本發(fā)明涉及一種計算機輔助工程及數(shù)值仿真軟件技術，具體涉及一種不同計算模型間的界面數(shù)據(jù)傳遞與插值方法。

背景技術：

由于試驗能力與成本的限制，以及計算能力的發(fā)展，以數(shù)值仿真為核心的計算機輔助工程技術正越來越廣泛地用于工程結構的分析與設計之中，是核心手段之一。與此同時，在各技術領域，人類所面臨的工程問題越來越復雜：一方面，所需研究的對象往往需要涉及多個物理場的作用；另一方面，所設計的結構尺度越來越大。在實際工程中為實現(xiàn)問題簡化，依據(jù)模型的使用目的，通常采用不同物理場分別建模再耦合、不同結構尺度建模再耦合的策略。

以高超聲速熱防護結構設計為例，通常對流體與固體兩個物理域分別建模，通過流場的計算，獲取熱結構表面的環(huán)境參數(shù)，如熱流、焓值、壓力等。而后，將上述環(huán)境載荷傳遞到熱防護傳熱分析模型中。另一方面，由于熱防護系統(tǒng)一般不承載，飛行器冷結構模型中不考慮熱防護系統(tǒng)影響，進行全局分析，而后建立熱防護系統(tǒng)局部模型進行詳細分析。

但一般而言，不同模型之間的網(wǎng)格往往不相同，產(chǎn)生耦合界面上網(wǎng)格不匹配的情況。在這樣的網(wǎng)格間各個場的數(shù)據(jù)不能直接傳遞，需要引入耦合算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。此外，復雜耦合模型通常存在耦合面復雜、節(jié)點數(shù)據(jù)眾多、計算量大等問題；載荷的時變特征又進一步增加了網(wǎng)格間數(shù)據(jù)傳遞的計算量。如何在保證精度的同時又能提高計算效率，同時又便于工程使用，一直是工程應用中急需解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明提供一種不同計算模型間的界面數(shù)據(jù)傳遞與插值方法，本方法能夠在不同計算模型界面網(wǎng)格不匹配的情況下、在模型之間進行數(shù)據(jù)傳遞。

本發(fā)明所采用的技術如下：一種不同計算模型間的界面數(shù)據(jù)傳遞與插值方法，所述的數(shù)據(jù)傳遞是從模型A將界面數(shù)據(jù)傳遞到模型B，方法步驟如下：

步驟1：確定不同計算模型A與模型B之間的耦合幾何界面；

所述的模型A與模型B既是不同物理域的計算模型，耦合界面即為物理域分界面；或是相同物理域不同結構尺度的模型，耦合界面即為局部模型的邊界；

步驟2：提取模型A離散界面AS上的信息，并構成相應的外部數(shù)據(jù)庫D^A；

所述的模型A離散界面AS上的信息包括單元、單元連接的節(jié)點編號、各節(jié)點的空間坐標與各變量的計算結果；所述的外部數(shù)據(jù)庫包含三個，即模型A離散界面AS上的單元及其內(nèi)部節(jié)點信息數(shù)據(jù)庫，模型A離散界面AS上的節(jié)點及其空間坐標信息數(shù)據(jù)庫，模A離散界面AS上的節(jié)點在所有時刻下，所需傳遞的計算變量的數(shù)據(jù)庫；所述的外部數(shù)據(jù)庫，應采用相應軟件便于調(diào)取的格式；

步驟3：依據(jù)問題類型，提取模型B離散界面BS上的信息，并構成相應的外部數(shù)據(jù)庫D^B；

所述的模型B離散界面BS上的信息包括節(jié)點或積分點、各節(jié)點或積分點的空間坐標；所述的外部數(shù)據(jù)庫為，模型B離散界面BS上的節(jié)點或積分點及其空間坐標信息數(shù)據(jù)庫；所述的外部數(shù)據(jù)庫，應采用相應軟件便于調(diào)取的格式；

