执行水下爆炸的数字模拟的系统和方法技术方案

本发明专利技术是执行水下爆炸的数字模拟的系统和方法。定义了爆炸源和表示周围流体域中的FEA模型的特征。在初始边界元素形成的流体域的初始外边界外，创建新边界节点和元素的一个层。每一个新边界元素/节点与作为对应的主元素/节点的一个初始边界元素/节点相关联。在水下爆炸的时间推进模拟的每个时间步长，为除了新边界元素的所有元素计算模拟的流体特性。所计算的每个初始边界元素的流体特性被保存到对应的查找表中，所述查找表被配置为：为预定数量的时间步长、以先入先出的方式存储所述计算的流体特性。通过采用计算的爆炸波从主元素的传播时间，对对应的主元素的查找表内的存储的流体特性进行插值，确定每个新边界元素的模拟流体特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及计算机辅助工程分析中使用的方法、系统和软件产品，更具体地，涉及执行水下爆炸的有效数字模拟的方法。
技术介绍
有限元分析(FEA)是使用数字技术的计算机执行的方法，用于寻找表示复杂系统(例如三维非线性结构设计和分析)的偏微分方程式的合适解。FEA源于在民用和航空工程中解决复杂弹性和结构分析问题的需要。随着计算机技术的进步，FEA已经成为辅助工程师和科学家在改进结构设计(例如，汽车、飞机等)中做出决策的重要工具。当将FEA应用于时域中解决物理问题或事件时，它被称为时间推进模拟。一般来说，时间推进模拟包括多个求解周期。作为特定时间的总模拟的快照，在每个求解周期获得FEA结果或者解。随着FEA的普及，FEA的使用已经适于模拟更加复杂的物理现象，例如，由于水下爆炸的流体特性。为了数字模拟这样的特性，优选使用被称为基于任意拉格朗日-欧拉(ArbitraryLagrangian-Eulerian，ALE)的有限元分析方法。使用基于ALE的FEA方法来执行水下爆炸的数字模拟的常见做法是，由于计算资源的限制，仅对流体域的有限部分进行建模。源于流体域内的元应力波，作为爆炸的结果，将会在FEA模型的边界处被反射。当边界被建模得离爆炸源太近时，这样的应力波反射引起不正确的模拟结果。改正这种问题/缺点的现有技术的方法是放大FEA模型，或者在有限元模型的边界应用人工法向和剪切应力，以补偿这种应力波反射的影响，虽然这种现有技术的方法可以减少一些影响，但它不能消除它们。此外，现有技术的方法需要不容易实施的许多特别技术。因此，期望具有执行水下爆炸的时间推进数字模拟以避免上述缺点的改进系统和方法。
技术实现思路
公开了执行水下爆炸的时间推进数字模拟的系统和方法。根据一方面，在计算机系统中定义和接收水下爆炸源和有限元分析(FEA)模型的特征，FEA模型包含由多个有限元连接的多个节点，多个有限元表示围绕爆炸源的流体域。基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)的有限元分析(FEA)应用模块被安装在计算机系统中。由于几何对称，FEA模型可表示流体域的仅一部分。位于流体域的初始外边界上的节点和元素分别被识别为初始边界节点和初始边界元素。然后在初始边界节点和初始边界元素之间的流体域的初始外边界外，创建新边界节点和新边界元素的一个额外层。新边界元素的尺寸使得，没有任何新边界元素比初始边界元素的最小的那一个更小。每一个新边界元素/节点与作为对应的主元素/节点的初始边界元素/节点之一相关联。在时间推进数字模拟中，使用多个时间步长中预定持续时间的修改的FEA模型，获得作为水下爆炸的结果的模拟流体特性，水下爆炸源于爆炸源。在时间推进模拟的每个时间步长，采用基于ALE的FEA模型，为除了新边界元素的所有元素计算模拟流体特性。然后计算的初始边界元素的流体特性被保存在各自的查找表中，每个初始边界元素一个表。每个查找缓存都被配置为：为预定数量的时间步长、以先入先出(FIFO)的方式存储所计算的流体特性。通过采用计算的爆炸波从对应的主元素到每个新边界元素的传播时间，对对应的主元素的查找缓存内存储的流体特性进行插值，确定每个新边界元素的模拟流体特性。通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本专利技术的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。附图说明参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本专利技术的这些和其它特征、方面和优点，其中：图1A-1B是根据本专利技术的一个实施例的阐述执行水下爆炸的时间推进数字模拟的示例性过程的共同流程图。