【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数值模拟，具体涉及一种基于ls-dyna的sph算法自然破片空间分布模拟方法。
技术介绍
1、轴对称壳体结构是自然破片战斗部的常见结构形式，在内部炸药爆轰的驱动下，这类壳体会发生膨胀、断裂并形成随机高速破片飞散。这一过程在武器毁伤效能评估中长期以来都是研究的重点和难点。目前，国内外仍主要依赖于试验结合经验公式的传统方法对自然破片的威力场进行评估，尚未形成一种既高效又可靠的自然破片战斗部威力场模拟方法。
2、近年来，随着数值仿真技术的快速发展，针对自然破片战斗部在内部爆炸作用下膨胀破裂的模拟方法逐渐多样化，主要包括lagrange算法、euler算法、ale(arbitrarylagrange euler)算法以及sph(smoothed particle hydrodynamics，光滑粒子流体动力学)算法。然而，传统的lagrange算法、euler算法和ale算法在处理材料高速、瞬时、高强度加载下的界面接触及大变形问题时，存在显著的局限性。尤其是在破片膨胀破裂过程中，这些算法容易出现网格畸变，无法有效捕捉材料的剧烈变形及破碎现象。相比之下，sph算法作为一种无网格数值方法，采用离散粒子来描述宏观连续介质，在应对材料瞬时大变形时表现出明显的优势。该算法避免了因网格畸变导致的单元删除问题，能够保证质量、动量和能量守恒，从而更真实地模拟材料的动态破碎过程。因此，sph算法在自然破片战斗部的破裂和飞散模拟数值模拟中，更符合实际情况，具有显著的优势。
3、现有的lsdyna求解器不仅具备成熟的sp
4、同时，lsdyna的后处理程序存在显著局限，无法对sph算法生成的自然破片的关键信息(如空间位置、速度、质量等)进行有效识别和统计。这种局限性导致了计算结果的应用分析受到了限制，尤其是无法快速识别和输出自然破片的详细信息，大大限制了计算结果的应用分析。公开号cn103455669b提出了一种基于lsdyna计算结果的破片定量自动统计方法，该方法基于lsdyna的计算结果通过ansys进行破片场重构，检索所有单元信息并输出各个破片的质量、速度和体积等信息。然而该方法依赖ansys软件的二次输入，并缺乏对破片空间坐标的统计。公开号cn115099120a提出了一种lsdyna的sph算法破片识别方法，该方法通过构建sph粒子信息矩阵，筛选并识别出所有破片，最后输出每个破片的质量、坐标等关键信息。然而，当sph粒子的数量达到万级甚至更高时，构建表征粒子间相互作用关系的非独立矩阵所需的运行内存可达数百gb，极大地增加了计算资源的需求，限制了该方法的实际应用。
技术实现思路
1、本专利技术针对自然破片战斗部爆炸过程中随机破片时空分布的复杂性与不确定性，提出了一种能够高效、可靠模拟其时空分布的创新方法。通过以下具体技术方案来实现：
2、(i)基于ls-prepost的scl(scripting command language)语言，参数化建立自然破片战斗部模型，并运用lsdyna中的sph算法对自然破片战斗部的破碎过程进行模拟。由此，获取壳体sph粒子的空间坐标、质量、速度以及影响半径的全过程信息。
3、(ii)基于前一步得到的sph粒子的空间坐标和影响半径信息，通过构建kd树(k-dimensional tree)，可以迅速确定sph粒子之间的空间关联性，即通过邻域搜索确定哪些粒子属于同一个自然破片。
4、(iii)通过深度优先搜索算法对每个自然破片中的sph粒子进行识别，依次搜索和统计出每个自然破片所包含的所有sph粒子，进而计算出破片的质量、体积、x、y、z三个方向上的分速度、总速度以及破片的质心坐标。
5、(iv)基于前一步识别出的各自然破片的sph粒子信息，对每个破片进行形态和动力学上的重构，形成完整的破片模型。通过该重构模型，能够模拟和预测自然破片在不同时间和空间上的分布情况，最终生成全时空破片威力场。这个威力场能够直观展现破片对周围目标的毁伤效应，结合目标的易损性分析，可以为战斗部的毁伤效能评估提供科学依据。
6、与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优势：
7、1.本专利技术通过turegrid参数化建模，ls-prepost的scl语言，并结合lsdyna中的sph算法，将几何模型定义、网格划分、模型转换和参数赋值集成，实现了对自然破片战斗部破碎过程的高效建模和高精度模拟。通过该方法生成的自然破片时空分布，不仅具备较高的计算精度，同时也显著简化了建模流程，为工程应用中大规模破片模拟提供了可行方案。
8、2.通过建立kd树和深度优先搜索算法，本专利技术提出了一种快速且准确的sph粒子群自然破片识别方法，克服了传统lsdyna后处理软件在统计和识别sph破片信息方面的局限性。该方法极大地简化了sph粒子破片信息的处理流程，保证了在大规模自然破片模拟中能够准确处理大量sph粒子数据，解决了传统识别方法在处理高维数据时的计算瓶颈，并确保了识别的准确性和高效性。
9、3.本专利技术提出的sph算法自然破片重构模型方法，能够全面展现自然破片的形态和动力学特性。通过全时空破片威力场的生成，可以精确模拟破片对目标的毁伤效应，从而为战斗部的毁伤效能和目标易损性分析提供可靠的技术支持。该模型在军工领域具有广泛的应用前景，可为战斗部设计与评估提供重要的参考依据。
