第二定向能夠?yàn)樵诹硪粫r刻“t“的定向。或者，它們能夠?yàn)樵趦蓚€不同時刻“t1”和“t2”的兩個不同的定向。相對旋轉(zhuǎn)角ω222在第一和第二定向之間。在圖2中還示出示意性離散顆粒的第一和第二尺寸。第一尺寸以實(shí)線圓200示出而第二尺寸以虛線圓210示出。在該實(shí)例中，第二尺寸210比第一尺寸200大（即，膨脹）。第二尺寸能夠比第一尺寸?。矗湛s）（未示出）。膨脹/收縮角θ200表示在第一和第二尺寸之間的不同。在圖3中示出的為在總坐標(biāo)系中的示意性的離散顆粒的第一位置300和第二位置310。能夠使用已知的設(shè)計(jì)代表該位置。例如，矢量r301為在笛卡爾坐標(biāo)系330中測量的第一位置300，而運(yùn)動矢量u311代表相對于該第一位置300的第二位置310。再次參照圖1，在步驟104中，影響域指代每個離散顆粒。這能夠通過為每個離散顆粒指定特征尺寸而完成。對于圓形或球形定義域，特征尺寸能夠?yàn)榘霃?。圖4示出，第一示意性離散顆粒400（黑色實(shí)心圓）指定影響域（虛線圓區(qū)域404）。設(shè)置在影響域404內(nèi)的離散顆粒為實(shí)線圓402，而設(shè)置在影響域404外的離散顆粒為虛線圓412。在該實(shí)例中，特征尺寸為影響域404的半徑414。應(yīng)當(dāng)指出，影響域?yàn)轶w積而不是在三維中的區(qū)域。影響域404用于顆粒連接模型以限制任何給定的離散顆粒的鄰近離散顆粒的數(shù)量。特征尺寸對于所有離散顆粒能夠?yàn)楹愣ǖ幕蛘邔τ诿總€單獨(dú)的離散顆粒為不同的。在圖7中示出示意性的三維離散顆粒（即，球形700）。第二示意性的離散顆粒500指定在圖5中的影響域504。類似地，設(shè)置在定義域504外的離散顆粒為虛線圓512，而設(shè)置在定義域504內(nèi)的離散顆粒為實(shí)線圓502。應(yīng)當(dāng)指出，在圖4和圖5中的一組離散顆粒為完全相同的。每個離散顆粒（例如，顆粒400和500）具有它自身的影響域。在影響域已經(jīng)被指定后，用于離散顆粒的顆粒連接模型在步驟106中與物理定義域的物理特性關(guān)聯(lián)。顆粒連接模型建立各個結(jié)點(diǎn)以將每個離散顆粒在它的影響域內(nèi)與所有其他的離散顆粒連接。通過材料特性確定結(jié)點(diǎn)，例如，體積彈性模量、剪切模量、材料密度和斷裂韌度。此外，顆粒連接模型定義了結(jié)點(diǎn)斷裂的規(guī)則。物理定義域的物理特性包括該物理定義域的材料的材料特性和斷裂能釋放速率。圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的、基于顆粒連接模型的感興趣離散顆粒“Pi”620的第一示意性構(gòu)造。為便于說明，第一示意性構(gòu)造描繪了經(jīng)由各個結(jié)點(diǎn)621連接至離散顆?！癙i”620的三個其他的離散顆?！癙j”628。在離散顆粒“Pi”620的影響域內(nèi)能夠存在大于或小于三個的其他離散顆?！癙j”628。離散顆粒“Pi”620的位置由矢量“ri”622指定，而每個其他的離散顆粒的位置由矢量“rj”624指定。第一構(gòu)造能夠?yàn)樵谖锢矶x域的時間推進(jìn)模擬中的特定時間的片段。在圖6B中示出第二示意性構(gòu)造。該第二示意性構(gòu)造處于在第一示意性構(gòu)造之后的時間處。相應(yīng)的感興趣離散顆粒“Pi”630和其他的離散顆?！癙j”638與各個結(jié)點(diǎn)631連接。兩個位置矢量“ri”632和“rj”634用于新的位置。應(yīng)當(dāng)指出，每個離散顆粒的定向和尺寸（在圖6B中由虛線指定）在第一和第二構(gòu)造中為不同的。結(jié)點(diǎn)621、631相應(yīng)地被調(diào)節(jié)并且服從在下面的段落中闡述的數(shù)學(xué)公式組中定義的斷裂規(guī)則。每個離散顆粒具有它自己的作為初始狀態(tài)的初始位置、定向和尺寸（例如，在三維中的體積或在二維中的區(qū)域）。為在影響域404中的每對顆粒形成結(jié)點(diǎn)。例如使用圓，影響域的半徑R414為特征尺寸或影響距離。在時間推進(jìn)模擬中的變形之后，每個離散顆?？赡芤呀?jīng)移動至第二位置（運(yùn)動u311）、第二定向（旋轉(zhuǎn)角ω222）和/或第二尺寸（膨脹/收縮θ220）。在下文中定義了對于物理定義域（即，特殊的材料）的顆粒連接模型：1、材料特性：2、在影響域中的每個離散顆粒“i”（“Pi”620）以及他的鄰近離散顆?！癹”（“Pj”628）影響距離R（特征尺寸414）初始影響體積當(dāng)前影響體積顆粒常數(shù)（3-D）ck=8(3K-2G)/Rcs=8G/R顆粒常數(shù)（2-D）ck=6E/(1-v)/Rcs=12G/R臨界能量密度（3-D）wcs=5Gc/Rwck=wcs/4臨界能量密度（2-D）wcs=3/2πGc/Rwck=wcs/5其中，為最初離散顆?！癷”的影響域，而為之后的時間中的影響域。Vj為設(shè)置在影響域內(nèi)的各個離散顆粒的體積。