CompuMech

简介

“物体受到冲击作用会产生变形，进而在内部形成冲击波向外扩散，并在边界上反射，这是极为普遍的现象。整个过程可以使用应力波传播方程来描述，但是方程的求解在理论上有很大的困难，因为本来有解析解的偏微分方程就很少，再加上实际中复杂的计算域以及边界条件等等问题。使得计算数学这一数学分支在力学研究中处于极端重要的地位。”

基于有限体积法的动力学计算程序，目前具备二维、单物体、线弹性强度模型的计算能力，能够施加集中力、分布力边界条件以及对称边界条件。网格类型可以是四边形单元、三角形单元或者混合型（其中三角形网格能有效解决集中冲击荷载造成的沙漏变形效应，从而在无限大介质点源力冲击作用下能得到与Pilant W.L推导的理论解相差无几的数值解）。

程序结构

上图为程序的基本结构，最上层的SolverBuilder接受一个json格式的配置文件，然后构造求解器Solver类

Solver solver = new FVM2DSolverBuilder().parseConfig(config).create();

在SolverBuilder具体实现的内部定义了json解析方案，这里主要利用Gson库进行反序列化，然后形成Config类，包含材料、边界条件、初始条件、计算对象、控制方式、输出方案等等自定义信息。但是这时得到的内容还不够完善，例如材料的json表达

"materials":{
	  "1":{
	    "elasticModule": 3.727E10,
	    "poissonRatio": 0.24,
	    "density": 2490,
	    "dampingRatio": 0,
	    "naturalFrequency": 0,
	    "strengthModelType": "elastic"
	   }
}

上面对于线弹性材料的描述已足够充分，但是却没有显式指定p波波速、体积模量、剪切模量等信息，而这些内容可以由已知量运算得到。类似的还有很多，因此Config类在生成之后还需要再初始化一次以得到必要的信息。

Processors包下的内容阐述了核心算法的迭代过程，其中每一个子过程都是一个运算类，依赖于前一过程的计算结果，并且又要推进下一过程的执行，它们之中的一些共享了部分计算中间数据，例如各种单元量（应变率、应力等），节点量（节点力、节点质量等）。这些数据的初始化又依赖于Config内的信息，因此在Config和Processors之间定义了中间数据Components，使用这些数据帮助运算类的生成，可以简化运算类的生成逻辑，使得程序的层次结构更加清晰。

运行

本地运行

本实例计算一个长柱模型在一侧受到三角形冲击荷载作用下的力学响应。json格式的配置文件设置了计算要求的各种参数，具体内容见test包内的资源文件夹。

mvn test -Dtest=com.haswalk.solver.SolverTest#test

下图为距离左端点 20m 处的时间(s)--应力(Pa)曲线

依赖

依赖资源由maven管理，除中央仓库外，还需要手动安装位于 dependencies 文件夹中的依赖到本地仓库。

mvn install:install-file -Dfile=hasutil-1.0-SNAPSHOT.jar -DgroupId=com.haswalk.hasutil -DartifactId=hasutil -Dversion=1.0-SNAPSHOT -Dpackaging=jar
mvn install:install-file -Dfile=chauncey-1.0-SNAPSHOT.jar -DgroupId=com.chauncey -DartifactId=chauncey -Dversion=1.0-SNAPSHOT -Dpackaging=jar

在线计算

扩展性

在processors包中定义了各种运算类，以计算得到必要的和感兴趣的中间过程场变量，当然也可以自定义运算类。首先是实现Processor接口，然后向FieldData注册场变量名称（变量名必须以"node_"或"elem_"开头，因为FieldData在初始化的时候要为其分配数组空间，而节点量和单元量的数组长度不一样），例如

FieldData.regist("node_pressure");

自定义运算类需要的场变量可以通过注解方式进行依赖注入，例如

@Injection
public void setData(FieldData fd, MaterialProperty mp) {
    nodePressure = fd.get("node_pressure");
    ....
}

程序将把FieldData和MaterialProperty注入到新建类，然后可以在自有方法中提取所需场量。 最后，在Blueprint实现中的适当位置添加上自定义运算类

...
registProcessor(<name>, <ClassName>.class);
...

就可以让新加入的过程参与运算，如果要输出场量，则需要在配置文件中的output节点添加内容。