液固交互中可变形固体不规则断裂现象模拟

论文摘要

随着最近这十几年来电子技术的发展，它为虚拟仿真技术的研究提供了硬件上的支持，这使得这门科学得到了蓬勃的发展，虚拟仿真技术也被应用在军事仿真、自然灾害的预防、影视游戏以及虚拟手术等等生活中的方方面面。首先，采用SPH方法模拟流体，可以模拟实现流体的飞溅、破碎等大规模形变现象；为了防止在液固交互的过程中产生流体的非物理性震荡，在SPH方程中引入人工粘度和人工热量；通过设置虚粒子，防止实粒子发生穿透现象；为了减小实验误差，使光滑长度是动态可变；引入树形搜索法查找最近相邻粒子，这种链表搜索法特别适合光滑长度可变、粒子数目巨大的问题；采用CSPH方法求解流体粒子的密度，减少边界粒子的缺失。其次，采用质点弹簧方法模拟可变形固体，这种方法简单快速，可以模拟复杂的物体运动；根据胡克定律计算质点之间的弹力，引入内摩擦系数，防止固体在形变的过程中出现震荡；为了更加逼真的模拟固体的形变和断裂，在可变形固体模拟的过程中加入光照、材质，并动态计算每个固体质点的法向量，以便可以实时地渲染可变形固体。再次，为了真实地模拟固体的变形和断裂过程，提出用双向动态链表作为可变形固体的数据结构，以便在固体断裂时可以快速地添加或删除节点；流体与固体的碰撞为固体的形变和断裂提供了外力作用，在液固交互时保持动量守恒，使流体粒子的动量转化为最近相邻的固体质点的动量；调用递归函数遍历固体质点，查找固体的非断裂质点，得到存储可变形固体中没有因断裂而脱离固体的质点的非断裂链表，对非断裂链表中的固体质点的索引值进行快速排序，以方便得到固体的断裂质点，通过逻辑差运算得到断裂链表，这样就实现了固体在形变和断裂过程中固体的断裂质点和非断裂质点的分离。最后，搭建实验平台，设计实现流体与可变形固体交互以及固体的不规则断裂算法，通过与国内外相关实验的对比，得出本实验能够真实地模拟流体与固体交互的现象及可变形固体的形变和断裂现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 液固交互及可变形固体断裂研究的背景及意义
• 1.2 液固交互及可变形固体断裂的国内外研究现状
• 1.2.1 液固交互的国内外研究现状
• 1.2.2 固体断裂的国内外研究现状
• 1.3 液固交互及可变形固体断裂模拟的难点
• 1.4 本文工作
• 1.5 本文结构
• 第2章 SPH 流体模拟方法的优化
• 2.1 流体模拟方法的分析与比较
• 2.1.1 无网格方法的分析
• 2.1.2 基于拉格朗日的流体模拟方法
• 2.2 SPH 方法模拟流体的优化
• 2.2.1 引入树形链表法搜索最近相邻粒子
• 2.2.2 引入平均密度法更新可变光滑长度
• 2.2.3 保持粒子间相互作用的对称性
• 2.2.4 用 CSPH 方法求解流体粒子的密度
• 2.3 本章小结
• 第3章 可变形固体变形和断裂模型的创建
• 3.1 模拟可变形固体方法的分析与比较
• 3.1.1 基于非物理的可变形固体模拟方法分析
• 3.1.2 基于物理的可变形固体模拟方法分析
• 3.2 可变形固体变形和断裂模型的构建
• 3.2.1 可变形固体质点的几何分布
• 3.2.2 可变形固体质点间的弹性力模型构建
• 3.2.3 可变形固体质点间的内摩擦力模型构建
• 3.3 求解质点法向量解决可变形固体的实时渲染问题
• 3.4 本章小结
• 第4章 流体与可变形固体的交互及固体的断裂现象模拟
• 4.1 可变形固体的数据结构的设计
• 4.2 流体粒子与固体质点碰撞模型的创建
• 4.3 可变形固体形变和断裂模型的创建
• 4.4 可变形固体非断裂质点的查找
• 4.5 可变形固体断裂碎片的查找
• 4.6 本章小结
• 第5章 液固交互中固体不规则形变及断裂现象的实现
• 5.1 实验平台的搭建
• 5.2 液固交互的可变形固体不规则断裂现象模拟系统的设计
• 5.2.1 实时模拟液体的设计
• 5.2.2 实时模拟可变形固体的设计
• 5.3 实时模拟液固交互仿真系统的实现
• 5.3.1 实时模拟液体的实现
• 5.3.2 实时模拟可变形固体的实现
• 5.4 实验结果分析与比较
• 5.4.1 液固交互的可变形固体的形变模拟分析与比较
• 5.4.2 液固交互的可变形固体的断裂模拟分析与比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介