[發(fā)明專利]一種基于局部曲率自適應(yīng)修正的改進(jìn)水平集方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010091056.8
• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN111259325A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王成;趙富裕;王萬里;楊同會
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15
• 代理公司: 北京理工正陽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明公開的一種基于局部曲率自適應(yīng)修正的改進(jìn)水平集方法，屬于多介質(zhì)相互作用數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法如下：基于水平集Level Set方法，通過WENO有限差分格式和TVD Runge?Kutta格式對水平集函數(shù)進(jìn)行離散；基于水平集函數(shù)的局部曲率自適應(yīng)播撒示蹤粒子，通過示蹤粒子對水平集函數(shù)進(jìn)行修正；WENO有限差分格式和TVD Runge?Kutta格式能實(shí)現(xiàn)水平集函數(shù)空間與時間項(xiàng)的高精度離散，保證界面水平集函數(shù)的計(jì)算精度；示蹤粒子能在界面曲率變化較大的位置對水平集函數(shù)進(jìn)行修正，確保多介質(zhì)界面相互作用的數(shù)值仿真預(yù)測精度與效率。本發(fā)明有效的對復(fù)雜的工程問題多介質(zhì)界面的運(yùn)動進(jìn)行高精度的數(shù)值模擬，解決多介質(zhì)相互作用技術(shù)領(lǐng)域相應(yīng)工程技術(shù)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于局部曲率自適應(yīng)修正的改進(jìn)水平集方法，屬于多介質(zhì)相互作用數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

多介質(zhì)相互作用廣泛的存在于自然界，并在工業(yè)、軍事中有著重要的應(yīng)用。認(rèn)識多介質(zhì)相互作用機(jī)理，對于爆炸沖擊、武器彈藥領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。目前，研究多介質(zhì)相互作用問題的主要手段包括理論分析、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。由于爆炸沖擊瞬態(tài)作用下，多介質(zhì)相互作用的強(qiáng)非線性動力學(xué)行為，界面拓?fù)湫再|(zhì)會發(fā)生復(fù)雜的改變，理論研究僅限于流致震動等界面幾何性質(zhì)簡單的流固耦合問題。實(shí)驗(yàn)研究難以捕捉材料瞬態(tài)變化的歷史過程，目前仍然缺乏針對一些特定問題的測試手段，且需要耗費(fèi)大量科研經(jīng)費(fèi)。而數(shù)值模擬可以細(xì)致、深刻的真實(shí)再現(xiàn)爆炸沖擊下炸藥、殼體、靶板結(jié)構(gòu)多介質(zhì)相互作用的全物理過程，從多維度定點(diǎn)、定量進(jìn)行分析，揭示實(shí)驗(yàn)難以觀測到的物理現(xiàn)象。多介質(zhì)界面處理是爆炸沖擊高精度數(shù)值模擬的關(guān)鍵組成部分，綜上，本發(fā)明提出的方法具有重要的工程應(yīng)用價值和技術(shù)背景。

由于爆炸沖擊下材料會產(chǎn)生拉伸、扭曲等大變形，只能通過歐拉算法進(jìn)行高精度計(jì)算。爆炸沖擊多介質(zhì)相互作用數(shù)值模擬歐拉算法中的界面處理分為“界面追蹤”和“界面捕捉”兩種類型。“界面追蹤”基本為拉格朗日方法，在數(shù)值模擬中，通過顯式的推進(jìn)界面運(yùn)動來區(qū)分不同種物質(zhì)。界面追蹤方法表示的界面位置清晰、直觀，但是當(dāng)界面附近發(fā)生較大變形甚至是拓?fù)湫再|(zhì)改變時，界面追蹤方法會失效，產(chǎn)生較大誤差，最終導(dǎo)致計(jì)算的不穩(wěn)定。“界面捕捉”基本為歐拉方法，在計(jì)算中隱式地求解網(wǎng)格點(diǎn)上的體積分?jǐn)?shù)、符號距離函數(shù)等信息，再通過求解得到的物理信息重構(gòu)得到界面位置。由于界面信息是通過“重構(gòu)”得到的，界面捕捉方法能夠自然的處理多介質(zhì)相互作用過程中界面拓?fù)湫再|(zhì)發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象。

隨著數(shù)值模擬在爆炸沖擊、武器彈藥領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，復(fù)雜工況對多介質(zhì)相互作用界面處理方法提出了更高的要求，單一的“界面追蹤”或“界面捕捉”已經(jīng)不能滿足實(shí)際問題的高效率、高分辨率的界面處理。國內(nèi)外學(xué)者提出并改進(jìn)了水平集(Level Set)、流體體積分?jǐn)?shù)(Volume of Fluid)等算法。然而這些方法許多在提高精度的同時，耗費(fèi)了大量的計(jì)算量，計(jì)算效率低下，或者在犧牲精度的情況下提高計(jì)算效率，在高速侵徹武器及新型防護(hù)裝備的研制及航空、機(jī)械領(lǐng)域的高速發(fā)展大背景下，以上不足影響了多介質(zhì)相互作用數(shù)值模擬在實(shí)際工況下的有效應(yīng)用，亟待彌補(bǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中多介質(zhì)相互作用界面處理方法精度低、計(jì)算效率低，影響實(shí)際工況下界面處理不穩(wěn)定、不精細(xì)的問題，本發(fā)明公開的一種基于局部曲率自適應(yīng)修正的改進(jìn)水平集方法要解決的技術(shù)問題是：實(shí)現(xiàn)界面追蹤的高精度數(shù)值模擬，大幅提高計(jì)算效率，提高多介質(zhì)耦合過程預(yù)測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而進(jìn)行多介質(zhì)相互作用技術(shù)領(lǐng)域工程技術(shù)問題高精度數(shù)值模擬與預(yù)測，解決多介質(zhì)相互作用技術(shù)領(lǐng)域相應(yīng)工程技術(shù)問題。

所述多介質(zhì)相互作用技術(shù)領(lǐng)域包括爆炸沖擊、高速侵徹武器、防護(hù)裝備、航空航天、機(jī)械工程領(lǐng)域。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。