图2是源自爆炸源的示例性水下爆炸的正视图；图3A-3C是根据本专利技术的一个实施例的表示爆炸源的流体域和位置的示例性FEA模型的示意图；图4A是根据本专利技术的一个实施例的可用于表示二维空间中的流体的示例性4-节点四边形有限元的示意图；图4B是根据本专利技术的一个实施例的可用于表示三维空间的流体的示例性8节点六面体的有限元的示意图；图5是根据本专利技术的一个实施例的爆炸压力与时间的示例性关系的X-Y曲线图；图6示出了根据本专利技术的一个实施例的创建示例性FEA的新边界节点/元素的额外层的顺序的一系列示意图；图7A-7B是根据本专利技术的实施例的将新边界节点/元素与对应的主节点/元素示例性关联的示意图；图8是根据本专利技术的实施例的示例性查找表的数据结构的示意图；图9是根据本专利技术的实施例的时间推进数字模拟的持续时间的示例滑动时间窗口的示意图；以及图10为表示示例性计算机的主要部件的功能图，本专利技术的实施例可以在其中实现。具体实施方式首先参照图1A-1B，它共同示出了根据本专利技术的实施例的执行水下爆炸的时间推进数字模拟的示例性过程100。过程100可以在软件(例如，基于ALE的FEA应用模块)中实施，并优选地参照其它附图理解。图2描绘了具有爆炸波(以虚线圆示出)的爆炸源(示为实心点)的正面图，爆炸波传播通过示例性水下爆炸中的流体域。这样的水下爆炸的数字模拟可以使用本专利技术的一个实施例来进行。通过在动作102中、在计算机系统(例如，图10的计算机系统1000)中接收水下爆炸源和有限元分析(FEA)模块的特征，开始过程100，FEA模型表示爆炸源周围的流体域，计算机系统上安装有基于任意拉格朗日(ALE)的FEA应用模块。FEA模型包含由多个有限元连接的多个节点。具有爆炸源312的第一示例性FEA模型310在图3A中示出。可替代地，由于几何对称，具有爆炸源322-332的第二和第三FEA模型320-330分别在图3B和图3C中示出。为了说明的简单起见，这些FEA模型310-330在二维中画出。本领域的普通技术人员将知道，FEA模型可以以三维绘制。可以在示例性FEA模型中使用的示例性有限元在图4A-4B中示出：二维的4节点四边形元素410和三维的8节点六面体有限元420。水下爆炸源的特征至少包括爆炸源(例如，图3A-3C的爆炸源313、322、332)的位置和爆炸波的速度和压力。图5是根据本专利技术的一个实施例的由于特定位置上的爆炸、压力504与爆炸压力500的时间502的示例性曲线的X-Y曲线图。时间是零或t0时，爆炸压力500等于初始环境压力P0520(例如，在开放空间中的大气压力)，并且将保持不变，直到时间t1。爆炸压力500然后跳转到峰值压力P1512，其对应于当爆炸波到达特定位置的时刻。峰值压力P1512的幅度是特定位置和爆炸源之间的距离与爆炸源的质量的函数。爆炸压力500随后下降。根据传输介质的类型(例如，空气、水)与特定位置，爆炸压力500的尾部部分514可以以各种形式衰减。返回参照过程100，在动作104，这些节点和位于流体域的初始外边界(即，FEA模型的边界)上的有限元被分别识别为初始边界节点和初始边界元素。图6示出了示例性FEA模型600，具有初始边界节点612(实心点)和初始边界元素614(较淡的阴影元素)。接着，在动作106中，新边界节点622的一个额外层被创建，以形成初始边界节点612和新边界节点622之间的新边界元素624(较深的阴影元素)的一个层。新边界元素624的尺寸使得，没有任何新边界元素624比初始边界元素614的最小的一个更小。在动作108中，每一个新边界元素与作为其主元素的最接近的相邻初始边界元素相关联，每一个新边界节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种执行水下爆炸的时间推进数字模拟的方法，其特征在于，包括：在计算机系统中接收水下爆炸源和有限元分析模型的特征，所述计算机系统中安装有基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，所述有限元分析模型具有由多个有限元连接的多个节点，多个有限元表示围绕爆炸源的流体域；通过所述基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，将位于流体域的初始外边界上的节点和元素分别识别为初始边界节点和初始边界元素；通过所述基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，创建新边界节点的一个层，以形成初始边界节点和初始边界元素之间的流体域的初始外边界外的新边界元素的一个层，新边界元素的尺寸使得，没有任何新边界元素比初始边界元素的最小的那一个更小；通过所述基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