專利名稱：一種流固耦合網格更新的方法
技術領域：
本發明涉及土木工程行業的結構分析領域，且特別涉及一種流固耦合網格更新的方法。
背景技術：
流固耦合現象是工程中常見的一種自然現象，如土壤與基礎的耦合、建筑物振動與風荷載的耦合。雖然，目前的固體軟件和流體軟件均能在各自的領域做出精確的分析，但當考慮兩者的相互耦合計算時卻碰到了許多困難(見文獻1沈世釗，武岳，大跨度張拉結構風致動力響應研究進展，第十屆全國風工程學術會議論文集，2001年，P 10 16)。其中之一便是網格數量多的一方(流體網格)需要跟蹤網格數量少的一方(固體網格)進行變形。以往的方法，如樣條插值法、守恒法等，見文獻2(王彬，流固耦合作用的弱耦合算法及風與薄膜結構的耦合分析[D]，北京交通大學博士學位論文，2008年7月)、文獻3
(孫曉穎，薄膜結構風振響應中的流固耦合效應研究[D]，哈爾濱工業大學博士學位論文， 2007年1月)，雖然保證了數據傳遞的準確性，但由于計算方法過于繁瑣，導致計算速度成倍下降，使得這種先進的技術無法應用于實際工程，只能停留在小規模的科學研究(如文獻3采用基于薄板樣條法的插值計算程序，由于“計算量巨大，缺乏工程可操作性”，只好采用“簡化的數值模擬方法”)。如上所述，目前大多數流固耦合方法在實際工程尤其是特大型工程的應用中，當進行變形插值計算時需要耗費漫長的機時，因而是無法滿足實際工程需要的。為此，需要提出一種既滿足計算精度要求，又能極大程度提高計算速度的變形跟蹤計算方法。本發明提出的這種方法既能保證計算數據的準確，同時最明顯的特征是流程清楚、計算公式簡單，因此計算速度得到極大提高，使之在實際工程中的應用成為可能。
發明內容
本發明提出一種流固耦合網格更新的方法，應用于土木工程行業的結構分析領域，在土木工程的流固耦合計算分析中，流體網格需要根據固體網格的變動而做出相應的變化，本方法用于快速、準確地實現這一過程。為了達到上述目的，本發明提出一種流固耦合網格更新的方法，應用于土木工程領域，該方法包括下列步驟分別記錄流體網格和固體網格兩套網格的節點與單元信息；以每個固體網格三角形單元的重心坐標系為參考坐標系，計算出每個流體網格中的節點在該坐標系中的局部坐標；根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系；根據實際情況使固體網格的單元節點發生改變；計算流體網格節點的新坐標，并將所述流體網格節點更新。進一步的，所述記錄兩套網格的節點與單元信息步驟包括每個固體網格節點與單元的從屬關系以及它們的坐標；每個流體網格的節點坐標。進一步的，所述根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系步驟包括如果某一流體網格節點對于某一固體網格單元的三角形滿足判別條件，則定義其從屬于上述固體網格單元。進一步的，所述計算流體網格節點的新坐標步驟采用以下公式計算
0015(V。淨。)(V1S^1)-(V。^1Xv1 淨0).
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y= (^0^0)(^^)-(^0^)(^2^0) (^0^0)(^^1)-(^0^1)(^^0),其中，ν。= C-A, V1 = B-A, V2 = P-A，三角形ABC代表固體網格中的某一三角形單元，A、B、C分別為從屬于該單元的節點，點P代表落在三角形ABC內部的流體網格的一個節
點ο進一步的，如果系數u或ν為負值，那么相當于朝相反方向移動，即BA或CA，因此， 如果u彡0，ν彡0，且u+v彡1則可以判斷點P位于三角形ABC內部。本發明提出一種流固耦合網格更新的方法，利用三角形重心坐標進行網點的定位，與傳統方法相比具有計算量小，判別條件少，計算過程簡潔等特點，因而其直接的效果是計算速度非常快。本方法巧妙地采用三角形重心坐標原理，使得原先位于一個稀疏網格 (固體網格)三角形單元內部的稠密網格(流體網格)節點會隨著稀疏網格(固體網格) 節點的變形依然貼附于原三角形內。三角形內的點會隨著三角形在平面內、外發生大變形， 但這些點對所從屬的整個三角形的拓撲關系不發生變化，三角形重心原理在本領域內的使用尚屬首次，且真是由于該原理算法樸素、計算簡單，很容易使本領域的普通技術人員能夠掌握和實施。
