数值计算在武器效应与毁伤评估研究中的应用简析.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.024 数值计算在武器效应与毁伤评估研究中的应用简析 刘 夏明\m1,2 1.军事科学院国防工程研究院，洛阳471023 ；2,河南省特种防护材料重点试验室，洛阳471023 摘要数值计算是武器效应与毁伤评估研究的重要途径，其作用集中体现在指导试验设计、优化方案，拓 展试验结果及作为理论与试验研究的补充手段三方面。由国外武器效应数值计算软件的基本特点与国内效 应计算软件的发展现状可知，国外商业软件的突出优势是研发力量强、操作方便、计算精度与结果可靠性高， 前、后处理软件丰富，且计算并行化。从总体上看目前我国数值计算仍受制于人，在基袖数据、求解规模、计 算能力、二次开发四方面发展相对滞后;基于开源数值计算软件包进行二次开发是迅速缩小与国外成熟软件 差距的有效途径。 关键词数值计算；武器效应；毁伤评估；二次开发 中图分类号0383 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0153 - 06 Brief Application Analysis of Numerical Computation in Weapon Effects and Damag e Assessments LIU Fei1, WANG Jian-hui1 ,ZH0U So ng-b ai1 ,XIA Ming, REN Xin-jian1 1. I n st it u t e o f Def en se En gin eer in g, AMS, PLA, Lu o y a n g 471023 , Chin a ； 2. Hen a n Key La bo r a t o r y o f Spec ia l Pr o t ec t ive Ma t er ia l s,Lu o y a n g 471023 , Chin a Abstract Numerical computation is an important way to study weapon effects and damage assessments. Its func tion is mainly reflected in three aspects guiding test designs, optimizing schemes, and expanding test results as a sup plementary means of theoretical and experimental researches. According to the basic characteristics of foreign software and the development status of domestic software for numerical computation of weapon effects, the outstanding advan tages of foreign commercial software are strong research and development ability, convenient operation, high calcula tion accuracy and reliability, rich pre-processing and post-processing software, and parallel computing. On the whole, the numerical computation research in China is still restricted by others. Meanwhile,the developments of basic data, solution scale, computing ability and secondary development are relatively lagging behind. In order to overcome the bottlenecks, the secondary development technique based on open source numerical calculation software package is an effective way to rapidly narrow the gap with the