[发明专利]一种耦合Lagrange质点和Euler方法的精确界面追踪处理方法

说明书

本发明涉及一种耦合Lagrange质点和Euler方法的精确界面追踪处理方法,属于计算爆炸力学领域。该方法包括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；2、在所设定的每一个时间步内，计算网格的人工粘性值、应力张量及网格速度更新量。3、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；4、确定质点移动的位置；5、确定移动后质点与网格之间的拓扑关系以实现质点物理量映射至网格；6、计算仿真模型所对应的状态方程以及控制方程；7、更新所述仿真模型在计算域边界处的网格和质点物理量。本发明很好地处理了材料大变形及动态破坏过程，有效地实现了爆炸与冲击问题的精确数值模拟计算。

技术领域

本发明涉及一种耦合Lagrange质点和Euler方法的精确界面追踪处理方法,属于计算爆炸力学领域。

背景技术

在工程应用和科学计算中，计算机数值模拟已经逐渐成为解决复杂问题的一种重要手段。计算机数值仿真试验技术具有安全保密、设计灵活、可重复性好、环境和过程可控、效费比高等优点，这对认识问题的本质和理论模型的建立都有着重要的作用和意义，是未来提高武器弹药研制和爆炸灾害预防与救援水平的有效手段。此外，数值模拟不受外界环境和条件的约束，可研究不同条件下各物理量的变化规律，能突破实验和理论研究的局限。随着计算机硬件性能的不断提高和并行技术的发展，数值模拟方法求解问题的规模和效率得到了极大的提高，在爆炸问题的研究中有着越来越广泛的应用。

爆炸与冲击问题是一类涉及高应变率、高温、高压、相变，气体、液体和固体等多种介质间相互耦合甚至混合，材料的严重变形甚至破碎等极端条件的瞬态动力学问题。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。Euler方法是解决这类问题的首选方法，其核心思想是采用固定的空间坐标系，物质通过网格边界流进流出，物质的大变形不直接影响数值计算，因此能够自然处理大变形问题，但随之而来的是多物质之间的界面处理难题，在追踪物质界面上其精度比不上Lagrange方法。

后来又出现了结合Euler方法和Lagrange方法优势的耦合算法，ALE(ArbitraryLagrangian 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，但这也仅能对局部区域进行处理，要解决诸如爆炸冲击波以及深侵彻等变形很大的瞬态问题，仍然面临着诸多困难。近年来，出现了多种高精度的算法，这类高精度算法能够较好地处理物质界面问题，有效地提高了物质界面分辨率，具有代表性的主要有TVD(Total Variation Dimini)、ENO(Essentially Non-Oscillatory)、WENO(WeightedENO)等，但这类算法的求解都较为复杂且计算时长将会急剧增加；与此同时也出现了多类无网格方法，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，也逐渐成为计算流体力学及计算爆炸力学领域研究的热点，无网格方法在追踪物质流动方面有着其优势，但对于大规模的科学问题，计算规模的增加会造成计算量的急剧增加，在一定的硬件条件下会造成程序的死锁和漫长的计算时长。

发明内容

本发明的目的是为了解决Euler方法难以清晰地追踪多物质界面运动历程的问题，提供一种耦合Lagrange质点和Euler方法的精确界面追踪处理方法。

本发明兼具了Euler方法易于处理大变形问题和Lagrange方法易于追踪材料变形历程的优势，克服了质点类方法由于有限粒子数量产生的数值波动，实现了爆炸与冲击问题的精确数值模拟计算。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种耦合Lagrange质点和Euler方法的精确界面追踪处理方法，包括如下步骤：