本发明专利技术公开的一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法,属于计算爆炸力学领域。该方法采用拉格朗日质点来追踪网格内的介质，使用三阶形函数对质点和网格物理量进行加权双向映射，克服质点类方法由于有限质点数量产生的数值波动；使用带限制器的光滑质点法处理间断面处存在的显著数值振荡问题，使其具备更加优越的计算性能；加入固定网格，由于欧拉网格和拉格朗日质点之间的拓扑映射关系，不同物质之间不会发生嵌透；在边界处添加虚拟拉格朗日质点，模拟连续流体，并通过对整体质点的增加与删减，实现流入、流出和周期性边界条件。该发明专利技术适用于爆炸与冲击领域，对高强度冲击波的传播、不同强度冲击波的相互作用等情况，进行精确跟踪的数值模拟，并能够记录任意时刻下的压力为目标毁伤评估提供毁伤判据。力为目标毁伤评估提供毁伤判据。力为目标毁伤评估提供毁伤判据。
【技术实现步骤摘要】
一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法
[0001]本专利技术涉及一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法,属于计算爆炸力学领域。
技术介绍
[0002]爆炸与冲击问题一直是国防建设及民用安全领域重点关注的对象，在国防科技和国民经济中起着非常重要的作用，尤其是近年来国内外爆炸事故的频繁发生，包括煤矿瓦斯爆炸、再生能源池内沼气爆炸、各种粉尘爆炸事故等等，让爆炸与冲击问题再次成为研究人员和公众讨论的热点。从物理角度讲，爆炸与冲击现象是在高温、高压、高速等极端条件下发生的，涉及到气体，液体和固体等多介质间相互耦合及能量转化的过程。爆炸发生过程包括前期诱导爆轰，爆轰波的形成，以及高强度冲击波的传播直至衰减。在这些极端条件下，对爆炸与冲击问题的数值模拟变得十分困难，需要对材料的大变形、多种物质的界面以及各种强间断进行处理，比通常的流体力学问题、空气动力学问题及结构动力学问题要复杂得多。
[0003]Euler方法是解决这类问题的首选方法，具有代表性的高精度算法主要有TVD(Total Variation Dimini)、ENO(Essentially Non
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Oscillatory)、WENO(Weighted ENO)等，它们可以较好地处理物质界面问题，有效地提高了物质界面分辨率，但是捕捉间断面的分辨率却不高。接着出现了无网格法，主要有SPH光滑粒子流体动力学方法、无单元Galerkin方法、物质点法(MPM)等,在追踪物质流动方面有着其优势,但难以在边界上施加本质边界条件，并在处理可压缩流体时存在严重的压力振荡、质点的拉伸不稳定性以及流体体积不守恒等问题。还有结合Euler方法和Lagrange方法优势的耦合算法，ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)方法，其思想主要以Lagrange方法为主，在局部引入Euler网格处理网格大变形问题，同样存在着与无网格法相同的问题。因此，本专利技术提出一种Lagrange质点与Euler网格加权双向映射的方法来解决以上问题。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，解决Euler算法难以清晰地追踪间断面历程的问题，以及Lagrange大变形的畸变问题。该专利技术适用于爆炸与冲击领域，可以处理任意大变形的类流动问题，对包含强间断的问题，如高强度冲击波的传播、不同强度冲击波的相互作用，能够进行精确跟踪的数值模拟，并记录任意时刻下的压力为毁伤评估分析提供判据。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，采用拉格朗日质点来追踪网格内的介质，使用三阶形函数对质点和网格物理量进行加权双向映射，克服质点类方法由于有限质点数量产生的数值波动；使用带限制器的光滑质点法处理间断面处存在的显著数值振荡问题，使其具备更加优越的计算性能；并且加入固定网格，由于欧拉网格和
拉格朗日质点之间的拓扑映射关系，不同物质之间不会发生嵌透；为了模拟连续流体，在边界处添加虚拟拉格朗日质点，通过对整体质点的增加与删减，实现流入、流出和周期性边界条件。
[0007]一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，包括如下步骤：
[0008]1、针对所需要分析的创建仿真模型，并对所创建的仿真模型进行初始化设置，包括确定计算域的大小，各类材料在计算域中位置信息和几何尺寸信息、网格步长及坐标、质点的布置、材料属性及参数、边界条件及虚拟质点的设定以及初始计算控制参数等；
[0009]2、第k个时间步开始，根据网格与质点之间的拓扑关系计算质点所对应的状态方程以及本构模型，更新质点物理量；