mature foreign software. Key words numerical calculation ； weapon effect ； damage assessment ； secondary development 数值计算的基本思想是将复杂的研究对象分解 为若干个子对象,将基本物理定律应用到子对象获 得物理现象细节,进而汇总得到总体参数;数值计算 收稿日期2020-10 - 02 作者简介刘飞1977 -男，高级工程师、博士，主要从事人防工 程和综合防护技术研究,E-mailfeiliu423 163. como 基金项目国家自然科学基金资助项目U1404107J1972201 软件融计算机技术、软件工具、算法为一体，是将计 算力学的理论成果、算法转换为解决工程实际问题 的主要工具2。 爆炸与冲击毁伤效应的数值计算是武器效应与 毁伤评估研究一种不可或缺的手段。数值计算在毁 伤效应研究中发挥的作用无疑会影响到毁伤评估结 果的准确性、可靠度，直接影响到毁伤评估工作的实 154爆破2021年3月 际开展。 国外武器效应分析与毁伤评估商业软件求解功 能强、操作方便、界面友好，目前已在国内形成市场 垄断,拥有绝对优势⑶勺。引进国外软件，虽可满足 _时之需，但从长远来看，我们需要具有自主知识产 权、性能优越、操作方便的毁伤效应分析软件系统。 本文重点分析数值计算在武器效应与毁伤评估研究 中的重要意义与作用,简介国外武器效应数值计算 软件的基本特点与国内效应计算软件的发展现状, 提出武器效应与毁伤评估数值计算软件亟待解决的 技术难题和破解困局的对策与建议。 1效应研究与毁伤评估中数值计算的 作用 毁伤评估以武器毁伤效应的准确计算为前提, 而数值计算是效应计算不可或缺的手段，其结果是 对武器毁伤效应试验结果与理论分析结论必要和有 益的补充与完善。数值计算作为毁伤效应与毁伤评 估研究的核心技术,其主要目的与作用集中体现为 1 为武器毁伤效应与毁伤评估研究的试验设 计、方案优化提供技术指南。 试验研究花费大量人力、物力、财力,且周期长； 如果毁伤效应与毁伤评估的规律全部通过试验来摸 索，成本难于接受。可行的途径是先期进行所研究 问题试验对应工况的数值计算，锁定试验结果可能 的范围，从而大幅降低试验规模、减少试验次数，节 约经费、缩短周期,收到“事半功倍”的效果⑸O 2 在毁伤效应试验的基础上合理拓展试验结 果,并深入挖掘试验的“局部”信息。 由于试验条件、试验工况、测试传感器布置的限 制，试验结论有效性涵盖的范围有限，即使在其有效 范围内，试验数据点也是不连续的。单纯通过试验 无法获得所研究工况的“全场”信息。在通过试验 标定计算方法、材料参数的基础上，采用数值计算, 可以得到试验工况以外的结果，从而在一定程度上 弥补单纯试验数据的不足⑷。 进行武器效应规律与毁伤评估研究,“大数据” 是必要条件;只有建立在充分多的数据信息基础上, 总结得到的规律才有较好的普适性和鲁棒性。 借助计算机技术，数值计算结果可以采用图片、 表格、曲线等多种形式显示。试验的结果多是不连 续的,而数值计算可以得到不同时间点、不同空间位 置的结果,即能得到时间、空间上均连续的几乎全部 信息,这对毁伤效应的机理分析必不可少〕。 3 待研究问题缺乏有效的理论分析与试验研 究手段时,采用数值计算可以作为一种有效的补充。 数值计算作为与理论解析、试验研究并列的三 种毁伤效应研究手段之一，在其他两种手段缺乏实 际可操作性时，数值计算呈现出明显的独特优势。 受材料非线性及边界条件等诸多因素的限制，能够 理论解析的毁伤效应及其评估问题非常有限;以试 验为基础总结出的工程算法是一种有效的弥补手 段，但每一种工程算法都有严格的随试验参数取值 而变化的适用范围,换言之，工程算法只适用于典型 工况，不具有普适性。 冲击波传播和侵彻是两种最主要的武器毁伤效 应。以冲击波效应研究为例,冲击波的传播规律没 有理论解析式，通用的做法是通过大量试验以量纲 分析为基础拟合出经验公式,但经验公式都有其适 用范围，某一特定空间中的冲击波衰减规律不适用 于其它形状不规则空间WQ。 因防护工程材料多为土、岩石或混凝土等,现有 侵彻公式多面向这三种材料，表达形式、适用范围、 精度因工况而异,虽多达40多种，仍不能解决诸如 斜侵彻、多层间隔靶侵彻、分层介质侵彻等复杂工况 的侵彻问题［何。实际工程防护结构的动力响应计 算也存在类似问题，这种情况下，数值计算的作用愈 发重要。 数值计算的上述目的与作用奠定了它在效应分 析与毁伤评估研究工作中不可或缺的地位。 