步驟4：針對模型B界面BS上的某一點P，在外部數(shù)據(jù)庫D^A中尋找與該點空間位置滿足相近規(guī)則的模型A界面AS上的網(wǎng)格集合E；

所述的位置相近是指模型A界面AS上的某一單元的中心與模型B界面BS上的某一點P在空間位置上差異在一定范圍內(nèi)；

步驟5：將模型B界面BS上一點P投影到網(wǎng)格集合E中的單元得到點P′，確定其局部坐標；

所述的局部坐標系以單元某一點為原點，與原點相連的某一條邊作為X軸，以單元所在平面作為XY面而確定；

步驟6：利用局部坐標，在網(wǎng)格集合E中查找與點P匹配的單元，并構成匹配數(shù)據(jù)庫；

在網(wǎng)格集合E中查找與點P匹配的單元，采用投影方法，判定投影后的點是否落在當前單元的內(nèi)部而確定；所述的匹配數(shù)據(jù)庫，應包含模型B界面BS上一點P所匹配的單元、及該單元所連接的節(jié)點、及點P在該單元內(nèi)的面積坐標，并采用矩陣形式存儲；

步驟7：調(diào)用匹配數(shù)據(jù)庫及模型A計算結果數(shù)據(jù)庫，將模型A某一時刻t的計算結果，傳遞到模型B界面BS某一點，得到插值后數(shù)據(jù)；

所述的傳遞到模型B界面BS某一點，是采用面積坐標結合形函數(shù)插值，計算得到模型B界面BS上一點處的數(shù)據(jù)；

步驟8：若所需得到的載荷f與模型B界面BS上的求解結果相關，則利用插值結果與模型B的實時計算結果，實現(xiàn)相應載荷f的插值；

所述的載荷，若不僅僅是由模型A界面AS上傳遞到模型B界面BS上的計算結果，也與模型B界面BS上的求解結果相關，則利用相應的關系，實時確定真實載荷；

步驟9：重復步驟7～8，在某一時刻t下實現(xiàn)由模型A界面AS模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞；

步驟10：重復步驟9，實現(xiàn)所有時刻下，由模型A界面AS向模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞。

本發(fā)明還具有如下技術特征：

1、其中，步驟1：依據(jù)模型A與模型B的單位制差異，兩者之間的耦合幾何界面在空間上具有等比例相似性，通過恰當?shù)膯挝恢妻D換，即縮放變換，在相同的坐標系SYS0下能夠重合。

2、其中，步驟2：以AS采用三角形網(wǎng)格離散，所提取的數(shù)據(jù)包括離散化的網(wǎng)格與節(jié)點信息，不同時刻下節(jié)點的計算結果信息；所提取的網(wǎng)格信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面AS上第i個網(wǎng)格，表示單元所對應的節(jié)點編號，為界面AS上所有單元個數(shù)，代表由單元構成的數(shù)據(jù)庫，所提取的節(jié)點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面AS第i個節(jié)點，(x_i，y_i，z_i)表示節(jié)點的幾何坐標，為界面AS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由節(jié)點構成的數(shù)據(jù)庫，所提取的計算結果采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示節(jié)點n_i處的第j個計算結果變量在t時刻的取值，為某個節(jié)點上所需傳遞計算結果變量的個數(shù)，代表所分析時刻的總數(shù)，代表由計算結果構成的數(shù)據(jù)庫，由上述信息構成外部數(shù)據(jù)庫：

步驟3：對模型B的界面進行離散得到BS，提取BS上的節(jié)點或積分點信息并變換到與AS相同的單位尺度，存儲到外部數(shù)據(jù)庫，所提取的節(jié)點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面BS第i個節(jié)點，(x_i，y_i，z_i)表示節(jié)點變換后的幾何坐標，為界面BS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由節(jié)點構成的數(shù)據(jù)庫，所提取的積分點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面BS第i個積分點，(x_i，y_i，z_i)表示積分點變換后的幾何坐標，為界面BS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由積分點構成的數(shù)據(jù)庫；

