執行水下爆炸的數字模擬的系統和方法與流程
2023-05-27 12:33:56
本發明總的涉及計算機輔助工程分析中使用的方法、系統和軟體產品，更具體地，涉及執行水下爆炸的有效數字模擬的方法。
背景技術：
有限元分析(FEA)是使用數位技術的計算機執行的方法，用於尋找表示複雜系統(例如三維非線性結構設計和分析)的偏微分方程式的合適解。FEA源於在民用和航空工程中解決複雜彈性和結構分析問題的需要。隨著計算機技術的進步，FEA已經成為輔助工程師和科學家在改進結構設計(例如，汽車、飛機等)中做出決策的重要工具。當將FEA應用於時域中解決物理問題或事件時，它被稱為時間推進模擬。一般來說，時間推進模擬包括多個求解周期。作為特定時間的總模擬的快照，在每個求解周期獲得FEA結果或者解。
隨著FEA的普及，FEA的使用已經適於模擬更加複雜的物理現象，例如，由於水下爆炸的流體特性。為了數字模擬這樣的特性，優選使用被稱為基於任意拉格朗日-歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)的有限元分析方法。
使用基於ALE的FEA方法來執行水下爆炸的數字模擬的常見做法是，由於計算資源的限制，僅對流體域的有限部分進行建模。源於流體域內的元應力波，作為爆炸的結果，將會在FEA模型的邊界處被反射。當邊界被建模得離爆炸源太近時，這樣的應力波反射引起不正確的模擬結果。改正這種問題/缺點的現有技術的方法是放大FEA模型，或者在有限元模型的邊界應用人工法向和剪切應力，以補償這種應力波反射的影響，雖然這種現有技術的方法可以減少一些影響，但它不能消除它們。此外，現有技術的方法需要不容易實施的許多特別技術。
因此，期望具有執行水下爆炸的時間推進數字模擬以避免上述缺點的改進系統和方法。
技術實現要素：
公開了執行水下爆炸的時間推進數字模擬的系統和方法。根據一方面，在計算機系統中定義和接收水下爆炸源和有限元分析(FEA)模型的特徵，FEA模型包含由多個有限元連接的多個節點，多個有限元表示圍繞爆炸源的流體域。基於任意拉格朗日-歐拉(ALE)的有限元分析(FEA)應用模塊被安裝在計算機系統中。由於幾何對稱，FEA模型可表示流體域的僅一部分。
位於流體域的初始外邊界上的節點和元素分別被識別為初始邊界節點和初始邊界元素。然後在初始邊界節點和初始邊界元素之間的流體域的初始外邊界外，創建新邊界節點和新邊界元素的一個額外層。新邊界元素的尺寸使得，沒有任何新邊界元素比初始邊界元素的最小的那一個更小。每一個新邊界元素/節點與作為對應的主元素/節點的初始邊界元素/節點之一相關聯。
在時間推進數字模擬中，使用多個時間步長中預定持續時間的修改的FEA模型，獲得作為水下爆炸的結果的模擬流體特性，水下爆炸源於爆炸源。
在時間推進模擬的每個時間步長，採用基於ALE的FEA模型，為除了新邊界元素的所有元素計算模擬流體特性。然後計算的初始邊界元素的流體特性被保存在各自的查找表中，每個初始邊界元素一個表。每個查找緩存都被配置為：為預定數量的時間步長、以先入先出(FIFO)的方式存儲所計算的流體特性。
通過採用計算的爆炸波從對應的主元素到每個新邊界元素的傳播時間，對對應的主元素的查找緩存內存儲的流體特性進行插值，確定每個新邊界元素的模擬流體特性。
通過以下結合附圖對具體實施方式的詳細描述，本發明的其他目的、特徵和優點將會變得顯而易見。
附圖說明
參照以下的描述、後附的權利要求和附圖，將會更好地理解本發明的這些和其它特徵、方面和優點，其中：
圖1A-1B是根據本發明的一個實施例的闡述執行水下爆炸的時間推進數字模擬的示例性過程的共同流程圖。
圖2是源自爆炸源的示例性水下爆炸的正視圖；
圖3A-3C是根據本發明的一個實施例的表示爆炸源的流體域和位置的示例性FEA模型的示意圖；
圖4A是根據本發明的一個實施例的可用於表示二維空間中的流體的示例性4-節點四邊形有限元的示意圖；