2我国效应研究与毁伤评估领域数值 计算现状 全球工业设计仿真软件现阶段主要由美、德、法 三个国家把控，主流CAE软件基本被美国的AN- SYS、德国的SI MENS、法国的DS Simu l a和美国的 Al t a ir ,MSC垄断⑴〕；而爆炸与冲击毁伤效应的数值 计算软件,更是受到国外国防军工部门的普遍重视, 这方面美国一直处于世界的领先地位。主流的效应 计算软件目前主要有LS-DYNA、Au t o Dy n、Aba q u s三 种［⑵，这三种软件各有所长，如LS-DYNA的拉格朗 日算法较强,接触类型丰富，可以方便地进行侵彻计 算;Au t o Dy n的欧拉算法较强,更适合爆炸问题的求 解;Aba q u s的水下爆炸计算相对较强⑴旳o 我国的数值计算起步始于上世纪六十年代末。 原总参工程兵科研三所跟踪、引进、消化了国外 ADI NA等大型有限元软件，提炼软件编程理论和编 程技术，同时参与北京大学NOLM程序开发，积累 编程经验。在此基础上,1979年周早生根据工程施 工中存在的实际问题，研发了我军第一套能够模拟 第38卷第1期刘飞，汪剑辉,周松柏，等数值计算在武器效应与毁伤评估研究中的应用简析155 地下工程开挖的大型数值模拟软件RSNOP,具有自 主产权，在模拟初始地应力场、坑道断面的分步开挖 与支护等方面达到国际先进水平，但RSNOP程序只 能模拟二维问题,且采用6912机器语言，使用不便。 周早生后将RSNOP程序采用FORTRAN语言改写 并移植到大型计算机上，程序更名为RSEAP,在地 下工程洞室开挖、支护及稳定性分析上得到较广泛 应用3。 上世纪九十年代以前，原总参工程兵科研三所 在核武器效应及其防护技术数值计算方面做了大量 工作。杨秀敏等研编了二维流体弹塑性动力程序 RRPM,在触地爆炸、浅埋爆炸的计算中发挥了重要 作用片］；在核爆炸冲击波效应方面,进行了核武器 空中爆炸、近地爆炸和触地爆炸的空气冲击波传播 规律研究，如采用一维La gr a n ge方法研究了爆炸近 区的真实气体效应，采用二维Eu l er方法对马赫波 的生成及发展、激波的反射与绕射进行了研究“I O 随着计算机技术的发展,计算速度及数据存储 容量已基本满足求解二维、三维Eu l er方程及N-S 方程的需求。原总参工程兵科研三所刘瑞朝、周松 柏编写的BLAST3D程序，可较好计算空气冲击波的 传播;该程序计算基于考虑炸药爆轰的Eu l er控制 方程进行，反应模型采用“点火-生长”反应模型,控 制方程采用JWL状态方程封闭，计算方法为基于混 合网格的有限体积法，空间离散采用AUSM - u p 格式,时间离散采用二阶龙格库塔法问。北京理工 大学宁建国、王成编制的EXPLOSI ON-3D程序，可 较好模拟凝聚相、气相爆轰的过程并计算爆炸效应 参数的时空分布迦］;中国空气动力研究与发展中心 倪鸿礼编写的Ca r d c .c a i程序,在设定效应参数初始 值的条件下可以计算效应场的分布⑵］o 从总体看，我国虽然也做了不少工作，取得了一 些成果,编制了部分程序，但编程工作停留在程序方 面，尚不能称之为成熟的软件，用户界面相对简单, 鲁棒性较差,操作不够方便,编程人员自己使用尚 可,第三方使用则往往面临各方面的问题;其次，程 序的功能相对单一，如纯粹用来计算冲击波或侵彻, 部分功能欠缺。目前我国数值计算仍处于受制于人 的尴尬地位,发展相对滞后,具体表现为 1基础数据受限。 国外商业软件尽管功能很多,使用方便，但求解 精度需要配套的材料模型库数据作支撑，而这方面 一般不予提供禁售；软件自带的材料模型，仅有 粗略说明,这样就难于根据我们自己的试验资料，建 立拥有自主知识产权的材料参数库。基础数据缺失 最终导致了软件应用受限，数值计算结果失真。 2 求解规模受限。 除了平面应力和平面应变问题,数值计算的工 况不能简化为二维问题，必须三维建模;同时为了保 证计算精度,模型网格制作时单元尺寸均较小。这 样导致模型的网格规模动辄上百万乃至千万，而商 业软件的求解规模一般被限制在百万量级。 3 计算能力受限。 武磁应的计算隶属军工领域，国外给我们提供 的商业软件在性能上被人为限制，部分关键功能被有 意屏蔽或剔除，与原版相比，软件功能缩水明显。 4 二次开发受限。 商业软件提供的是封装后的执行模块,类似于 “黑匣子”；虽然部分软件提供二次开发功能，但由 于用户无法全面掌握软件的理论架构与编程思路, 实际使用过程中再次开发困难重重，所升级的功能 也极其有限。 