1、在鄰近離散顆粒之間的相互作用包括：1）膨脹2）旋轉(zhuǎn)3）變形分解4）在每個離散顆粒上的作用力5）變形能密度6）結(jié)點(diǎn)的斷裂的規(guī)則——如果到達(dá)以下臨界值時，結(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂：當(dāng)結(jié)點(diǎn)被拉伸時當(dāng)結(jié)點(diǎn)被壓縮時斷裂能釋放率Gc為在新形成的斷裂表面區(qū)域的每個單元的斷裂期間消散的能量并且能夠經(jīng)由已知技術(shù)獲得，例如，經(jīng)由材料特性測試獲得。再次參照圖1，在步驟108中，過程100獲得在加載條件下的物理定義域的數(shù)值上模擬的連續(xù)物理現(xiàn)象（例如，脆性材料的破裂），該加載條件通過使用多個離散顆粒和相關(guān)的顆粒連接模型執(zhí)行時間推進(jìn)模擬而獲得。該時間推進(jìn)模擬在零時刻開始（即，初始條件）并且在許多解周期的每一個中隨著時間增量而推進(jìn)直至滿足預(yù)定條件。每個解周期對應(yīng)特定的時間。離散顆粒的行為通過顆粒連接模型支配。根據(jù)一個方面，本發(fā)明旨在一種或更多種能夠?qū)崿F(xiàn)在此描述的功能性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在圖9中示出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900的實(shí)例。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900包括一個或更多個處理器，例如，處理器904。處理器904連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信總線902。針對該示意性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述了多種軟件實(shí)施方式。在閱讀本說明后，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是如何使用其他的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和/或計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900還包括主存儲器908，優(yōu)選地，為隨機(jī)存儲器（RAM），并且還可包括輔助存儲器910。輔助存儲器910可包括，例如，一個或更多個硬盤驅(qū)動器912和/或一個或更多個移動存儲驅(qū)動器914，例如軟磁盤驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器。移動存儲驅(qū)動器914以已知的方式從移動存儲單元918讀取數(shù)據(jù)或向移動存儲單元918寫入數(shù)據(jù)。移動存儲單元918,以軟磁盤、磁帶、光盤等為代表，其通過移動存儲驅(qū)動器914讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。如將被理解的，移動存儲單元918包括計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)，其具有存儲在其中的計(jì)算機(jī)軟件和/或數(shù)據(jù)。在替代性實(shí)施方式中，輔助存儲器910可包括用于允許計(jì)算機(jī)程序或其他指令加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900中的其他的類似裝置。這種裝置可包括，例如，移動存儲單元922和接口920。其實(shí)例可包括程序盒和盒式接口（例如視頻游戲設(shè)備中所見的裝置）、移動存儲器片（例如，可擦除可編程只讀存儲（EPROM）、通用串行總線（USB）閃存，或PROM）和相關(guān)的插口，以及其他的允許軟件和數(shù)據(jù)從移動存儲單元922傳遞至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900的移動存儲單元922和接口920。通常，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900通過操作系統(tǒng)（OS）軟件控制和協(xié)調(diào)，操作系統(tǒng)軟件執(zhí)行例如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理以及網(wǎng)絡(luò)和I/O服務(wù)。還可存在連接至總線902的通信接口924。通信接口924允許軟件和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口924的實(shí)例可包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口（例如，以太網(wǎng)卡）、通信端口、個人電腦記憶卡國際協(xié)會（PCMCIA）插槽和卡等。經(jīng)由通信接口924傳遞的軟件和數(shù)據(jù)以電子的、電磁的、光的或其他的能夠被通信接口924接收的信號的形式。