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1.一种基于LS-DYNA的SPH算法破片威力场模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于LS-DYNA的SPH算法破片威力场模拟方法，其特征在于：定义自然破片战斗部的几何参数，包括壳体的厚度rd、直径d和长度h，通过PYTHON脚本调用TRUEGRID的cylinder命令分别定义壳体和炸药两个部件part生成TRUEGRID输入文件.tgf，以描述有限元模型的几何和网格划分；接着，使用PYTHON的subprocess模块调用TRUEGRID执行生成的.tgf文件，从而生成有限元模型；随后，在LSPREPOST中使用SCL语言编写自动化脚本以进一步处理生成的有限元模型，SCL脚本将完成以下操作：一是将有限元网格模型转换为SPH模型，通过将网格单元转化为SPH粒子；二是通过关键字*INCLUDE，将包含材料模型定义和计算参数的K文件导入到SPH模型中；最后，通过PYTHON脚本调用LSPREPOST执行生成的命令文件cfile，实现SPH模型的转换和计算参数的赋值，最终建立完整的数值计算模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于
4.根据权利要求3所述的一种基于LS-DYNA的SPH算法破片威力场模拟方法，其特征在于：利用PYTHON的collections模块来创建图数据结构，其中的键为SPH粒子的ID，值是与之相连的其他SPH粒子的集合；接着，根据给定的linked_particles列表，遍历每对相互连接的SPH粒子编号，将每对SPH粒子之间的关系添加到无向图中；然后通过深度优先搜索算法DFS来查找所有的连通分量，即每个自然破片内包含的所有SPH粒子；DFS函数接收一个起始节点、已访问节点的集合和当前连通分量的集合作为参数，使用栈来进行迭代搜索；栈的初始状态为传入的节点，每次从栈中弹出一个节点，如果该节点未被访问，则将其标记为已访问，并将其加入当前连通分量的集合中；接下来，将所有与当前节点直接相连且未被访问的邻居节点添加到栈中，重复这一过程直到栈为空，此时完成了对一个连通分量的遍历；遍历无向图中的每一个节点，如果节点没有被访问过，则将其作为起点执行一次DFS操作，将找到的每个自然破片对应的连通分量添加到fragments列表中；对于每一个孤立的SPH粒子，将其作为独立的连通分量即单个自然破片添加到fragments列表中，确保每个SPH粒子都属于某个自然破片；最后遍历所有节点，实现对所有SPH粒子的分组，输出各个自然破片对应的SPH粒子信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于LS-DYNA的SPH算法破片威力场模拟方法，其特征在于：基于fragments列表，对自然破片进行进行重新编号，自然破片i为fragments列表内第i行所包含的全部SPH粒子；第i个自然破片质量即为该破片内所有SPH粒子质量之和，N代表破片内所含有的SPH粒子数量，j代表其中的第j个SPH粒子，将破片威力场内所有破片的质量统计完毕；
6.根据权利要求5所述的一种基于LS-DYNA的SPH算法破片威力场模拟方法，其特征在于：基于得到各个自然破片SPH粒子信息，对自然破片i通过提取包含该自然破片的所有SPH粒子的空间坐标信息，利用ConvexHull算法生成粒子的最小外包凸多面体，从而重构处自然破片的几何外形；然后采用matplotlib模块对构建的凸包进行可视化展示，使得自然破片的空间分布与形态直观显示，实现了自然破片威力场的精确模拟，为效能评估和目标易损性分析提供了可靠依据。
...【技术特征摘要】
1.一种基于ls-dyna的sph算法破片威力场模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于ls-dyna的sph算法破片威力场模拟方法，其特征在于：定义自然破片战斗部的几何参数，包括壳体的厚度rd、直径d和长度h，通过python脚本调用truegrid的cylinder命令分别定义壳体和炸药两个部件part生成truegrid输入文件.tgf，以描述有限元模型的几何和网格划分；接着，使用python的subprocess模块调用truegrid执行生成的.tgf文件，从而生成有限元模型；随后，在lsprepost中使用scl语言编写自动化脚本以进一步处理生成的有限元模型，scl脚本将完成以下操作：一是将有限元网格模型转换为sph模型，通过将网格单元转化为sph粒子；二是通过关键字*include，将包含材料模型定义和计算参数的k文件导入到sph模型中；最后，通过python脚本调用lsprepost执行生成的命令文件cfile，实现sph模型的转换和计算参数的赋值，最终建立完整的数值计算模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于ls-dyna的sph算法破片威力场模拟方法，其特征在于：采用python程序读取自然破片战斗部每个时间步下的sph粒子的空间坐标、质量、速度、体积以及影响半径信息；基于sph粒子的空间坐标信息建立kd树，通过循环遍历每个粒子，逐个进行邻域搜索；对第i个粒子，获取该粒子的影响半径ri作为最大搜索范围，然后用kd树的query_ball_point方法查找在该粒子影响半径范围内的所有相邻粒子；对于每个找到的邻居粒子j，如果满足i<j的条件，则计算第i个粒子和第j个粒子之间的欧氏距离d，并与ri和rj的较大值r＝max(ri,rj)进行比较，如果d小于r，说明这两个粒子是相互关联的，将对应的sph的编号linked_particles列表中；最后，程序遍历所有sph粒子，逐个输出所有找到的关联sph粒子对。
4.根据权利要求3所述的一种基于ls-dyna的sph算法破片威力场模拟方法，其特征在于：利用python的collections模...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志杰，闫秋实，左耐昕，洪铭徽，李加东，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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