一种用于物质点法数值仿真的前处理方法及系统与流程

本发明涉及物质点仿真，具体涉及一种用于物质点法数值仿真的前处理方法及系统。

背景技术：

1、爆炸与冲击问题的数值仿真在民用安全领域和国防领域均具有重大的研

2、究价值。目前，爆炸与冲击问题的数值仿真方法通常分为以下两类手段：

3、一、传统的网格仿真方法

4、常见的网格仿真方法主要有拉格朗日方法、欧拉方法、欧拉-拉格朗日方法、有限元法以及修正面元法等等。例如，申请号为cn202110981198.6的专利申请公开了一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法。该方法采用拉格朗日质点来追踪网格内的介质，使用三阶形函数对质点和网格物理量进行加权双向映射；使用带限制器的光滑质点法处理间断面处存在的显著数值振荡问题；在边界处添加虚拟拉格朗日质点，模拟连续流体，并通过对整体质点的增加与删减，实现流入、流出和周期性边界条件。又例如，参见申请号为cn202210263789.4的发明专利申请，其公开了一种精确捕捉冲击波传播过程的耦合欧拉-拉格朗日方法。该方法采用分区加权双向映射法，通过质点体积域与网格域的重合体积分数对形函数进行加权处理，以提高映射精度。

5、然而，材料与结构在冲击爆炸载荷作用下的动态响应问题是一个非线性的多物理场强耦合问题，这将使得网格仿真处理在爆炸冲击问题中的应用十分受限。例如，尤其是面临涉及特大变形的问题时，可能会因网格严重畸变而产生数据求解困难，且难以有效地模拟材料的破损、融化和气化等行为的问题。又例如，非线性对流项也会影响到网格求解的精度和难度。

6、二、无网格方法

7、为了减小或避免特大变形的仿真问题中所面临的网格畸变、非线性对流项等技术难点，无网格算法逐渐被应用到了冲击爆炸领域。目前，常见的无

8、网格方法主要包括：

9、1)采用mpi的方式对无网格文件进行otm模拟

10、例如，参见申请号为cn202210476665.4的专利申请，其公开了一种基于图拓扑结构的并行最优输运无网格处理方法与系统。该方法基于物质点拓扑连接关系的图结构，对otm算法进行大规模并行。在mpi层基于图拓扑结构开发了计算数据划分方案，将otm模拟进行分布式计算分解，同时利用该图拓扑结构定义各个处理器之间的数据交互方案，完成分布式otm计算的同步。又例如，参见申请号为cn201610875260.2的专利申请，其公开了一种求解材料大变形的双层混合并行最优输运无网格方法。该方法在mpi层发展了一套shadowpoint/node计算数据划分方案，将otm模拟进行分布式计算分解；

11、在多线程层，发展了一套动态负载平衡的多线程并行化计算方案。然而，上述方案虽然采用了并行化方式以尝试优化无网格处理方法的运算效率，但是，

12、其所耗费的总计算时间仍然较长，且对于计算设备的硬件要求仍然较高。

13、2)物质点法

14、物质点法是研究损伤模拟(如冲击爆炸问题)的有效手段之一，其采用拉格朗日和欧拉双重描述，吸收了拉格朗日法和欧拉法的优点，适用于分析特大变形及流动问题。参见黄鹏,张雄,马上,等.基于openmp的三维显式物质点法并行化研究[j]，计算力学学报,010,27(1):7.doi:cnki:sun:jsjg.0.2010-01-004，该文公开了采用张雄教授团队所研发的物质点法数值仿真软件mpm3d在求解超高速碰撞、侵彻、爆炸等问题中的应用。采用以上物质点仿真方法或mpm3d软件可以有效地提高损伤模拟仿真结果的准确性和可靠性。

15、目前来说，对于外形相对简单的规则体的物质点生成或转换，可以直接采用mpm3d软件进行处理。但是，当待研究对象为外形复杂度偏高的非规则体时，mpm3d软件则难以完成物质点的处理或转换工作。当下针对非规则体模型的物质点仿真，一般有两种处理方式：

16、一是先利用ansys软件建模，划分网格后生成k文件，然后再利用与mpm3d软件配套的物质点转换程序将k文件转换成符合mpm3d要求的物质点文件，最后将物质点文件输入mpm3d软件完成后续仿真。

17、二是工作人员可以借助matlab编写小程序以将模型或网格转换为相应格式的物质点文件，再利用mpm3d完成后续仿真。

18、然而，上述两种非规则体的处理方法，在算法的扩展性上相对受限。尤其是涉及到网格生成、物质点转换两个阶段，这两个阶段的耦合难度较大。

19、例如，现有软件自动生成的网格并不一定适用于直接生成物质点，换句话说，由网格直接生成的物质点并不一定满足仿真条件。因此，其对于人工参与的需求度较高，如可能需要工作人员人工介入调整，甚至可能对网格生成、物质点转换过程进行多次重复试验。由此也会影响整个物质点仿真过程的进度。

