自動生成MCNP輸入文件中曲面卡的研究與實現

摘 要： 針對手工編寫MCNP輸入文件中幾何模塊容易出錯的問題，采用Spatial公司推出ACIS提供的API函數、C++類和DI函數3種開發接口，實現根據給定的CAD模型得到該模型中所有曲面的面方程，在曲面與坐標軸不平行時，以輔助坐標系的形式簡化面方程，最終自動生成MCNP格式的曲面卡。通過對不同模型的驗證，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。

關鍵字： MCNP 輸入文件； 曲面卡； ACIS； CAD

中圖分類號： TN391?09 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0094?04

MCNP（Monte Carlo N?Particle transport code）是由美國LosAlamos國家實驗室研制開發的通用中性粒子輸運計算程序，用于計算中子、光子、電子或中子?光子的耦合輸運問題，也可以計算臨界系統（包括次臨界及超臨界）的本征問題，廣泛應用于多個學科領域[1]。

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

針對這一問題，從20世紀90年代開始，國內外已經有研究人員為了簡化MCNP輸入文件的制作以及計算數據的抽取與顯示，研究開發了專用的MCNP程序可視化運行平臺，并能以圖形化的方式顯示MCNP的計算進程和運行時間的相關信息。特別是隨著計算機軟硬件技術的發展，在近幾年取得了一些有價值的研究成果[4]，開發的MCNP可視化軟件，如MCNP Visual Editor[5]，Sabrina[5]，Moritz[5]和中國科學院等離子體物理研究所FDS團隊開發的自動建模可視化軟件系統 MCAM[6?7]，能將目前商用CAD軟件中繪制的計算場景的幾何模型轉換為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算對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）和坐標轉換卡（TR）。目前因此由CAD模型生成MCNP幾何模型中曲面卡是MCNP可視化軟件中的關鍵問題之一[8]。

1 ACIS介紹

2 方案設計及實現過程

2.1 旋轉卡

2.2 ACIS中SPAtransf類

ACIS中的類SPAtransf描述了一個常規的3維仿射變換，該類定義了affine_part 和translation_part兩個成員變量。其中，affine_part的類型為SPAmatrix，是該仿射變換的旋轉矩陣部分，translation_part的類型為SPAvector，是該仿射變換的平移部分。經過測試，矩陣affine_part中的9個值對應于旋轉卡中的B1～B9，向量translation_part對應旋轉卡中的O1～O3，因此可以根據類SPAtransf可以很方便的描述曲面的旋轉卡。

2.3 具體實現過程

對于給定的幾何體，枚舉出該幾何體所有的面后，使用ACIS中的類FACE提供的函數face→geometry（）→type_name（）可以得到該面的類型，根據面的類型使用相應的ACIS構造幾何類獲取該面的基本參數，經過計算得到該面的方程，從而自動生成MCNP格式的曲面描述。下面從曲面的方向與坐標軸的關系來介紹具體的實現過程。

4 結 語

本文針對MCNP輸入文件結構復雜、幾何模型描述工作容易出錯的特點，提出了根據模型的幾何結構信息，將傳統的手工編寫輸入卡文件中的曲面卡轉化為由計算機自動生成的方法，并得到實踐的檢驗。該方法在一定程度上提高了 MCNP輸入文件的制作效率，同時也提高了曲面卡的準確性，為廣大 MCNP程序的研究人員提供了一種有價值的參考。但同時也存在著不足之處，如果在導入的模型中存在雙曲面、拋物面或樣條面，則無法給出該面的描述，需要在MCNP精度允許下用近似的其他曲面來替換。

參考文獻

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[10] 吳敏.基于3D組件的CAE 前后處理軟件開發[EB/OL].[2012?04?01].http：//www.spatial.com.cn.