步驟4：針對模型B界面BS上的某一點或利用外部數(shù)據(jù)庫尋找與該點空間位置滿足相近規(guī)則的模型A界面AS上的網(wǎng)格集合E，所述的相近規(guī)則為：

其中L為的特征長度，k取1-2，M為單元所連接節(jié)點個數(shù)，三角形單元M＝3，四邊形單元M＝4；

步驟5：將或投影到網(wǎng)格集合E中的單元得到點P′，確定其局部坐標；利用單元中的一個節(jié)點為原點O′，以單元作為XY平面，以為X軸構建局部直角坐標系SYS1；將或的坐標變換到SYS1中，獲取其局部坐標，

其中，分別為SYS1的X、Y、Z在全局坐標SYS0下的方向向量，即：

步驟6：利用局部坐標，在網(wǎng)格集合E中查找與或匹配的單元并構成匹配數(shù)據(jù)庫，在局部坐標系下，求解由P′與單元的節(jié)點構成的三角形面積，進而得到點P′在當前單元中的面積坐標N_i，分別為：

若有：

則判定或與單元匹配，ε＝0.0001，所述的匹配信息的數(shù)據(jù)庫包含或及其對應匹配的單元編號單元所包含的節(jié)點，及含或在單元內(nèi)的面積坐標：

其中上標∧表示與或匹配；

步驟7：調(diào)用匹配數(shù)據(jù)庫及模型A計算結果數(shù)據(jù)庫，將模型A某一時刻t的計算結果，傳遞到模型B界面BS上或上，得到插值后數(shù)據(jù)，t時刻下變量j在模型B界面BS上或的插值數(shù)據(jù)記為其計算方法為：

步驟8：所需得到的載荷與模型B界面BS上的求解結果相關，CFD在計算熱流中采用等溫壁面，設壁面為常溫，所計算得到的結果為冷壁熱流，需要采用壁面溫度實時計算結果進行修正，則利用插值結果與模型B的實時計算結果實現(xiàn)相應載荷f的插值，即：

步驟9：重復步驟7-8，在某一時刻t下實現(xiàn)由模型A界面AS模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞；

步驟10：重復步驟9，實現(xiàn)所有時刻下，由模型A界面AS向模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞。

通過本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同模型在耦合界面上的數(shù)據(jù)插值與傳遞。只要耦合界面存在，兩種模型既可以是不同物理域下的模型，如流體與固體的耦合；也可以是不同結構尺度的模型，如全局模型與局部詳細模型之間的耦合。本發(fā)明提出的方法不受界面之間所需傳遞的變量個數(shù)、變量時變特征的限制，對數(shù)據(jù)的復雜性具有良好的適應性。本發(fā)明采用的尋點與匹配算法由于采用了局部坐標變換，對復雜曲面的數(shù)據(jù)傳遞具有良好的適應性。本發(fā)明插值所得到的數(shù)據(jù)，便于與模型計算結果實時耦合，可以實現(xiàn)模型真實載荷與計算結果耦合的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法的主要流程。

圖2為模型A界面上計算結果云圖。

圖3為模型B界面上插值得到的結果云圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。

實施例1

如圖1所示，一種不同計算模型間的界面數(shù)據(jù)傳遞與插值方法，所述的數(shù)據(jù)傳遞是從模型A將界面數(shù)據(jù)傳遞到模型B，步驟如下：

步驟1：確定不同計算模型A與模型B之間的耦合幾何界面；

所述的模型A與模型B既是不同物理域的計算模型，耦合界面即為物理域分界面；或是相同物理域不同結構尺度的模型，耦合界面即為局部模型的邊界；

步驟2：提取模型A離散界面AS上的信息，并構成相應的外部數(shù)據(jù)庫D^A；

所述的模型A離散界面AS上的信息包括單元、單元連接的節(jié)點編號、各節(jié)點的空間坐標與各變量的計算結果；所述的外部數(shù)據(jù)庫包含三個，即模型A離散界面AS上的單元及其內(nèi)部節(jié)點信息數(shù)據(jù)庫，模型A離散界面AS上的節(jié)點及其空間坐標信息數(shù)據(jù)庫，模A離散界面AS上的節(jié)點在所有時刻下，所需傳遞的計算變量的數(shù)據(jù)庫；所述的外部數(shù)據(jù)庫，應采用相應軟件便于調(diào)取的格式；