圖4B是根據本發明的一個實施例的可用於表示三維空間的流體的示例性8節點六面體的有限元的示意圖；
圖5是根據本發明的一個實施例的爆炸壓力與時間的示例性關係的X-Y曲線圖；
圖6示出了根據本發明的一個實施例的創建示例性FEA的新邊界節點/元素的額外層的順序的一系列示意圖；
圖7A-7B是根據本發明的實施例的將新邊界節點/元素與對應的主節點/元素示例性關聯的示意圖；
圖8是根據本發明的實施例的示例性查找表的數據結構的示意圖；
圖9是根據本發明的實施例的時間推進數字模擬的持續時間的示例滑動時間窗口的示意圖；以及
圖10為表示示例性計算機的主要部件的功能圖，本發明的實施例可以在其中實現。
具體實施方式
首先參照圖1A-1B，它共同示出了根據本發明的實施例的執行水下爆炸的時間推進數字模擬的示例性過程100。過程100可以在軟體(例如，基於ALE的FEA應用模塊)中實施，並優選地參照其它附圖理解。
圖2描繪了具有爆炸波(以虛線圓示出)的爆炸源(示為實心點)的正面圖，爆炸波傳播通過示例性水下爆炸中的流體域。這樣的水下爆炸的數字模擬可以使用本發明的一個實施例來進行。
通過在動作102中、在計算機系統(例如，圖10的計算機系統1000)中接收水下爆炸源和有限元分析(FEA)模塊的特徵，開始過程100，FEA模型表示爆炸源周圍的流體域，計算機系統上安裝有基於任意拉格朗日(ALE)的FEA應用模塊。
FEA模型包含由多個有限元連接的多個節點。具有爆炸源312的第一示例性FEA模型310在圖3A中示出。可替代地，由於幾何對稱，具有爆炸源322-332的第二和第三FEA模型320-330分別在圖3B和圖3C中示出。為了說明的簡單起見，這些FEA模型310-330在二維中畫出。本領域的普通技術人員將知道，FEA模型可以以三維繪製。
可以在示例性FEA模型中使用的示例性有限元在圖4A-4B中示出：二維的4節點四邊形元素410和三維的8節點六面體有限元420。
水下爆炸源的特徵至少包括爆炸源(例如，圖3A-3C的爆炸源313、322、332)的位置和爆炸波的速度和壓力。圖5是根據本發明的一個實施例的由於特定位置上的爆炸、壓力504與爆炸壓力500的時間502的示例性曲線的X-Y曲線圖。時間是零或t0時，爆炸壓力500等於初始環境壓力P0520(例如，在開放空間中的大氣壓力)，並且將保持不變，直到時間t1。爆炸壓力500然後跳轉到峰值壓力P1512，其對應於當爆炸波到達特定位置的時刻。峰值壓力P1512的幅度是特定位置和爆炸源之間的距離與爆炸源的質量的函數。爆炸壓力500隨後下降。根據傳輸介質的類型(例如，空氣、水)與特定位置，爆炸壓力500的尾部部分514可以以各種形式衰減。
返回參照過程100，在動作104，這些節點和位於流體域的初始外邊界(即，FEA模型的邊界)上的有限元被分別識別為初始邊界節點和初始邊界元素。圖6示出了示例性FEA模型600，具有初始邊界節點612(實心點)和初始邊界元素614(較淡的陰影元素)。接著，在動作106中，新邊界節點622的一個額外層被創建，以形成初始邊界節點612和新邊界節點622之間的新邊界元素624(較深的陰影元素)的一個層。新邊界元素624的尺寸使得，沒有任何新邊界元素624比初始邊界元素614的最小的一個更小。
在動作108中，每一個新邊界元素與作為其主元素的最接近的相鄰初始邊界元素相關聯，每一個新邊界節點與作為其主節點的初始邊界節點的最接近的一個相關聯。
節點關聯的實施例在圖7A示出，新邊界節點702與作為其主節點的第一初始邊界節點712相關聯。第二初始邊界節點714是三個新邊界節點704a-704c的主節點。此外，第三初始邊界節點716是新邊界節點706的主節點。圖7B示出了示例的元素關聯。第一初始邊界元素732是新邊界元素722的主元素。第二初始邊界元素734是三個新邊界元素724a-724c的主元素。第三初始邊界元素736是新邊界元素726的主元素。