上述困难的直接后果是我们虽然有商业软件使 用，可以一定程度上解决急需，但仅停留在“堪用” 这个状态，其严重后果为 一方面,随着主流商业软件的大规模使用,我国 大部分数值计算的从业人员逐渐丧失了追本溯源、 自己编程,从“根”上去解决毁伤效应数值计算的能 力,而是停留在“应用商业软件、辅以理论分析”层 面,知其然不知其所以然,这样，久而久之，我国具备 自主开发能力的数值计算人员数量锐减,部分具有 专业特色的自主研发程序将失去非常有限的市场, 生存与发展空间进一步浓缩。 另一方面,在我军重点关注的毁伤效应与毁伤 评估领域,应用商业软件进行数值计算，求解精度难 于保证，计算规模不足，二次开发甚为困难，数值计 算的可靠性、有效性大幅降低，以至于产生“商业软 件虽好用，计算结果不敢用”等恶劣后果，直接导致 我军现阶段毁伤评估工作基本完全依赖于试验，无 法大规模有效开展。 综上所述，破解数值计算“受制于人”的瓶颈迫 在眉睫。 3破解困局的对策 数值计算研究是一个十分复杂的问题,其研究 面宽,涉及学科多,对理论基础、数值分析技术及计 算机软硬件平台都有很高的要求。 国外武器效应数值计算软件基本特点主要有 1历史悠久、研发周期长，操作方便,计算精 度、结果的可靠性较高。 156爆破2021年3月 2） 前、后处理软件丰富。数值计算的基本流程 为“前期建模-求解-结果后处理”，核心部分是求解。 对成熟的商业软件，建模与后处理部分在各软件间 是基本通用的，亦即可采用多种外围软件完成（如 建模可与CAD软件无缝集成）o 3） 计算并行化。武器效应的计算一般是流固 耦合的三维问题，对硬件配置要求高，同时为了确保 计算精度，网格规模庞大。一百万以下网格,可采用 单机计算;超过一百万时，单机计算极其困难甚至无 法进行，须采用分布式计算系统。主流软件均已推 出适合多CPU共同计算的并行版本，计算效率得到 极大提升。 数值计算包括硬件平台和软件两部分,我国对 于硬件平台重视较多，目前已经研制出计算性能处 于世界前列的超级计算机,但高性能的数值计算软 件尚缺少。武器效应与毁伤评估数值计算软件需要 攻克的技术难点主要集中在材料本构模型（确保计 算的精度）、高效并行计算技术（保证计算的速度） 两方面,而这两方面问题的解决，都以拥有自主可控 的软件平台为前提。 自主软件开发可以借鉴国外商业软件的部分经 验。虽不能完全了解其内部技术核心，但可以准确 判断出整体技术路线、编程手段与功能设置,这就为 软件的自主开发提供了对照,从而尽可能科学地进 行顶层规划与设计,少走弯路。 武器毁伤效应与毁伤评估数值计算软件的实质是 一4能够求解偏微分方程组特别是双曲型偏微分方程 组的软件包。从功能的角度，它可分为以下部分 1） 基本数值算法包括矩阵运算和特征值求解 （典型实现如LAPACK、ARPACK、BLAS等）、数值积 分等。 2） 数据交互接口 包括并行计算接口（使用 MPI等）、大规模数值计算数据存储（使用HDF5格 式等）、数据可视化（调用VTK接口等）。 3） 基本专业算法包括自适应网格划分等。 4） 特定专业算法包括各种材料参数模型以及 针对特定模型或特定问题的求解算法等。 其中第4类专业算法是关注的重点,通常需要 根据待解决的问题，查阅文献并形成求解算法，然后 自主编程实现。因此，需要尽可能减小实现其他3 类算法所需的工作量。 从实现途径上看，可分为以下四种 1） 改写文献中的软件（如OI L）。该方法优点是 可以与文献的计算进行对比，某种程度上可以“依 葫芦画瓢”;缺点是目前可用的程序代码均较旧，如 OI L是19641969年间的三种版本代码，使用Fo r t r a n IV语言,代码注释和说明文字较少;代码印刷 模糊或缺少字母;数据输入采用读数据卡的方式。 总的来说，需要靠经验和猜测对代码进行一些修改 才能进行正确编译。 2） 完全自行编写代码优点是自己写的程序易 于理解;缺点是可利用资源少，工作量太大，难以在 可以接受的期限内完成。 3） 基于商业软件进行二次开发熟悉商业软件 的前提下,只需进一步掌握二次开发接口即可，工作 量相对较小;可实现的功能受商业软件二次开发接 口开放程度的限制，也受限于软件的l ic en seo 4 ）基于开源数值计算包进行开发优点是可供 选择的开源数值计算包较多，所提供的功能较丰富, 可节省相当的时间和精力,所需时间不会太长;缺点 是需掌握Un ix /Lin u x下的数值计算软件开发工具, 熟悉并进_步开发开源数值计算包。 表1针对上述四种可能的数值计算软件实现方 法，对比了它们的复用程度、优缺点及实现难度。 