自動(dòng)生成MCNP輸入文件中曲面卡的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)手工編寫MCNP輸入文件中幾何模塊容易出錯(cuò)的問(wèn)題，采用Spatial公司推出ACIS提供的API函數(shù)、C++類和DI函數(shù)3種開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)根據(jù)給定的CAD模型得到該模型中所有曲面的面方程，在曲面與坐標(biāo)軸不平行時(shí)，以輔助坐標(biāo)系的形式簡(jiǎn)化面方程，最終自動(dòng)生成MCNP格式的曲面卡。通過(guò)對(duì)不同模型的驗(yàn)證，該方法可以正確生成曲面卡，能提高編寫MCNP輸入文件的效率。

關(guān)鍵字： MCNP 輸入文件； 曲面卡； ACIS； CAD

中圖分類號(hào)： TN391?09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）10?0094?04

MCNP（Monte Carlo N?Particle transport code）是由美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的通用中性粒子輸運(yùn)計(jì)算程序，用于計(jì)算中子、光子、電子或中子?光子的耦合輸運(yùn)問(wèn)題，也可以計(jì)算臨界系統(tǒng)（包括次臨界及超臨界）的本征問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[1]。

盡管MCNP具有較強(qiáng)的幾何處理能力，但是MCNP程序要求使用人員具有較強(qiáng)的專業(yè)水平，且缺乏有效的建模軟件，必須以方程來(lái)定義曲面，再用曲面的半空間方向上的交、并、余來(lái)定義實(shí)體的方式來(lái)描述三維幾何實(shí)體[2]，且MCNP輸入文件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，格式要求嚴(yán)格，目前輸入文件基本上都是以手工方式編寫完成的[3]。實(shí)踐表明，不借助任何軟件而直接根據(jù)CAD模型來(lái)得到輸入文件時(shí)，不僅極為抽象、不直觀，而且容易出錯(cuò)。

針對(duì)這一問(wèn)題，從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有研究人員為了簡(jiǎn)化MCNP輸入文件的制作以及計(jì)算數(shù)據(jù)的抽取與顯示，研究開發(fā)了專用的MCNP程序可視化運(yùn)行平臺(tái)，并能以圖形化的方式顯示MCNP的計(jì)算進(jìn)程和運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)信息。特別是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在近幾年取得了一些有價(jià)值的研究成果[4]，開發(fā)的MCNP可視化軟件，如MCNP Visual Editor[5]，Sabrina[5]，Moritz[5]和中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所FDS團(tuán)隊(duì)開發(fā)的自動(dòng)建模可視化軟件系統(tǒng) MCAM[6?7]，能將目前商用CAD軟件中繪制的計(jì)算場(chǎng)景的幾何模型轉(zhuǎn)換為MCNP的仿真模型。MCNP模型包括MCNP幾何模型和MCNP物理模型兩部分，兩者均以文本形式表示，共同組成MCNP輸入文件。其中幾何模型是指計(jì)算對(duì)象的幾何形體以及附加在幾何形體上的其他信息，即輸入文件中的幾何塊卡（Cell Cards）、曲面卡（Surface Cards）和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換卡（TR）。目前因此由CAD模型生成MCNP幾何模型中曲面卡是MCNP可視化軟件中的關(guān)鍵問(wèn)題之一[8]。

1 ACIS介紹

2 方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 旋轉(zhuǎn)卡

2.2 ACIS中SPAtransf類

ACIS中的類SPAtransf描述了一個(gè)常規(guī)的3維仿射變換，該類定義了affine_part 和translation_part兩個(gè)成員變量。其中，affine_part的類型為SPAmatrix，是該仿射變換的旋轉(zhuǎn)矩陣部分，translation_part的類型為SPAvector，是該仿射變換的平移部分。經(jīng)過(guò)測(cè)試，矩陣affine_part中的9個(gè)值對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)卡中的B1～B9，向量translation_part對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)卡中的O1～O3，因此可以根據(jù)類SPAtransf可以很方便的描述曲面的旋轉(zhuǎn)卡。

2.3 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

對(duì)于給定的幾何體，枚舉出該幾何體所有的面后，使用ACIS中的類FACE提供的函數(shù)face→geometry（）→type_name（）可以得到該面的類型，根據(jù)面的類型使用相應(yīng)的ACIS構(gòu)造幾何類獲取該面的基本參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到該面的方程，從而自動(dòng)生成MCNP格式的曲面描述。下面從曲面的方向與坐標(biāo)軸的關(guān)系來(lái)介紹具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)MCNP輸入文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何模型描述工作容易出錯(cuò)的特點(diǎn)，提出了根據(jù)模型的幾何結(jié)構(gòu)信息，將傳統(tǒng)的手工編寫輸入卡文件中的曲面卡轉(zhuǎn)化為由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的方法，并得到實(shí)踐的檢驗(yàn)。該方法在一定程度上提高了 MCNP輸入文件的制作效率，同時(shí)也提高了曲面卡的準(zhǔn)確性，為廣大 MCNP程序的研究人員提供了一種有價(jià)值的參考。但同時(shí)也存在著不足之處，如果在導(dǎo)入的模型中存在雙曲面、拋物面或樣條面，則無(wú)法給出該面的描述，需要在MCNP精度允許下用近似的其他曲面來(lái)替換。

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