圖1所示為本發明較佳實施例的流固耦合網格更新的方法流程圖。圖2所示為重心坐標計算原理示意圖。圖3所示為變形跟蹤系統實際使用效果對比圖。圖4所示為流固耦合計算流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。請參考圖1，圖1所示為本發明較佳實施例的流固耦合網格更新的方法流程圖。本發明提出一種流固耦合網格更新的方法，應用于土木工程領域，該方法包括下列步驟步驟SlOO 分別記錄流體網格和固體網格兩套網格的節點與單元信息；步驟S200 以每個固體網格三角形單元的重心坐標系為參考坐標系，計算出每個流體網格中的節點在該坐標系中的局部坐標；
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步驟S300 根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系；步驟S400 根據實際情況使固體網格的単元節點發生改變；步驟S500 計算流體網格節點的新坐標，并將所述流體網格節點更新。以上五步即為本方法的主要過程與思路。通常，第三步僅在計算初始化時使用，而 第五步計算中僅涉及少量的四則運算，因此整套計算的效率非常高。根據本發明較佳實施例，所述記錄兩套網格的節點與単元信息步驟SlOO包括每 個固體網格節點與単元的從屬關系以及它們的坐標；每個流體網格的節點坐標。所述根據 判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系步驟S300包括如果某一流體 網格節點對于某一固體網格單元的三角形滿足判別條件，則定義其從屬于上述固體網格單兀。進ー步的，請參考圖2，圖2所示為重心坐標計算原理示意圖。圖2中三角形ABC 代表稀疏網格(固體網格)中的某一三角形単元，A、B、C分別為從屬于該單元的節點，點P 代表落在三角形ABC內部的稠密網格(流體網格)的ー個節點。假設以點A作為起點，那么 點B相當于在AB方向移動一段距離得到，而點C相當于在AC方向移動一段距離得到。貝IJ 對于平面內任意一點，可由如下方程來表示P = A+uX (C-A)+ν X (B-A)(1)整理方程(1)得到P-A = UX (C-A)+νX (B-A)(2)令 V0 = C-A，V1 = B-A，V2 = P-A 則，v2 = u X v0+v X V1(3)等式(3)兩邊分別點乘Y0和V1得到兩個等式(v2)gv0 = (uxv0+vxvi)gv0(4)(V2)gV1 = (u X v0+v X V^gV1(5)求解上述方程(4)、(5)得到
權利要求
1.一種流固耦合網格更新的方法，應用于土木工程領域，其特征在于，該方法包括下列步驟分別記錄流體網格和固體網格兩套網格的節點與單元信息；以每個固體網格三角形單元的重心坐標系為參考坐標系，計算出每個流體網格中的節點在該坐標系中的局部坐標；根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系；根據實際情況使固體網格的單元節點發生改變；計算流體網格節點的新坐標，并將所述流體網格節點更新。
2.根據權利要求1所述的流固耦合網格更新的方法，其特征在于，所述記錄兩套網格的節點與單元信息步驟包括每個固體網格節點與單元的從屬關系以及它們的坐標；每個流體網格的節點坐標。
3.根據權利要求1所述的流固耦合網格更新的方法，其特征在于，所述根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系步驟包括如果某一流體網格節點對于某一固體網格單元的三角形滿足判別條件，則定義其從屬于上述固體網格單元。
4.根據權利要求1所述的流固耦合網格更新的方法，其特征在于，所述計算流體網格節點的新坐標步驟采用以下公式計算
5.根據權利要求4所述的流固耦合網格更新的方法，其特征在于，如果系數11或ν為負值，那么相當于朝相反方向移動，即BA或CA，因此，如果u彡0，ν彡0，且u+v彡1則可以判斷點P位于三角形ABC內部。
全文摘要
本發明提出一種流固耦合網格更新的方法，應用于土木工程領域，該方法包括下列步驟分別記錄流體網格和固體網格兩套網格的節點與單元信息；以每個固體網格三角形單元的重心坐標系為參考坐標系，計算出每個流體網格中的節點在該坐標系中的局部坐標；根據判定條件確定流體網格節點與固體網格單元間的從屬關系；根據實際情況使固體網格的單元節點發生改變；計算流體網格節點的新坐標，并將所述流體網格節點更新。本發明提出的流固耦合網格更新的方法，利用三角形重心坐標進行網點的定位，與傳統方法相比具有計算量小，判別條件少，計算過程簡潔等特點。
文檔編號G06F17/50GK102436514SQ20111024752
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者盧旦, 李承銘, 楊聯萍 申請人:上海現代建筑設計(集團)有限公司