20、此外，上述非规则的处理方法在转换效率上也有待提高，并且对设备性能提出了一定的要求(如需要计算机具备较高的算力)。

21、因此，当前亟需一种可以提高非规则体模型的物质点转换过程的扩展性和处理效率的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于外部非规则体模型的质点离散方法及系统，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够提高非规则体的物质点生成效率。

2、本发明第一方面提供了一种用于外部非规则体模型的质点离散方法，包括步骤：

3、s101获取第一共享文件系统，所述第一共享文件系统提供至少一个坐标访问路径，所述坐标访问路径用于访问非规则体的网格模型的顶点坐标数组；以及提供至少一个索引访问路径，所述索引访问路径用于访问与所述顶点坐标数组相关联的至少一个索引数组；

4、s102按照预设的拆分规则将所述网格模型拆分为至少一个局部网格区域，并根据所述局部网格区域的网格点信息通过所述索引访问路径从所述第一共享文件系统中获取到对应的顶点索引数据集合；

5、s103将所述顶点索引数据集合对应地发送给至少一个第一节点，所述第一节点通过所述坐标访问路径查找到与顶点索引数据相关联的顶点坐标，并采用物质点转换方法将所述顶点坐标转换为物质点数据，且所述物质点数据包括：物质点的质量、x坐标、y坐标、z坐标；

6、s104获取第二共享文件系统，所述第二共享文件系统提供至少一个区域访问路径，所述第一节点可以通过所述区域访问路径在对应的存储区域中写入和/或读取所述物质点数据；

7、s105所述第二共享文件系统提供共享访问路径，第二节点可以通过所述共享访问路径获取到所述第二共享文件系统中的所述物质点数据和对应存储路径，并根据存储路径将所述物质点数据连接以生成物质点文件。

8、在一些实施例中，s101之前，还包括步骤：

9、s106获取输入的模型文件，所述模型文件包括：用于描述或模拟非规则体的损伤状态的相关数据；

10、s107获取所述模型文件的格式，并采用预设的脚本关系映射规则通过所述格式选取到对应的网格处理条件，其中，所述网格处理条件包括以下一种或多种：解析脚本、工作流、网格划分算法；

11、s108根据所述网格处理条件对所述模型文件进行网格划分处理，以得到对应的网格模型，所述网格模型由四面体网格和/或六面体网格组成；

12、s109获取所述四面体网格和/或六面体网格的网格点信息，并对应创建得到网格模型的顶点坐标数组；

13、s110根据所述顶点坐标数组对应地创建得到顶点索引数组；以及创建与所述四面体网格和/或六面体网格相对应的四面体索引数组和/或六面体索引数组；

14、s111根据所述顶点坐标数组和至少一个索引数组创建得到所述第一共享文件系统。

15、在一些实施例中，当网格为四面体网格时，s103包括步骤：

16、获取所述四面体网格的顶点的索引数据，并通过所述坐标访问路径查找到所述四面体网格的顶点坐标；

17、采用所述顶点坐标计算所述四面体网格的体积；

18、采用质心计算函数通过所述体积和所述顶点坐标计算所述四面体网格的质心及其坐标；

19、采用质量计算函数通过所述体积和密度计算所述四面体网格的质量；

20、将所述质心记录为与所述四面体网格相对应的物质点，并将对应的坐标和质量记录为所述物质点数据。

21、在一些实施例中，在s109之前，还包括步骤：

22、获取用于评估所述网格模型的预设的标准条件，并判断s108中所得的所述网格模型是否符合所述标准条件，所述标准条件包括以下一种或多种：雅各比矩阵、网格单元的长短比、二面角、卷积或体积、边的比率、升级率；

23、当所述网格模型符合所述标准条件时，则执行步骤s109，若否，则对所述网格处理条件进行更新，并根据新的网格处理条件再次执行步骤s108。

24、在一些实施例中，s102包括步骤：

25、获取所述第一节点的工作信息，所述工作信息包括：第一节点的可用数量n，第一节点的计算空间λi；

26、按照所述拆分规则根据所述工作信息对所述网格模型拆分，以得到至少一个局部网格区域，其中，所述拆分规则中的所述局部网格区域的尺寸xa与对应的第一节点的计算空间λa之间的关系为：

