复杂工程预测方法的若干问题与数值软件集成

在常规兵器和尖端武器、工程爆破、安全防护、冲击工程等军事和民用等复杂工程领域中，对一些多物理、多过程、非线性等强耦合的动力学问题，必须依赖于强预测能力和高置信度的数值软件。国外已经开发了许多商业化动力学仿真软件，但真正重要的程序模块，尤其是涉及他们重大经济利益和国防实力对比的核心软件，则一律禁运。国内基础研究和工程设计领域很多都是基于商业软件，自主研发的软件比较零散，不能很好满足当前复杂工程设计的精度要求和开展全过程全系统一体化的模拟，必须有所突破和创新。本项目提出将结构网格与非结构网格统一按非结构任意多边形网格管理，研究高效快速的程序底层数据结构；采用Overlap技术联合欧氏网格与拉氏网格，以实现欧氏与拉氏的耦合；研究、整合和集成一个具有强大数值模拟功能，通用性、易用性和可扩展性强的适应于复杂流动、复杂结构、复杂体系动作行为再现，经过全面验证与确认的高置信度、具有自主产权的新一代软件。

复杂工程数值模拟是对工程物理问题建立（偏）微分方程，采用数值离散方法，基于计算机高级语言开发软件，在高速计算机上分析，再现客观世界物理现象发生过程的数值实验的过程。在工程设计、物理机理研究等领域具有广泛的应用前景。拉氏数值模拟方法是多介质相互作用、多物理过程强耦合的非线性流体力学微分方程大变形问题常采用方法，它能够清晰地描述物质界面，但由于它的特点是网格跟随流体运动导致网格大变形，影响计算的精度甚至成败。此问题一直是常规兵器、尖端武器等军事和民用领域人们关心的重要问题，已成为复杂工程数值模拟的研究热点。但由于复杂工程数值模拟领域大多采用商业软件通常很难在软件中增加和实现好的建模与模拟（M&S），因而开发具有自主知识产权软件仍是一个巨大的挑战。. 该项目通过发展任意多边形非结构网格管理体系与拉氏自适应网格加密、计算过程中智能化网格邻域可变技术，以及改进物质界面单纯滑移、闭穴滑移计算方法，将拉氏有限体积格式推广到任意多边形网格，提出采用OVERLAP技术耦合拉氏与欧氏方法。其拉氏自适应网格加密不同于美国发展的Overlap型和Block-Structured型，其特点是能在拉氏网格细化与粗化过程中保持几何守恒，大大提高计算精度。网格邻域可变技术不同于美国发展的网格重连技术（REALE），其特点是基于计算几何，将拉氏计算过程中网格点与线、线与线、区域边界与边界等相交做网格邻域变化，按任意多边形网格管理，改善计算网格的品质，解决了长期困扰拉氏程序网格大变形的瓶颈问题。自主研发了复杂区域网格生成软件包GenGrid_Pack，多介质前处理程序PreGenGrid，拉氏自适应网格细化与粗化程序模块LAMR2D，拉氏计算过程中邻域可变局部自适应程序模块ADAPT2D、拉氏自适应动力学计算程序模块LAD2D和基于水平集方法的欧氏计算程序模块LE2D，集成了完全具有自主知识产权的多介质大变形问题模拟的通用支撑软件平台WILDKIT，从而能很好支撑高温高压多介质大变形问题的建模与模拟研究。并基于支撑软件平台WILDKIT，开发出针对复杂工程多介质大变形问题的应用软件BOEL2D，极大的提高了复杂工程数值预测能力，在炸药爆轰、材料动力学等武器领域研究中具有很好的应用前景。同时在研发程序的过程中，发展了软件正确性的人为解验证技术和适应性的基准测试模型库确认方法。