[0010]步骤2.1、根据网格速度梯度计算质点的应变增量：
[0011][0012]步骤2.2、据据本构模型和状态方程，计算质点的柯西应力，
[0013][0014]并更新质点的体积与密度，
[0015][0016]步骤2.3、进一步，根据状态方程和人工粘性更新质点的能量。
[0017]3、质点映射回网格，更新网格速度量。
[0018]步骤3.1、根据质点与网格之间的拓扑关系，将质点的物理量映射至网格
[0019][0020]步骤3.2、更新网格节点的动量
[0021][0022]4、确定网格与质点之间的拓扑关系以实现网格物理量映射至质点，计算质点的速度与位移。
[0023]步骤4.1、将网格节点的量映射到质点上，更新质点的速度。
[0024][0025]步骤4.2、计算并更新第K+1个时间步上质点的位置。
[0026][0027]5、确定所有质点移动的位置，删除计算域外实体质点，将计算域内虚拟质点加入实体质点集合。
[0028]6、根据边界条件，重新添加虚拟质点。
[0029]根据流入、流出和周期边界条件，在边界区域添加新的虚拟质点，虚拟质点与实体质点之间符合边界条件的关系。
[0030]7、确定移动后质点与网格之间的拓扑关系，将质点物理量映射至网格，通过光滑函数抑制间断面振荡，得到第k+1个时间步的网格物理量。
[0031]步骤7.1、通过光滑函数重新更新质点的物理量；
[0032][0033]步骤7.2、将质点的量映射到网格节点上。
[0034][0035]8、基于所设定的终止条件，输出对应的仿真结果。
[0036]步骤8.1、若当前计算的步数满足输出设定的条件时，将所有的仿真数据进行合并输出并记录输出文件的序号标记；将网格和质点所包含的变量及变量名称写入文件。
[0037]步骤8.2、如果未满足结束条件，则返回步骤2，开始第k+1个时间步。
[0038]通过上述八个步骤实现了爆炸与冲击问题的精确数值模拟计算。
[0039]有益效果
[0040]1、本专利技术采用三阶双向加权映射有效地规避了质点类方法的数值波动缺陷，且保持了其跟踪物质流动的优点，实现了对间断面的精确捕捉；
[0041]2、本专利技术采用添加虚拟质点的方法，解决了边界处Lagrange质点不连续的问题，有效地实现了边界处质点的进出，成功模拟了流体的流进、流出与周期边界；
[0042]3、本专利技术兼具了Euler方法易于处理任意大变形的类流动问题和Lagrange质点易于追踪间断面历程的优势，不仅能够处理连续介质力学中涉及任意大变形的类流动问题，还可实现介质变形过程的精确追踪，可更好地应用于各类爆炸与冲击的数值模拟研究。
附图说明
[0043]图1为本专利技术所述的耦合Lagrange质点和Euler方法的精确捕捉间断面方法对应的流程步骤图；
[0044]图2为本专利技术所述的网格物理量映射到质点的二维情况示意图；
[0045]图3为本专利技术所述的质点物理量映射到网格的二维情况示意图；
[0046]图4为本专利技术所述的流入边界条件下添加虚拟质点示意图；
[0047]图5为本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、针对所需要分析的创建仿真模型，并对所创建的仿真模型进行初始化设置，包括确定计算域的大小，各类材料在计算域中位置信息和几何尺寸信息、网格步长及坐标、质点的布置、材料属性及参数、边界条件及虚拟质点的设定以及初始计算控制参数等；步骤2、第k个时间步开始，根据网格与质点之间的拓扑关系计算质点所对应的状态方程以及本构模型，更新质点物理量；步骤3、质点映射回网格，更新网格速度量；步骤4、确定网格与质点之间的拓扑关系以实现网格物理量映射至质点，计算质点的速度与位移；步骤5、确定所有质点移动的位置，删除计算域外实体质点，将计算域内虚拟质点加入实体质点集合；步骤6、根据边界条件，重新添加虚拟质点；根据流入、流出和周期边界条件，在边界区域添加新的虚拟质点，虚拟质点与实体质点之间符合边界条件的关系；步骤7、确定移动后质点与网格之间的拓扑关系，将质点物理量映射至网格，通过光滑函数抑制间断面振荡，得到第k+1个时间步的网格物理量；步骤8、基于所设定的终止条件，输出对应的仿真结果。2.根据权利要求1所述的一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1、根据网格速度梯度计算质点的应变增量：步骤2.2、据据本构模型和状态方程，计算质点的柯西应力，并更新质点的体积与密度，步骤2.3、...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁建国，金子焱，许香照，任会兰，马天宝，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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