27、其中，i＝1，2，……n，y为网格模型的尺寸。

28、在一些实施例中，所述第一共享文件系统存储在计算机的内存空间中，

29、所述第二共享文件系统存储在所述计算机的外部空间(或者说，外存空间)中。

30、在一些实施例中，s103包括步骤：

31、采用ray分布式框架将第一节点上的所述顶点索引数据集合拆分为至少一个顶点索引子集；

32、根据所述顶点索引子集的数量在与所述第一节点对应的存储区域中部署相应数量的存储子区域；

33、分别将根据所述索引子集计算所得的物质点数据块发送至所述存储子区域中，并记录下所述物质点数据块的存储子路径；

34、通过所述存储子路径将所述物质点数据块串联得到与所述顶点索引数据集合相对应的物质点数据。

35、在一些实施例中，还包括步骤：

36、对所述第一节点的运行状态进行监测，所述运行状态包括：正常、异常；

37、当监测到所述运行状态为异常时，将与所述第一节点相关联的索引数据集合发送至第三节点；所述第三节点通过所述索引数据集合查找到对应的顶点坐标，并采用物质点转换方法将所述顶点坐标转换为物质点数据；

38、所述第三节点通过新的区域访问路径以将所述物质点数据写入对应的存储区域中。

39、在一些实施例中，所述模型文件的格式包括输入格式和输入参数；其中，

40、所述输入格式包括以下一种或多种：kpoint文件、stp文件、stl文件、vtk文件、msh文件；所述输入参数包括以下一种或多种：并行进程数量、网格密度、网格的最大离散尺寸、最小离散尺寸。

41、在一些实施例中，所述物质点文件的存储格式为文本文件存储或者二进制文件存储。

42、本发明第二方面还在于，提供了一种用于外部非规则体模型的质点离散系统，包括：

43、网格索引模块，被配置为用于获取第一共享文件系统，所述第一共享文件系统提供至少一个坐标访问路径，所述坐标访问路径用于访问非规则体的网格模型的顶点坐标数组；以及提供至少一个索引访问路径，所述索引访问路径用于访问与所述顶点坐标数组相关联的至少一个索引数组；

44、网格拆分模块，被配置为用于按照预设的拆分规则将所述网格模型拆分为至少一个局部网格区域，并根据所述局部网格区域的网格点信息通过所述索引访问路径从所述第一共享文件系统中获取到对应的顶点索引数据集合；

45、物质点转换模块，被配置为用于将所述顶点索引数据集合对应地发送给至少一个第一节点，所述第一节点通过所述坐标访问路径查找到与顶点索引数据相关联的顶点坐标，并采用物质点转换方法将所述顶点坐标转换为物质点数据，且所述物质点数据包括：物质点的质量、x坐标、y坐标、z坐标；

46、物质点存储模块，被配置为用于获取第二共享文件系统，所述第二共享文件系统提供至少一个区域访问路径，所述第一节点可以通过所述区域访问路径在对应的存储区域中写入和/或读取所述物质点数据；

47、物质点文件生成模块，被配置为用于所述第二共享文件系统提供共享访问路径，第二节点可以通过所述共享访问路径获取到所述第二共享文件系统中的所述物质点数据和对应存储路径，并根据存储路径将所述物质点数据连接以生成物质点文件。

48、有益技术效果：

49、针对外部形状复杂的非规则体，如建筑物、山地等场景损毁问题的物质点仿真，本发明提供了一种新的物质点离散方法，以在于提高物质点离散过程(或者说物质点生成)的效率和可扩展性。具体地，本发明一方面针对网格数据创建了“顶点坐标-顶点索引-四面体索引(或六面体索引)”的三方对应索引关系，另一方面还创建了第一共享文件系统和第二共享文件系统，其中，各个共享文件系统中通过设置独立的存储空间，以及提供独立的访问路径以提高数据读取流程、数据写入流程的相互独立性。由此，本发明所采用的三方索引关系与多访问路径的共享文件系统相互配合，既能够提高海量物质点转换任务的可拆解性，同时能够协调与平衡分布式运算过程中多任务的数据读写冲突以及存储资源矛盾等问题，进而通过高独立性的多进程运算提高非规则体的物质点转换过程的可扩展性和运算效率。

50、并且，本发明还针对四面体网格的物质点转化提供了一种最小单元转换流程，从而进一步地提高分布式运算中各任务进程的相对独立性。其中，最小单元转换流程与三方索引模式、多访问路径的共享系统相互配合，既能够提高复杂非规则体模型的任务拆分、分配的灵活性。而这种任务拆分、分配的灵活性进一步地优化了物质点转换过程的可扩展性，有利于解决数亿级别的网格点的数据处理问题。

51、综上，本发明所采用的物质点离散方法可在不影响非规则体的网格质量和计算精度的情况下，极大提升网格划分和物质点生成速度，并可以快速地产生亿级以上的大规模物质点数据。因此，本发明实际上也在一定程度上减小了用户对计算设备的算力的要求，而这对于当前的大型建筑物、山地等对象的爆炸损伤模拟过程具有显著的意义。