步驟3：依據(jù)問題類型，提取模型B離散界面BS上的信息，并構成相應的外部數(shù)據(jù)庫D^B；

所述的模型B離散界面BS上的信息包括節(jié)點或積分點、各節(jié)點或積分點的空間坐標；所述的外部數(shù)據(jù)庫為，模型B離散界面BS上的節(jié)點或積分點及其空間坐標信息數(shù)據(jù)庫；所述的外部數(shù)據(jù)庫，應采用相應軟件便于調(diào)取的格式；

步驟4：針對模型B界面BS上的某一點P，在外部數(shù)據(jù)庫D^A中尋找與該點空間位置滿足相近規(guī)則的模型A界面AS上的網(wǎng)格集合E；

所述的位置相近是指模型A界面AS上的某一單元的中心與模型B界面BS上的某一點P在空間位置上差異在一定范圍內(nèi)；

步驟5：將模型B界面BS上一點P投影到網(wǎng)格集合E中的單元得到點P′，確定其局部坐標；

所述的局部坐標系以單元某一點為原點，與原點相連的某一條邊作為X軸，以單元所在平面作為XY面而確定；

步驟6：利用局部坐標，在網(wǎng)格集合E中查找與點P匹配的單元，并構成匹配數(shù)據(jù)庫；

在網(wǎng)格集合E中查找與點P匹配的單元，采用投影方法，判定投影后的點是否落在當前單元的內(nèi)部而確定；所述的匹配數(shù)據(jù)庫，應包含模型B界面BS上一點P所匹配的單元、及該單元所連接的節(jié)點、及點P在該單元內(nèi)的面積坐標，并采用矩陣形式存儲；

步驟7：調(diào)用匹配數(shù)據(jù)庫及模型A計算結果數(shù)據(jù)庫，將模型A某一時刻t的計算結果，傳遞到模型B界面BS某一點，得到插值后數(shù)據(jù)；

所述的傳遞到模型B界面BS某一點，是采用面積坐標結合形函數(shù)插值，計算得到模型B界面BS上一點處的數(shù)據(jù)；

步驟8：若所需得到的載荷f與模型B界面BS上的求解結果相關，則利用插值結果與模型B的實時計算結果，實現(xiàn)相應載荷f的插值；

所述的載荷，若不僅僅是由模型A界面AS上傳遞到模型B界面BS上的計算結果，也與模型B界面BS上的求解結果相關，則利用相應的關系，實時確定真實載荷；

步驟9：重復步驟7～8，在某一時刻t下實現(xiàn)由模型A界面AS模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞；

步驟10：重復步驟9，實現(xiàn)所有時刻下，由模型A界面AS向模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞。

實施例2

一種不同計算模型間的界面數(shù)據(jù)傳遞與插值方法，不失一般性，設所需要進行的數(shù)據(jù)傳遞方式是，從模型A將界面數(shù)據(jù)傳遞到模型B，本實施例的技術方案具體是這樣實現(xiàn)的：

步驟1：確定不同計算模型A與模型B之間的耦合幾何界面。依據(jù)模型的使用目的，模型A與模型B既可以是相同物理域不同結構尺度的模型，也可以是不同物理域的計算模型；依據(jù)模型A與模型B的單位制差異，兩者之間的耦合幾何界面在空間上具有等比例相似性，通過恰當?shù)膯挝恢妻D換，也即縮放變換，在相同的坐標系SYS0下可以重合。

