[發明專利]一種加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法

在審

• 申請號: 201811238816.2
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109446636A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 王超;曹克磊;張社榮;李宏璧;王梟華;魏培勇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

本發明涉及一種加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法，本發明提出的方法基于一種新型的SPH?FEM耦合算法，該方法根據爆炸作業發生環境中介質的變形程度及爆炸能量的影響區域確定數值模擬中SPH算法和FEM算法的模擬區域，將數值模擬得以進行下去的同時保證了計算精度亦節省了計算耗時。

技術領域

本發明涉及一種基于有限元法(finiteelement method，FEM)的實體單元與基于平滑粒子流體動力學(smoothedparticle hydrodynamics，SPH)的粒子相結合來對產生大形變的結構進行時間推進式仿真的方法，更具體的說是一種加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法。

背景技術

隨著經濟的飛速發展，計算機輔助工程分析理論被應用于爆炸沖擊問題的研究中，數值模擬是當前研究爆炸沖擊問題的最有效手段，其具有經濟成本低、可重復性強、易操作等優點。結構抗爆機理研究的難點在于爆炸荷載作用下結構大變形問題的模擬方法，現階段用于爆炸沖擊過程中結構變形模擬的方法主要有：有限元法(finite elementmethod，FEM)、有限差分法(finite difference method，FDM)、等傳統的基于網格的方法、光滑粒子(smooth particle hydrodynam-ics，SPH)法、有限元與光滑粒子法(SPH-FEM)等，但多數方法在解決不同工程實際問題時都有一定程度的局限性，具體如下：

(1)FEM算法計算速度快，但是在遇到極大變形時往往發生網格高度畸變而導致計算中斷或錯誤的結果；

(2)SPH算法中不存在網格，可避免網格畸變問題，即不會出現由于網格高度畸變而導致計算中斷或錯誤的結果的情況。但由于SPH法在計算每個粒子的物理量時都需要用到其影響域中近鄰粒子的信息，而搜索近鄰粒子和計算粒子物理量均比較費時，故SPH法相對于FEM法計算效率較低，且在解決邊界條件時尚存在困難；

(3)SPH-FEM耦合算法融合了兩種方法的優勢，不僅解決了結構的大變形問題，又提高了計算效率。

但是，多數SPH-FEM耦合算法在應用過程中僅限于對單一介質爆炸問題的研究，不能滿足復雜介質爆炸問題研究的需要，尤其是在水下建筑物接觸爆炸方面的研究更是涉及甚少。

由此可見，如何提供一種可以滿足對復雜介質爆炸問題研究需要并能加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種可以滿足對復雜介質爆炸問題研究需要并能加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種加快爆炸問題研究中數值模擬計算進度的耦合方法，該方法包括以下步驟：

1)確定爆炸作業發生環境中的介質種類；

2)根據爆炸作業發生環境中介質的變形程度及爆破的能量影響范圍，確定數值模擬中SPH算法和FEM算法的模擬區域范圍；對于變形程度的判斷采用如下方式：采用FEM算法模擬爆炸后網格發生高度畸變，而導致計算中止，則認為是大變形；通常距炸藥10m范圍內的庫水以及距壩底19m以上的壩體部分均采用SPH粒子建模；

3)確定FEM算法中網格尺寸以及FEM算法中不同介質的SPH粒子尺寸；

4)根據SPH粒子和FEM網格在交界面處的接觸方式確定SPH粒子和FEM網格的耦合方式，得到SPH-FEM耦合算法；

5)根據實際爆炸作業發生環境中模擬需要，設定爆炸仿真計算模型的邊界條件；

6)建立爆炸計算模型，并依據設定的邊界條件進行爆炸動態過程的數值演變模擬，獲取相關的計算結果，并將數值模擬結果與經驗公式計算得到的經驗值進行對比驗證。