然後，在動作110，通過使用多個時間步長中預定持續時間的修改的FEA模型(即，具有新邊界元素的額外層的初始FEA模型)來執行時間推進數字模擬，獲得作為水下爆炸的結果的模擬流體特性，水下爆炸源於爆炸源。持續時間可以由用戶或者由基於ALE的FEA應用模塊中的特徵預先確定。在一個實施例中，用戶可以通過輸入值(例如，0.1秒、0.5秒等)設置模擬的持續時間。在另一個實施例中，應用程式模塊可具有默認值(例如，0.25秒，0.75秒等)。在又一個實施例中，應用程式模塊可具有選項，以檢測特定的結束條件(例如，爆炸波已經衰減低於閾值，等等)。
接著，在動作112，為了避免每次爆炸波(應力波)從初始外邊界反射，以下操作/動作由基於ALE的FEA模塊執行。在動作112a，為除了新邊界元素的所有元素計算模擬流體特性。換句話說，初始FEA模型中的所有有限元像內部有限元那樣被處理，因此沒有爆炸波/應力波的反射將會發生。模擬流體特性至少包括每個有限元的元素應力、元素應變和節點速度。對於具有非線性材料屬性的有限元，模擬流體特性進一步包括用於重構非線性事件(例如，裝卸路徑)的元素歷史變量。
在動作112b，所計算的初始邊界元素和節點的模擬流體特性被保存到各自的查找表中，每個初始邊界元素一個表。每個表都被配置為：為預定數量的時間步長、以先入先出(FIFO)的方式存儲所計算的流體特性。圖8示出了查找表的示例性數據結構。為預定數量的時間步長(例如，步驟t、t-Δt、t-2Δt、…、t-nΔt)存儲元素應力、元素應變、節點速度和可選元素歷史變量形式的流體特性。「t」表示當前模擬時間，而Δt表示每個時間步長的大小。「n」是整數。在本實施例中，預定數量為「n+1」。
圖9中所示的FIFO表包括時間推進模擬的持續時間的時間滑動窗口。查找表的大小取決於預定數量的時間步長，這可以通過基於ALE的FEA應用模塊中的某些特徵(例如，默認值、用戶定義的值，等)來確定。本領域的普通技術人員將會知道，滑動窗口為預定數量的時間步長保持計算結果，該預定數量的時間步長相對模擬時間(t)向前移動。換句話說，隨著模擬在時間上向前推進，最新計算的結果被存儲到查找表中，而最舊的保存結果被移除(即，先入先出)。
在動作112c，計算爆炸波從對應的主元素到每個新邊界元素的傳播時間。一個示例性方案是通過聲音在流體中的速度來劃分這兩個元素(即，主元素和每一個新邊界元素)之間的距離。由於主元素和每一個新邊界元素可位於不與爆炸源對準的位置，距離計算可以包括考慮爆炸波和主元素的方向之間的相對角度。
最後，在動作112d，通過採用計算的爆炸波傳播時間，對對應的主元素的查找表的之前存儲的模擬流體特性進行插值，確定每個新邊界元素的模擬流體特性。
根據一方面，本發明涉及一個或多個能夠執行在此描述的功能的計算機系統。計算機系統1000的例子在圖10中示出。計算機系統1000包括一個或多個處理器，例如處理器1004。處理器1004連接到計算機系統內部通信總線1002。關於該示範性的計算機系統，有各種軟體實現的描述。在讀完這一描述後，相關技術領域的人員將會明白如何使用其它計算機系統和/或計算機架構來實施本發明。
計算機系統1000還包括主存儲器1008，優選隨機存取存儲器(RAM)，還可包括輔助存儲器1010。輔助存儲器1010包括例如一個或多個硬碟驅動器1012和/或一個或多個可移除存儲驅動器1014，它們代表軟盤驅動器、磁帶驅動器、光碟驅動器等。可移除存儲驅動器1014用已知的方式從可移除存儲單元1018中讀取和/或向可移除存儲單元1018中寫入。可移除存儲單元1018代表可以由可移除存儲驅動器1014讀取和寫入的軟盤、磁帶、光碟等。可以理解，可移除存儲單元1018包括其上存儲有計算機軟體和/或數據的計算機可讀媒介。