計(jì)算機(jī)900與其他計(jì)算設(shè)備在基于特殊規(guī)則（即，協(xié)議）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中通信。協(xié)議中的一種為在因特網(wǎng)中普遍使用的TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議）。通常，通信接口924管理將數(shù)據(jù)文件組裝為在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳遞的更小的數(shù)據(jù)包或?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)包重新裝配為原始數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口924處理每個數(shù)據(jù)包的地址部分，以使得它到達(dá)正確的目的地或者攔截去往計(jì)算機(jī)900的數(shù)據(jù)包。在該文件中，術(shù)語“計(jì)算機(jī)處理介質(zhì)”和“計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)”通常用于指例如安裝在硬盤驅(qū)動器912中的移動存儲驅(qū)動器914和/或硬盤的媒體。這些計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品為用于向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900提供軟件的裝置。本發(fā)明旨在這種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900還可包括輸入/輸出（I/O）接口930，其向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900提供接入顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、繪圖儀等。計(jì)算機(jī)程序（也稱作計(jì)算機(jī)控制邏輯）作為應(yīng)用模塊906存儲在主存儲器908和/或輔助存儲器910中。計(jì)算機(jī)程序還可經(jīng)由通信接口924接收。這種計(jì)算機(jī)程序，在被執(zhí)行時，能夠使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900執(zhí)行在此討論的本發(fā)明的特征。具體地，計(jì)算機(jī)程序，在被執(zhí)行時，能夠使得處理器904執(zhí)行本發(fā)明的特征。相應(yīng)地，這種計(jì)算機(jī)程序代表計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900的控制器。在通過使用軟件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式中，軟件可被存儲在計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中并且通過使用移動存儲驅(qū)動器914、硬盤驅(qū)動器912或通信接口924被加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900中。應(yīng)用模塊906，在當(dāng)通過處理器904被執(zhí)行時，使得處理器904執(zhí)行本發(fā)明的在此描述的功能。主存儲器908可加載一個或更多個應(yīng)用模塊906（例如，離散元方法），應(yīng)用模塊906能夠在具有或不具有通過I/O接口的用戶輸入的情況下由一個或更多個處理器904執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)期望的任務(wù)。在操作中，當(dāng)至少一個處理器904執(zhí)行應(yīng)用模塊906中的一個時，結(jié)果被計(jì)算并存儲在輔助存儲器910中（即，硬盤驅(qū)動器912）。有限元分析的狀態(tài)經(jīng)由I/O接口930以文本或圖示從聯(lián)接至計(jì)算機(jī)的檢測器報告給用戶。雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的具體實(shí)施方式對其進(jìn)行了描述，但這些實(shí)施方式僅僅是示意性的，不作為對本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將構(gòu)想到對于具體公開的示意性實(shí)施方式的多種修改或變化。雖然為了便于說明，已經(jīng)概括地示出了二維示圖的離散顆粒，但本發(fā)明能夠應(yīng)用到三維顆粒上，例如，球體?？傊景l(fā)明的范圍不受限于在此公開的具體的示意性實(shí)施方式，并且本領(lǐng)域一般技術(shù)人員能夠容易地想到的修改都應(yīng)該被包括在應(yīng)用的精神和范圍以及附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)。