基于Level Set方法的三维爆炸与冲击仿真软件开发及其应用

Based on the mathematical model of 3D multi-material hydro-elastoplastic problems and the conservation equations, material constitutive relationships and failure criteria, the nonconservative dynamic partial differential equations are solved by Level Set method. The key problems in the Eulerian numerical method and the improvement of Level Set method to meets transport volume conservation are studied. The calculation program is written by Fortran language, and pre-process and post-process program are written under the Visual Fortran environment. Data interface between pre-process and post-process program is designed. Data files for pre-process program, post-process program and calculations are unified. The 3-Dimensional simulation software for explosion and impact is developed for the design of weapons systems, significant explosion disaster and so on. This study has important military significance and important defense application prospect.

针对多物质三维流体弹塑性问题的数学模型、材料的本构关系、失效准则等基本方程，结合Level Set方法，对Euler方法中多物质界面处理及输运难题进行研究，探讨如何改进Level Set方法的不足使其体积输运守恒。在此基础上，利用Fortran语言编写计算程序，在Visual Fortran环境下编写前处理和后处理程序，设计计算程序与前后处理程序间的数据接口，规范前处理及计算结果数据文件的数据格式，研制三维爆炸与冲击问题仿真软件，为武器弹药系统的设计、研制和重大爆炸灾害的预测和评估提供重要的理论依据。项目研究具有重要的军事研究意义和重要的国防应用前景。

Level Set方法是处理封闭运动界面随时间演化过程几何拓扑变化的有效工具，已经成为处理广义界面问题最重要的方法之一，广泛应用于各种与曲线演化相关的科学研究和工程计算领域，具有重要的理论研究意义和国防应用背景。针对重新初始化造成的界面位置偏离问题，提出一种固定界面Level Set方法，该方法的基本思想是在重新初始化相邻两次迭代过程中，以固定界面为基本原则，构建保持界面不动满足的等式条件，从而推导光滑参数满足的计算公式。通过重新初始化、常数流场、旋转流场和剪切流场数值结果表明，与传统Level Set方法相比，固定界面Level Set方法改善了流体体积的守恒性，能够捕捉到尖锐、狭窄、细长的界面，且界面的几何变化没有影响到周围流场的速度变化。通过欧拉多介质流体计算结果表明，与传统Level Set方法相比，固定界面Level Set方法有效地抑制了流体界面附近产生的数值振荡和耗散，提高了间断处的分辨率，改善了气泡的质量守恒性，具有较强地捕捉流体界面能力。通过爆轰波阵面传播计算结果表明，与传统Level Set方法相比，固定界面Level Set方法有效地避免了由于误差累积导致的爆轰波阵面偏离现象，具有较高的计算精度和分辨率，能够较为准确地描述爆轰波阵面的传播情况。在此基础上，研制了三维爆炸与冲击问题的仿真软件，为武器弹药系统的设计、研制和重大爆炸灾害的预测和评估提供重要的理论依据。