[发明专利]一种基于连续介质力学的流固耦合高精度数值模拟方法

说明书

本发明提出一种基于连续介质力学的流固耦合的高精度数值模拟方法，属于流固耦合数值模拟技术领域。本发明实现方法如下：基于本质无震荡(WENO)有限差分方法，同时耦合水平集方法(Level‑Set)和真实虚拟流体方法(RGFM)的联合算法，实现连续介质力学的流固耦合的高精度数值模拟。WENO有限差分格式能通过选取空间模板格点实现空间的高精度离散，保证计算精度并显著降低冲击波的耗散；Level‑Set方法能有效处理多物质界面的复杂拓扑结构变化；RGFM方法能有效抑制冲击波与物质界面相互作用产生的非物理振荡问题。本发明能提高对流固耦合过程预测的准确性，进而解决流固耦合领域相关工程技术问题。流固耦合领域包括高速侵彻武器、防护装备、航空航天、机械工程领域。

技术领域

本发明涉及一种基于连续介质力学的流固耦合的高精度数值模拟方法，属于流固耦合数值模拟技术领域。

背景技术

爆炸发生时会伴随着巨大能量的瞬时释放，产生的爆炸冲击波会对周围结构造成灾难性破坏。认识爆炸冲击波与结构目标相互作用机制，对于预防爆炸灾害的发生具有重要意义。目前，研究爆炸与冲击问题的主要手段包括理论分析、实验和数值模拟。由于爆炸与冲击问题具有强非线性动力学行为，给理论研究带来了巨大的挑战。实验研究虽然具有客观性等优点，但存在一定的危险性，且需要大量的科研经费作为支撑。而数值模拟在一定程度上比理论和实验对问题及机制的认识更加细致和深刻，可以重复地、不间断地呈现爆炸波传播及其与结构的相互作用，揭示实验很难观测到的发生在极短时间内的内部物理现象。综上，本发明提出的方法具有重要的技术背景。

传统的多物质相互作用研究方式主要包括理论分析和实验测试。

理论分析通过建立和求解包括流体、固体运动方程、物质状态方程、边界条件等在内的封闭方程组，得出相关物理状态的解析解。这种方法在早期研究中具有一定指导意义，但同时也存在很大缺陷：(1)理论模型较为简单，研究结果无法解决复杂多变的实际工程问题。(2)推导过程中引入了很多人为假设，这与实际工况存在很大差距。(3)理论求解涉及许多复杂的数学变换，研究难度大。

实验测试是最为直接和准确的研究方法，但由于爆炸冲击过程持续在ms量级，对实验测量技术提出了很高的要求。实验测试的不足在于：(1)非接触测量实验试件内部参数在ms量级的实验技术有待于进一步研究。(2)实验具有破坏性，相关测量仪器的损耗很大，实验成本较高。(3)实验中往往存在不确定因素，可重复性较差。

随着计算机的发展，数值模拟已成为研究爆炸与冲击问题的重要工具。该技术的优势在于：(1)解决实际工程问题的效率高，适应性强，操作简单。(2) 与实验研究相比，数值模拟成本低廉，无安全风险。从上世纪60年代起，以美国三大国家武器实验室为代表，进行了大量的爆炸与冲击数值计算程序的研发工作，实现了仿真软件如AUTODYN、LS-DYNA、AUTOREGAS等在世界范围内的绝对优势地位。这些软件功能非常强大且具有很好的人机交互界面，给国内用户带来了极大的便利，但是国外进口的大部分商业软件只是开放软件的部分功能，源代码是严格保密的，使得我们很难加入新的算法模块进行功能拓展，在应用上受制于人。国内外学者提出了无网格MPM、MMALE算法等。然而这些方法许多采用低阶精度格式，影响了计算结果的准确性，加大了冲击波的耗散，在高速侵彻武器及新型防护装备的研制的高速发展大背景下，以上两点不足亟待弥补。

发明内容

针对现有技术中流固耦合数值模拟方法采用低阶精度格式，存在影响计算结果的准确性、加大冲击波耗散的问题，本发明公开的一种基于连续介质力学的流固耦合高精度数值模拟方法要解决的技术问题是：实现基于连续介质力学的流固耦合高精度数值模拟，降低冲击波耗散，提高对流固耦合过程预测的准确性，进而解决流固耦合领域相关工程技术问题。

所述流固耦合领域包括高速侵彻武器、防护装备、航空航天、机械工程领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。