在可選實施例中，輔助存儲器1010可包括其它類似的機制，允許電腦程式或者其它指令被裝載到計算機系統1000。這樣的機制包括例如可移除存儲單元1022和接口1020。這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口(例如，視頻遊戲設備中的那些)、可移除存儲晶片(例如可擦除可編程只讀存儲器(EPROM))、通用串行總線(USB)快閃記憶體、或者PROM)以及相關的插槽、以及其它可移除存儲單元1022和允許軟體和數據從可移除存儲單元1022傳遞到計算機系統1000的接口1020。通常，計算機系統1000由作業系統(OS)軟體控制和管理，作業系統執行例如進程調度、存儲器管理、網絡連接和I/O服務。
可能還設有連接到總線1002的通信接口1024。通信接口1024允許軟體和數據在計算機系統1000和外部設備之間傳遞。通信接口1024的例子包括數據機、網絡接口(例如乙太網卡)、通信埠、個人計算機存儲卡國際協會(PCMCIA)插槽和卡等等。
計算機1000基於一組特定的規則(也就是，協議)通過數據網絡與其它計算設備通信。通用協議的其中一種是在網際網路中通用的TCP/IP(傳輸控制協議/網際網路協議)。通常，通信接口1024將數據文件組合處理成較小的數據包以通過數據網絡傳輸，或將接收到的數據包重新組合成原始的數據文件。此外，通信接口1024處理每個數據包的地址部分以使其到達正確的目的地，或者中途截取發往計算機1000的數據包。
在這份文件中，術語「電腦程式媒介」和「計算機可用媒介」都用來指代媒介，例如可移除存儲驅動器1014和/或設置在硬碟驅動器1012中的硬碟。這些電腦程式產品是用於將軟體提供給計算機系統1000的手段。本發明涉及這樣的電腦程式產品。
計算機系統1000還包括輸入/輸出(I/O)接口1030，它使得計算機系統1000能夠接入顯示器、鍵盤、滑鼠、印表機、掃描儀、繪圖儀、以及類似設備。
電腦程式(也被稱為計算機控制邏輯)作為應用模塊1006存儲在主存儲器1008和/或輔助存儲器1010中。也可通過通信接口1024接收電腦程式。這樣的電腦程式被執行時，使得計算機系統1000執行如在此所討論的本發明的特徵。特別地，當執行該電腦程式時，使得處理器1004執行本發明的特徵。因此，這樣的電腦程式代表計算機系統1000的控制器。
在本發明採用軟體實現的實施例中，該軟體可存儲在電腦程式產品中，並可使用可移除存儲驅動器1014、硬碟驅動器1012、或者通信接口1024加載到計算機系統1000中。應用模塊1006被處理器1004執行時，使得處理器1004執行如在此所述的本發明的功能。
主存儲器1008可被加載有一個或多個應用模塊1006(例如，離散元方法)，所述應用模塊1006可被一個或多個處理器1004執行以實現期望的任務，所述處理器可具有或不具有通過I/O接口1030輸入的用戶輸入。在運行中，當至少一個處理器1004執行一個應用模塊1006時，結果被計算並存儲在輔助存儲器1010(也就是，硬碟驅動器1012)中。有限元分析的結果和/或狀態(例如，裂紋擴展)以文字或者圖形表示在耦合到計算機的監視器的方式通過I/O接口1030報告給用戶。
雖然參照特定的實施例對本發明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的，並不用於限制本發明。本技術領域的人員可得到暗示，對具體公開的示範性實施例做出各種修改和改變。例如，儘管時間步長大小(Δt)被示為常數，但非常數的時間步長大小也可以用來實現時間步長。總之，本發明的範圍不限於在此公開的特定示範性實施例，對本技術領域人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和範圍以及後附權利要求的範圍內。