表1各种实现方法的复用程度及实现难度的比较 Table 1 Comparison of reuse deg ree and implementation difficulty of various implementation s 实现方法 代码复用/重用程度优点缺点 改写文献中 的软件 基本数值算法、数据交互接口和基本专业算 法需另外重用或实现;重用少量特定专业算 法 可与文献进行对可用的程序较旧；需重新输入代 比;一定程度上可码，并适当修改、调试;代码注释 “依葫芦画瓢” 少，不便于理解修改;耗时长 完全自行 编写代码 基本数值算法、数据交互接口和基本专业算 法需自行研究如何重用或实现;不能重用特容易理解掌握 定专业算法 可用的基础少，工作量太大，耗时 长 基于商业软件可重用基本数值算法、数据交互接口及部分 进行二次开发特定专业算法;没有自适应网格划分功能 工作量小;前后处 理成熟;耗时最少 基于开源 数值计算包 进行开发 可完全重用基本数值算法、数据交互接口和 基本专业算法;可重用少量特定专业算法 程序框架较成熟; 工作量适中;耗时 较少 软件功能受制于商业软件license 以及二次开发接口开放程度 需掌握新的开发环境和开发工具 第38卷第1期刘 飞，汪剑辉,周松柏，等 数值计算在武器效应与毁伤评估研究中的应用简析157 功能完善的数值计算软件包含数十万行甚至数 百万行代码,工作量巨大。如果要在可以接受的期 限内编制实现具有一定功能的数值计算软件，其关 键是要考虑如何继承已有成果。综合衡量数值计算 软件的开发难度和开发后可实现的功能,采用第4 种方法基于开源软件包编写数值计算软件是一种切 实可行的手段建模和网格划分采用Tr u egr id Hy per mesh A Gr id gen 等商业软件,计算结果后处理采用 Tec pl o t Or iginAMATLAB等专业的数据分析软件，主 要精力集中于求解器研发。 目前大多数开源数值计算包均运行于Un ix / Lin u x平台，构建开源数值计算软件开发环境需要一 定的Un ix /Limix知识。对于所选择的开源数值包 而言,为便于进一步开发,须具有以下特点较为丰 富的文档资料;较高的声誉和知名度;以C/C 语 言为主要编程语言;支持64位并行计算、自适应网 格划分以及较完善的前后处理等功能。 数值计算包方面,综合考虑多种因素,我们认为 可选择d ea l . II和Open FOAM,其中d ea l . II采用有限 元方法，擅长解决固体力学问题;Open FOAM以有限 体积法为主，擅长解决流体力学问题。图1给出了 基于开源数值计算包编制数值计算软件的主要步 骤构建开源数值计算软件开发环境-学习、掌握开 源数值计算包-基于开源数值计算包,开发增加所 需要的功能。 图1基于开源软件包编写数值计算软件的主要步骤 Fig. 1 Main steps of compiling numerical calculation software based on open source software package 4结语 数值计算是武器效应与毁伤评估研究的核心技 术，数值计算软件的自主研发是武器毁伤效应与毁 伤评估专业发展长期战略任务。 本文总结了国外武器效应数值计算软件的基本 特点与国内效应计算软件的发展现状，探讨了目前 我国在该方向研究中亟需解决的关键问题与解决的 技术途径，分析指出 1 数值计算在效应研究与毁伤评估中的作用 集中体现在指导试验设计、优化方案,拓展试验结果 及作为理论与试验研究的补充手段等方面。 2 我国效应研究与毁伤评估领域数值计算滞 后的领域集中在基础数据、求解规模、计算能力、二 次开发等方面。 3 基于开源数值计算软件包进行二次开发是 缩小与国外商业软件差距的有效途径。 参考文献References [1] 袁明武我国计算力学软件的现状与思考现代力学与 科技进步[M].北京清华大学出版社,1997. [2] MOBARAKI B,VAGHEH M. Numerical study of the depth and cross-sectional shape of tunnel under surface explosion [J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2015, 47114-122. [3 ]陈惠发.土木工程材料的本构关系[M].武汉华中科 技大学出版社,2001. [4] 悴寿榕，涂侯杰,梁德寿.爆炸力学计算方法[M].北 京北京理工大学出版社,1995. [5] 邓国强，王丽梅武器效应数值仿真发展瓶颈与对策 分析[J].防护工程,2014,363 6-11. [5] DENG Guo-qiang,WANG Li-mei. 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