液固交互过程中固体破碎现象的实时模拟研究

论文摘要

破碎是液固交互过程中一种常见的物理现象，在虚拟现实、网络游戏以及电影工业中，破碎特效极大地影响着用户的真实感体验。近年来，随着计算机硬件设备的不断更新和流体动画算法的快速发展，越来越多的液固交互现象得到了非常真实的模拟。但是，由于在液固交互过程中发生的固体破碎，具有运动状态复杂以及破坏性变化等特点，对于该过程的实时模拟则成为计算机图形学领域中的研究难点。因此，本文针对传统液固交互边界处理算法复杂，难以实时模拟固体破碎的缺陷，提出一种实时生成固体碎片的方法，实现液固交互过程中，复杂且运动方向不确定的固体破碎现象的真实感模拟。论文工作包括以下几个方面。首先，液体与固体使用统一的SPH粒子表示。SPH方法是流体模拟的常用方法之一，本文使用SPH方法对液体和固体进行统一的粒子管理，固体粒子作为液体粒子的一部分与液体交互，提高了模拟的实时性。其次，使用预测校正方案简化液固交互边界处理算法。传统液固交互边界处理算法复杂，难以实现对于复杂液固交互场景的实时模拟，为解决这一问题，将预测校正方案扩展应用于处理液固交互过程中固体之间的碰撞问题，实现液体与不同材质的任意形态固体的动态交互。再次，提出一种新的适用于液固交互过程中的固体破碎模拟方法。液体与固体的动态交互过程中，固体受到液体冲击以及周围固体的碰撞作用，会发生破碎现象，针对固体的断裂破碎与表面破损这两种形式，根据能量守恒定律，设计了一种实时生成固体碎片模拟方法，将固体破碎过程简化为固体碎片边界粒子生成的过程，并使用形状匹配算法对固体碎片进行形状约束，减少计算量，提高模拟的实时性，且可以很好的表现固体与液体交互时的倾泻、飞溅等细节，效果真实。最后，实验构建液固交互仿真模型，实时模拟液固交互过程中的固体破碎现象，通过实验对比，从而验证算法的有效性，真实的模拟生活中液固交互过程中的固体破碎这一物理现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 液固交互过程中固体破碎现象模拟存在的问题
• 1.4 研究内容及预期目标
• 1.5 论文结构
• 第2章 液固交互过程中固体破碎现象模拟的理论基础
• 2.1 Navier-Stokes 方程
• 2.2 SPH 方法
• 2.2.1 SPH 方法的基本思想
• 2.2.2 SPH 方法的平滑核函数
• 2.2.3 SPH 方法的运动方程
• 2.2.4 SPH 方法的实现细节
• 2.3 Marching Cubes 算法
• 2.3.1 Marching Cubes 算法基本原理
• 2.3.2 Marching Cubes 算法的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 液固交互的边界处理算法研究
• 3.1 与静态实体的交互
• 3.1.1 液体粒子与障碍物边界的碰撞检测
• 3.1.2 更新液体粒子的位置和速度
• 3.2 与动态实体的交互
• 3.2.1 液固双向耦合算法研究
• 3.2.2 固体之间的碰撞处理
• 3.2.3 实验研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 固体破碎现象实时模拟方法研究
• 4.1 固体断裂破碎实时模拟方法研究
• 4.1.1 预破碎模式
• 4.1.2 设计适用于液固交互过程中的破碎方案
• 4.2 固体表面破损实时模拟方法研究
• 4.3 实验研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 固体破碎现象实时模拟方法的设计与实现
• 5.1 实验平台的搭建
• 5.1.1 开发工具简介
• 5.1.2 开发环境的配置
• 5.2 固体破碎现象实时模拟实验的设计与实现
• 5.2.1 液固交互仿真系统的设计
• 5.2.2 固体破碎现象实时模拟的设计与实现
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 液固交互仿真系统的有效性分析
• 5.3.2 固体破碎现象实时模拟的有效性分析
• 5.4 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