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国内外爆炸力学仿真软件研究现状
及发展趋势
宁建国，马天宝
（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室
北京）
摘要：
本文系统回顾了国内外爆炸力学计算方法及程序
/
软件的发展
过程、
现状及发展趋势，
指出了国内在该领域存在的主要问题，
并提出了相应的解决途径，最后对本学科组在计算
爆炸力学软件开发及算法研究方面的相
关工作进展进行了综述。
关键词：
计
算爆炸力学、仿真软件、现状及发展趋势
一、引言
在武器研发、工程爆破、安全防护、爆炸加工、冲击工程等军事和民用领域
中，
涉及了大量的爆炸与冲击等非线性瞬态动力学问题，
为精确
地描述其作用机
理，
研究人员必须深入了解各种物理过程，
采用合理的技术途径来研究这些复杂
的相互作用问题。计算爆炸力学
，作为爆炸力学与计算机技术、
计算数学相交叉
而产生的一个新
的学科分支，
致力于研究如何采用计算机技术和计算数学来求解
工程和科学中的爆炸力学及有关的耦合问题，
是一门综合性和应用性都很强的学
科。
20
世纪
60
年代以来，各国的爆炸力学工作者，尤以美国三大国防实验室为
代表
，
进行了大量的爆炸力学数值计算的工作，
对许多过去无法计算
的复杂问题
进行了成功的计算，
取得了丰硕的成果。
随着计算机技术以及数值方法研究方面
的飞速发展，计算爆炸力学在爆炸力
学发展中愈来愈重要的地位已获得普遍公
认，它已与理论和实验并称为科学研究的三大支
柱。
本文主要回顾了国内外爆炸力学计算方法及程序
/
软件开发工作的发展历
程、
< br>现状及发展趋势，指出了国内在该领域存在的主要问题，并提出了相应的解
决对策
，
最后对本学科组在爆炸力学仿真软件开发及算法研究方法的相关工作进
展进行了综述。
二、国内外爆炸力学仿真软件现状
计
算爆炸力学是伴随着计算流体力学的发展而发展的。
计算流体力学方法的
研究开始于五十年代中期，
到了六十年代，
二维流体力
学计算方法的研究进入了
1
一个鼎
盛的时期，发表了大量的计算格式，并编制了许多程序，
按其采用的坐标
可分为拉格朗日方法
（
Lagrange
法）
和欧拉方法
（
Eule
r
法）
，
Wilkins
等
(1965)
提
出
的
HEMP
程
序
和
Hageman
等
(1971)
提
出
的
HELP
程
序
分
别
是
两
种
< br>方
法
的
代
表
。
两者在处理不同问题上各有优缺点，
计算中常常需要两者的优点，
因此提出了兼具
Euler<
/p>
法和
Lagrange
法特点的计算方法
，如
ALE
方法
(Arbitrary
Lagrangian
Eulerian)
、
CLE(Coupled
Lagrangian Eulerian)
