[发明专利]可变计算域的拉格朗日积分点有限元数值仿真系统及方法

说明书

本发明公开了一种可变计算域的拉格朗日积分点有限元数值仿真系统及方法，所述数值仿真系统包括：前处理模块，所述前处理模块用于根据用户输入的数据依次生成计算域、计算网格、几何模型及物理模型，并存储数值模型数据；求解模块，所述求解模块用于接收数值模型数据，并根据输入的几何物理参数、边界条件组建单元矩阵和大型稀疏总刚矩阵，进行总体数值计算和局部计算，存储并输出仿真分析结果；后处理模块，所述后处理模块用于根据输出的仿真分析结果进行云图、曲线图绘制，及文本数据存储。本发明可以进行滑坡等大变形问题分析，并能显著地提高计算精度和计算效率、降低存储成本。

技术领域

本发明涉及数值仿真技术领域，尤其涉及的是一种可变计算域的拉格朗日积分点有限元数值仿真系统及方法。

背景技术

现有的大变形数值仿真方法主要有离散元方法(DEM)、光滑粒子流体动力学方法(SPH)、颗粒有限元法(PFEM)、物质点法(MPM)以及拉格朗日积分点有限元(FEMLIP)等。

离散元方法(DEM)可用于大变形问题的求解，但该方法在每一计算步均需要追踪每个粒子并进行接触检测，需要耗费大量的计算资源和存储成本。同时，该方法还存在宏细观参数难以验证。光滑粒子流体动力学方法(SPH)可用于流体大变形的模拟，但存在空间不稳定性和难以处理复杂边界的问题。颗粒有限元法(PFEM)可用于流固耦合大变形问题，但进行大变形仿真时需要重建新网格，需要较高的计算运力。物质点法 (MPM)可用于诸如泥石流等大变形问题，但采用线性形函数会造成明显数值误差，使用高阶形函数又会引起更大的计算成本。拉格朗日积分点有限元(FEMLIP)能模拟大变形问题并追踪与时间相关的材料变量，但是该方法为了满足经典有限元方法积分点的条件，在计算域内人为地引入虚拟颗粒，导致计算量增加、引起病态矩阵以及导致材料自由表面出现过度塑性化。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可变计算域的拉格朗日积分点有限元数值仿真系统，可以进行大变形问题的分析，有效的提高计算精度和效率。

本发明的技术方案如下：

一种可变计算域的拉格朗日积分点有限元数值仿真系统，其包括：

前处理模块，所述前处理模块用于根据用户输入的数据依次生成计算域、计算网格、几何模型及物理模型，并存储数值模型数据；

求解模块，所述求解模块用于接收数值模型数据，并根据输入的几何物理参数、边界条件组建单元矩阵和大型稀疏总刚矩阵，进行总体数值计算和局部计算，存储并输出仿真分析结果；

后处理模块，所述后处理模块用于根据输出的仿真分析结果进行云图、曲线图绘制，及文本数据存储；

所述求解模块包括：

流体力学单元，所述流体力学单元配合流体本构模型对各种牛顿流体、非牛顿流体进行计算分析；

固体力学单元，所述固体力学单元配合固体本构模型对各种刚性、线弹性、非线弹性和复杂弹塑性固体进行数值分析；

混合有限元单元，所述混合有限元单元配合UZAWA迭代算法对不可压缩和近似不可压缩材料进行计算分析；

多重网格单元，所述多重网格单元用于添加多重网格单元激活多重网格算法；

固流转化单元，所述固流转化单元配合固流转化本构模型对固流转化问题进行数值计算和仿真模拟；

多场耦合单元，所述多场耦合单元用于热水力多场耦合计算及双向耦合计算；

任意求解域单元，所述任意求解域单元根据仿真对象实时几何构型优化总刚矩阵、降低求解方程个数并计算；