，将每一个新边界元素与作为对应的主元素的最接近的相邻初始边界元素相关联，将每一个新边界节点与作为对应的主节点的最接近的初始边界节点相关联；通过所述基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，使用多个时间步长中预定持续时间的修改的FEA模型执行时间推进数字模拟，获得作为水下爆炸的结果的模拟流体特性，水下爆炸源于所述爆炸源；在每个时间步长，通过所述基于任意拉格朗日‑欧拉的有限元分析应用模块，执行如下操作，以避免爆炸波从流体域的初始外边界反射：(a)计算除了新边界元素的所有有限元的所述模拟流体特性，所述模拟流体特性至少包括元素应变、单元应力和节点速度；(b)将所述初始边界元素和初始边界节点的所述模拟流体特性保存到各自的查找表中，每个初始边界元素一个表，所述每个查找表都被配置为：为预定数量的时间步长、以先入先出的方式存储所述模拟流体特性；(c)计算爆炸波从所述对应的主元素到所述每个新边界元素的传播时间；(d)通过采用计算的爆炸波传播时间，对对应的主元素的查找表内的之前存储的模拟流体特性进行插值，确定所述每个新边界元素的所述模拟流体特性。...

【技术特征摘要】
2015.09.15 US 14/854,3091.一种执行水下爆炸的时间推进数字模拟的方法，其特征在于，包括：在计算机系统中接收水下爆炸源和有限元分析模型的特征，所述计算机系统中安装有基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，所述有限元分析模型具有由多个有限元连接的多个节点，多个有限元表示围绕爆炸源的流体域；通过所述基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，将位于流体域的初始外边界上的节点和元素分别识别为初始边界节点和初始边界元素；通过所述基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，创建新边界节点的一个层，以形成初始边界节点和初始边界元素之间的流体域的初始外边界外的新边界元素的一个层，新边界元素的尺寸使得，没有任何新边界元素比初始边界元素的最小的那一个更小；通过所述基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，将每一个新边界元素与作为对应的主元素的最接近的相邻初始边界元素相关联，将每一个新边界节点与作为对应的主节点的最接近的初始边界节点相关联；通过所述基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，使用多个时间步长中预定持续时间的修改的FEA模型执行时间推进数字模拟，获得作为水下爆炸的结果的模拟流体特性，水下爆炸源于所述爆炸源；在每个时间步长，通过所述基于任意拉格朗日-欧拉的有限元分析应用模块，执行如下操作，以避免爆炸波从流体域的初始外边界反射：(a)计算除了新边界元素的所有有限元的所述模拟流体特性，所述模拟流体特性至少包括元素应变、单元应力和节点速度；(b)将所述初始边界元素和初始边界节点的所述模拟流体特性保存到各自的查找表中，每个初始边界元素一个表，所述每个查找表都被配置为：为预定数量的时间步长、以先入先出的方式存储所述模拟流体特性；(c)计算爆炸波从所述对应的主元素到所述每个新边界元素的传播时间；(d)通过采用计算的爆炸波传播时间，对对应的主元素的查找表内的之前存储的模拟流体特性进行插值，确定所述每个新边界元素的所述模拟流体特性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于几何对称，所述有限元分析模型表示流体域的一部分。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水下爆炸源的特征包括爆炸源的位置、爆炸波速度和爆炸源的压力。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个有限元包括在三维空间中的八节点实体有限元。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个有限元包括在两维空间中的四节点板有限元。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟流体特性还包括具有非线性材料属性的有限元的元素历史...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈皓，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US