步驟2：提取模型A離散界面AS上的信息，并構成相應的外部數(shù)據(jù)庫。為簡潔起見，以下表述均以AS采用三角形網(wǎng)格離散為例，四邊形網(wǎng)格離散與三角形網(wǎng)格可以類比得出。所提取的數(shù)據(jù)包括離散化的網(wǎng)格與節(jié)點信息，不同時刻下節(jié)點的計算結果信息；所提取的網(wǎng)格信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面AS上第i個網(wǎng)格，表示單元所對應的節(jié)點編號，為界面AS上所有單元個數(shù)，代表由單元構成的數(shù)據(jù)庫。所提取的節(jié)點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面AS第i個節(jié)點，(x_i，y_i，z_i)表示節(jié)點的幾何坐標，為界面AS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由節(jié)點構成的數(shù)據(jù)庫。所提取的計算結果采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示節(jié)點n_i處的第j個計算結果變量在t時刻的取值，為某個節(jié)點上所需傳遞計算結果變量的個數(shù)，代表所分析時刻的總數(shù)，代表由計算結果構成的數(shù)據(jù)庫。由上述信息構成外部數(shù)據(jù)庫：

步驟3：對模型B的界面進行離散得到BS，提取BS上的節(jié)點或積分點信息并變換到與AS相同的單位尺度，存儲到外部數(shù)據(jù)庫。所提取的節(jié)點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面BS第i個節(jié)點，(x_i，y_i，z_i)表示節(jié)點變換后的幾何坐標，為界面BS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由節(jié)點構成的數(shù)據(jù)庫。所提取的積分點信息采用矩陣形式存儲，格式為：

其中，表示界面BS第i個積分點，(x_i，y_i，z_i)表示積分點變換后的幾何坐標，為界面BS上所有節(jié)點個數(shù)，代表由積分點構成的數(shù)據(jù)庫。

步驟4：針對模型B界面BS上的某一點或利用外部數(shù)據(jù)庫尋找與該點空間位置滿足相近規(guī)則的模型A界面AS上的網(wǎng)格集合E。所述的相近規(guī)則為：

其中L為的特征長度，k取1～2，M為單元所連接節(jié)點個數(shù)，三角形單元M＝3，四邊形單元M＝4。

步驟5：將或(點P)投影到網(wǎng)格集合E中的單元得到點P′，確定其局部坐標。利用單元中的一個節(jié)點為原點O′，以單元作為XY平面，以為X軸構建局部直角坐標系SYS1；將或的坐標變換到SYS1中，獲取其局部坐標。

其中，分別為SYS1的X、Y、Z在全局坐標SYS0下的方向向量，即：

步驟6：利用局部坐標，在網(wǎng)格集合E中查找與或匹配的單元并構成匹配數(shù)據(jù)庫。在局部坐標系下，求解由P′與單元的節(jié)點構成的三角形面積，進而得到點P′在當前單元中的面積坐標N_i，分別為：

若有：

則判定或與單元匹配，其中ε為一小量，一般可取ε＝0.0001。所述的匹配信息的數(shù)據(jù)庫包含或及其對應匹配的單元編號單元所包含的節(jié)點，及含或在單元內(nèi)的面積坐標：

其中上標∧表示與或匹配。

步驟7：調(diào)用匹配數(shù)據(jù)庫及模型A計算結果數(shù)據(jù)庫，將模型A某一時刻t的計算結果，傳遞到模型B界面BS上或上，得到插值后數(shù)據(jù)。t時刻下變量j在模型B界面BS上或的插值數(shù)據(jù)記為其計算方法為：

步驟8：若所需得到的載荷與模型B界面BS上的求解結果相關，例如CFD在計算熱流中通常采用等溫壁面假設，若假設壁面為常溫，所計算得到的結果為冷壁熱流，需要采用壁面溫度實時計算結果進行修正，則利用插值結果與模型B的實時計算結果實現(xiàn)相應載荷f的插值。即：

步驟9：重復步驟7～8，在某一時刻t下實現(xiàn)由模型A界面AS模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞。

步驟10：重復步驟9，實現(xiàn)所有時刻下，由模型A界面AS向模型B界面BS上每個節(jié)點或積分點的數(shù)據(jù)傳遞。