蒙特卡罗几何高效可视化建模方法研究

Monte Carlo method is the development direction of the radiation shielding calculation. Monte Carlo modeling efficiency restricts the application of Monte Carlo method in the radiation shielding calculation. The CAD assistant Monte Carlo modeling method has been developed to overcome this problem. The visual modeling method based on CSG needs artificial modeling from the very beginning; the Monte Carlo transport method based on CAD method will reduce the computational efficiency; the CAD to Monte Carlo geometry conversion method cannot achieve lossless conversion. This project aims to develop an efficient visual modeling method for Monte Carlo geometry based on the analysis method of CAD model, the CAD to Monte Carlo geometry conversion method and the visual modeling method based on CSG. In this project, the automatic recognition method of CAD spline surfaces and non-closed solids will be studied to separate convertible and unconvertible solids in CAD models; the CAD to Monte Carlo geometry conversion method will be developed to generate the appropriate CSG models which can improve the Monte Carlo calculation efficiency and to realize the automatic conversion of most Monte Carlo models; the 3D visualization and incremental modeling method for Monte Carlo geometry will be researched to complement the unconvertible solids. The Monte Carlo modeling efficiency of complex models such as fast reactor, fusion reactor and accelerator will be greatly improved through the research of this project, and finally the bottleneck of Monte Carlo modeling efficiency in the radiation shielding calculation of Monte Carlo method can be overcome.

蒙卡方法是精细化辐射屏蔽计算的发展方向，而蒙卡建模效率制约着蒙卡方法在屏蔽计算中的应用。目前已发展的CAD辅助蒙卡建模方法中，CSG表示三维可视化建模需要从零开始手工建模，基于CAD模型的蒙卡粒子输运会降低蒙卡计算效率，CAD模型到蒙卡几何转换无法实现无损转换。本项目拟基于CAD模型分析方法、CAD模型到蒙卡几何转换方法、CSG表示可视化建模方法发展一套蒙卡几何高效可视化建模方法。研究CAD模型样条曲面、非封闭体的自动识别方法，实现CAD模型文件中可转换/不可转换实体的分离；研究CAD模型到蒙卡模型的自动转换方法实现大部分蒙卡模型的自动转换，生成有利于提升蒙卡计算效率的几何模型；研究蒙卡几何三维可视化及增量建模方法，实现不可转换实体的增量可视化补全。在保证蒙卡模型精准度、可用性的前提下，大幅度提升如快堆、聚变堆、加速器等大规模复杂蒙卡计算模型建模效率，突破蒙卡建模在蒙卡屏蔽计算中的瓶颈。

复杂几何的精细化建模是发挥蒙特卡罗粒子输运计算准确优势的必要条件，然而蒙卡建模效率低是制约蒙特卡罗方法进一步广泛和高效应用的重要瓶颈之一。本项目结合蒙卡模型自动转换方法和可视化蒙卡建模方法的优势，开展两种方法及其相结合方法的研究，主要研究内容包括：1）基于STEP标准和Open Cascade的可转换、不可转换实体分析和分离方法；2）高效蒙卡粒子追踪算法；3）利于提升蒙卡追踪效率的CSG表示方法和基于蒙卡模型转换程序CMGC的转换方法；4）CMGC转换算法优化；5）基于可视建模工具JLAMT的GDML几何三维可视化及增量建模方法。取得的重要研究成果包括：1）实现了可转换、不可转换实体的自动分离；2）优化了JCOGIN、建立了JAUMIN的粒子追踪算法；3）基于粒子追踪算法特点，建立了有利于提升蒙卡追踪效率的CSG表示方法和模型转换方法，典型转换模型追踪效率比手建模型提升7倍；4）转换算法优化显著提升了转换成功率和转换效率；5）实现了模型转换和可视化建模方法的结合，应用于CFETR、加速器等模型的快速建模，其中CFETR建模时间5人天，加速器建模时间1人天。基于以上研究，项目建立并实现了蒙卡模型自动转换和可视化蒙卡建模相结合的建模方法和软件包，目前已经在多个复杂模型的蒙卡建模和输运计算中发挥重要作用，有效缓解了众多应用场景下复杂模型蒙卡建模效率低的问题。