等方法。
目前，运用
Lagrange
方法的流体动力
学程序引入了许多新的算法，得到了
很大发展，所以目前已经比较成熟。相比之下，运用
Euler
方法的程序的发展较
为滞后
。因为
Euler
法在处理混合网格时比较困难，当系统中含有
多种介质的时
候，会使物质界面逐渐模糊，在界面两侧形成一个混合介质的过渡区，如何
确定
界面的位置，
如何计算混合网格的力学量，
一直是
Euler
程序所面临解决的问题，
从而严重限制了
Euler
法的应用。
但我们应该意识到，
尽管
Lagrange
法引入了一
些算法，
在一定程度上解决了网格
畸变等问题，
但与
Euler
法相比，
不可能像
Euler
法那样自然的反映
大变形，
特别是对于爆炸问题这类涉及多物质的大变形流场问
题
，因此深入进行
Euler
方法的研究以及相关程序的开发是十
分必要的。
对于
Euler
型程序，
W. E.
Johnson
及
C. E. Anderson (1987
)
描绘了一张
Euler
型程序的谱系
图，概括了六十年代和七十年代近二十年间
Euler
程序的发
展，再
根据近年来国内外在相关领域的研究进展情况，可以绘出如图
1
所示的
Euler
型
程序的谱系图，表
1
给出了各程序的相关说明。对
于一些有代表性的
Lagrange
程序，表
< br>2
则给出了相关的介绍。
TRILIL
TOIL
DORF
DORF9
PIC
SHELL
SPEAR
OIL
RPM
HELP
HELP75
SOIL
METRIC
CHARTD
SHELL-OIL
CSQ
HULL
HULL78
CSQ2
CSQ3
CTH
图
1
Euler
型程序谱系图
2
FLIC
MFLIC
HEPC
MOCL
EXPLOSION2D
MMIC
MMIC3D
TRIDORF
表
1
Euler
型程序简表
程序名
PIC
SHELL
SPEAR
OIL
TOIL
TRIOIL
RPM
DORF
HELP
DORF9
CHARTD
CSQ
TRIDORF
HELP75
METRIC
HULL
SOIL
HULL
CSQ2
CSQ3
CTH
MFLIC
HEPC
MMIC
MOCL
MMIC3D
EXPLOSION2D
程序名
HEMP
DEPROSS
CRAM
TPPDU
SWIS
Swis-
SMI
DYNA3D
EPIC
开发者
Evans &
Harlow
Johnson, W.E.
Johnson, W.E.
Walsh &
Johnson, W.E.
Johnson, W.E.
Johnson, W.E.
Dienes, et al.
Johnson, W.E.
Hageman &
Walsh
Johnson, W.E.
Thompson
Thompson
Johnson, W.E.
Hageman, et al.
Hageman, et
al.
Durrett & Matuska
W.E.
Johnson
Durrett & Osborn
Thompson
Thompson
Thompson
徐国荣等
于志鲁、恽寿榕、彭金华
恽寿榕、涂候杰
温万治
宁建国、吴开腾、陈龙伟
宁建国，马天宝
开发者
Wilkins
H. A. Belmer
Wilkins
Bertholf & Benzley
Frazier &
Petterson
Sweet & Frazier
J.
O. Hallquist
J. R. Johnson
时
间
1957
1959
1963
1965
1967
1967
1968
1971
1971
1971
1969
1975
1976
1975
1976
1971
1977
1978
1979
1982
1989
1980
1983
1992
1997
2000
2005
时
间
1965
1965
1969
1968
1974
1976
1976
1978
说
明
2-D
流体动力学程序
和
PIC
类似
SHELL
的提高版本
2-D
连续输运，单种介质
两种介质的
OIL
3-D
连续输运
,
一种介质
<
/p>
钢塑性模型的
OIL
，一种介质
钢塑性材料模型的
TOIL
弹塑性的
RPM,
Lagrange
界面
包含
9
种的
DORF
状态
方程程序包，
1-D
拉氏法
2-D
状态方程程序包
两种介质，钢塑性材料的
TRIOIL
HELP
的提高版本
3-D
的
HELP
核武器大气实验，一种介质
使用算子分裂算法的
OIL
2D
多种介质，考虑强度
CSQ
的提高版本
< br>二阶精度的
CSQ
版本
界面处理技术提高的
CSQ3
多流体网格法
流体弹塑性模型、一种介质
爆炸场数值模拟，二维、两种介质
