三维爆炸与冲击问题的质点网格生成算法与软件开发

Numerical simulation is a popular way to study the explosion and impact problems, and plays a huge role in the development of weapons and ammunition design and safety protection. However, grid generation technology is a key point affecting the accuracy of numerical simulation results. With the development of numerical methods, the particle method and mixed method of grid and particle have been applied in more and more applications, which put forward new requirements for grid generation software. In order to adapt to a variety of particle calculation methods, this project aims to use ray cast method and slicing grid method to generate particle model or grid particle model with arbitrarily geometrical model. The criteria for measuring the particle discrete will be studied to improve the compatibility of the discrete model and the original model. In order to a stable and efficient generation procedure, redundancy information filtering method of STL file and topology reconstruction method will be studied. For rendering large-scale geometric elements, a suitable hidden surface elimination algorithm will be designed. Using methods in software engineering, the program structure will be optimized through packing independent algorithm library and improving scalability. Data interface to the numerical stimulation program will be designed for transferring grid particle information. An efficient and stable software will be developed. Finally, combining with numerical simulation of typical explosion and impact problems, the experiments will be carried out to verify the accuracy of simulation.

数值模拟是研究爆炸与冲击问题的重要手段，在武器弹药设计和安全防护等工程领域发挥着巨大作用，而网格生成技术是影响数值模拟结果的关键因素。随着数值计算方法的发展，质点类方法和质点网格混合方法得到了越来越多的应用，这对网格生成软件提出了新的要求。为了适应多种质点类计算方法，本项目拟采用射线穿透法和切片网格法将任意形状几何模型离散为质点模型或质点网格混合模型，并研究衡量质点离散效果的标准，提高离散模型与原模型的契合度；为了使生成过程稳定高效，研究STL文件的冗余信息滤除方法和拓扑结构重构方法；研究大规模几何图元绘制方法，设计合适的隐藏面消除算法提高绘制速度；利用软件工程的方法，优化程序结构，封装自主开发的算法库，提高程序扩展性，并为数值计算程序设计数据接口传递网格质点信息，开发出高效稳定、功能丰富的前处理软件；最后结合典型的爆炸与冲击问题进行数值模拟，开展相关实验验证。

本项目针对三维复杂爆炸与冲击问题数值模拟对欧拉及欧拉-拉格朗日粒子耦合网格的大规模快速生成需求，重点开展了质点网格生成算法、基于射线穿透算法的三维笛卡尔网格生成方法以及基于GPU的并行笛卡尔网格生成方法研究，自主开发了三维爆炸与冲击问题质点网格生成前处理软件，主要研究成果如下：（1）采用基于哈希算法的冗余边快速滤除技术和基于ADT树的面片信息重构技术，加速了对CAD软件生成的STL文件的解析效率；（2）基于高效切片法生成的有限差分网格，研究了质点生成算法和网格与质点相对位置计算规则，实现了多种质点分布的生成；开展了网格与质点可视化研究，使前处理软件能够单独显示网格、质点以及网格质点混合可视化；（3）开展了基于射线穿透算法的三维笛卡尔网格生成方法的研究，该方法主要分为三个主要步骤：射线生成、几何相交计算和介质属性映射，通过对每一步骤中对网格生成结果准确性有重要影响的部分进行详细分析和改进，增强了网格生成算法的准确性和鲁棒性；（4）针对三维爆炸与冲击问题数值模拟中对多介质、大规模网格的生成需求，提出了一种适用于大规模复杂场景的基于GPU的并行笛卡尔网格生成方法，并用CUDA实现了该算法；（5）以软件工程思想为基础，自主开发了PMESH-3D三维爆炸与冲击问题质点网格生成前处理软件，分析了软件文件管理、实体造型、网格剖分、三维图形可视化以及图形交互五大功能模块的主要功能；（6）通过对大型复杂建筑中的爆炸冲击波传播和弹体高速侵彻钢筋混凝土问题的数值模拟，验证了前处理软件的网格生成能力和有效性；（7）开展了小口径弹体侵彻混凝土靶的实验研究，为进一步深入验证前处理软件的功能提供了可靠的数据支撑。项目执行期间共发表EI收录论文4篇，在线发表SCI期刊论文1篇、EI期刊论文1篇；授权计算机软件著作权3项；毕业博士研究生3名，硕士研究生2名。

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