网格线示踪点法
MMIC3D
二维爆炸与冲击问题仿真软件系统
说
明
有限差分，二维三维连续介质动力学
有限差分，弹塑性结构动力学
有限差分，一维、二维连续介质动力学
有限差分，一维、二维连续介质动力学
有限差分，三维连续介质动力学
有限差分，结构和三维连续介质动力学
有限元法，弹塑性结构动力学
有限元法
表
2
Lagrange
型程序简表
以上是对爆炸力学数值方法以及计算程序方面的一个总结。
目前，
国外已将
上述的一些程序商业
化，形成了一
些比较
著名的
爆炸力学
仿真
软件
，如
LS-DYNA
，
AUTODYN
，
EPIC
，
DYTRAN
等，在世界范围内得到了广泛的
应用
3
与认可。
近几十年来，
我国在计算爆炸力学领域内取得了相当丰硕的成果，
从引进国
外商用软件到这些软件的二次开发，
再到编写自己的计算程序，
实现了跨越式的
发展。
一些从事爆炸力学研究的科研院
所，如中国工程物理研究院、
北京应用物
理与计算数学研究所、
中科院力学所、中国科学技术大学、北京大学、北京理工
大学等单位，
< br>开展了大量的计算方法方面的研究工作，
并针对各类具体的爆炸力
学问题编制了众多计算程序。
中国力学学会第五届爆
炸力学专业委员会于
2000
年
10<
/p>
月成立了计算爆炸力
学专业组，并在江西庐山召开了第一届全国计
算爆炸力学会议，该会议于
2002
年、
2006
年相继在福建武夷山和青岛举办了第二届和第三届。会议注重与相邻
学科的交叉，紧密与爆炸力学理论和实验研究相结合，发展新的计算方法，
注重
爆炸力学现象中多层次、多尺度、
强非线性现象的研究与
数值模拟，
促进了我国
的计算爆炸力学向更高的水平迈进。
三、国内爆炸力学仿真软件存在的主要问题和解决途径
国内计算爆炸力学软件虽然取得了长足的发展和进步，
但或多或少都存
在着
不同程度的缺陷，与国外著名商业软件相比，仍有着较大的差距，主要表现在：
（
1
）研究团队
过小。国内的爆炸力学仿真软件往往是由一个单位、几个人开发
与研制，其专业覆盖面窄
，因此涉及领域非常有限，所能投入的财力、物力等也
非常有限。
（
2
）软件专用性较强，适用范围
有限，通用性差。严格意义上来说，国内的爆
炸力学仿真软件还不能称之为软件，
只能算是一个针对特定爆炸力学问题的计算
程序。近几年，虽然不断的
涌现出一些新的算法，但仅能作为一些初步的尝试，
距离应用其编制出成型的计算程序来
解决工程问题，还有相当漫长的道路。
（
3
）核心算法创新能力不足。算法是一个程序或软件的核心，但我国目前在计
算爆炸力学的算法研究方面，
还停留在跟踪国外研究的阶段，
往往是国外学者提
出了一种新的算法，国内再跟踪研究，
原始创新能力不足，
这也是我国软件领域
4
甚至整个科技领域普遍存在的问题。
（
4
）商业化程度落后。
由于国内的爆炸力学仿真软件存在着上述诸多问题，
而对于从国外引进的一
些商业软件，在具体使用时，
不可避免的要出现这样那样的问题
。
由于其代码的
保密性，使我们不可能进入程序内部去进行调试
和加入自己的应用模块。因此，
开发编写具有自主知识产权的爆炸力学仿真软件具有非常
重要的学术价值和很
强的国防应用前景。
造成国内爆炸力学仿真软件存在诸多问题的原因是多方面的，有客观因素，
也有主观
因素，根据现有的问题，笔者认为应该从以下几方面加以改进：
（
1
）根据目前我国爆炸力学仿真软件的研究现状，建议由国
家立项，投入一定
的财力和物力，
并组织相关研究院所和高校的
研究人员组建一支强有力的研发队
伍，开发具有自主知识产权的通用爆炸力学仿真软件系
统。
（
2
）
对于计算爆炸力学工作者或软件开发者来说，应更多的深入工厂、研究院
所，了解工程实
际及客户需求，以客户需求为引导，才能研制出具有工程应用价
值的软件。
（
3
）对于软件客户，即
众多的兵工企业及相关科研院所，应支持国产软件的发
展，
在研
究课题中更多的使用国产软件，
并及时反馈软件使用过程中出现的问题，
提出改进意见，为国产软件的不断发展、完善献计献策。
四、国内外爆炸力学仿真软件的发展趋势
近年来，随着计算机软、硬件技术的不断发展，计算爆炸力学的内涵也不断
拓展，其
发展趋势是：
（
1
< br>）驾驭式计算功能
(computational
st
eering)
：即以交互的方式监视和干预计算
过程，
通过实时的可视化处理将计算结果图像提供给用户，
用户通过判断可随
时
更改计算参数，从而干预整个计算过程。
< br>（
2
）虚拟现实技术：通过虚拟现实软件及设备将计算结
果转换成
3D
立体图像，
5
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