基于物理模型的流固耦合与形变破坏真实感仿真

发布时间：2023-01-15 14:26

　　流固耦合与形变破坏是电影特效与电子游戏中常见的自然现象,如何针对上述现象生成高真实感、交互性、实时性的计算机动画,一直是计算机图形学领域的研究热点。基于物理的仿真算法利用现象背后的物理机制,可以得到真实感的仿真效果,因而在动画仿真领域受到广泛关注。但是,在处理复杂材料（如各向异性材料、多孔介质）与耦合现象时,基于物理的仿真算法面临模型复杂度高、系统鲁棒性差、交互困难、计算耗时等问题,对流固耦合与形变破坏现象的仿真提出了极大的挑战。本文针对上述困难,深入探寻流固耦合与形变破坏现象背后复杂的运动模型与耦合作用的物理原理,对于典型的自然现象,提出了一系列基于物理的流固耦合与形变破坏真实感仿真算法。本文的主要工作包括:·提出了一种基于粒子有限元方法的多孔介质渗流-结构耦合现象仿真算法。针对传统有限元方法在处理大形变时数值不稳定的问题,该方法采用光滑粒子流体动力学模型追踪自由移动粒子,以生成粒子有限元网格计算控制方程,保证了仿真算法的鲁棒性。该算法通过链接信息与自适应Alpha Shape进行快速表面重建,可以同时处理多孔介质渗流、结构变形与破碎等多种复杂耦合现象,实现了多孔介质中孔隙渗流与形变... 

【文章页数】：125 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 有限元方法
        1.2.2 欧拉方法
        1.2.3 光滑粒子流体动力学方法
        1.2.4 混合方法
        1.2.5 数据驱动方法
    1.3 本文的研究内容与创新
    1.4 论文组织
第二章 多孔介质的渗流-结构耦合现象仿真
    2.1 引言
    2.2 多孔介质渗流-结构动态耦合模型
        2.2.1 多孔介质中的渗流模型
        2.2.2 考虑结构变形的动态渗流-结构耦合模型
    2.3 基于粒子有限元方法的渗流现象仿真
        2.3.1 算法概述
        2.3.2 基于自适应SPH方法的渗流计算
        2.3.3 基于PFEM的多孔介质耦合计算
        2.3.4 基于Alpha Shape与饱和度的表面重建模型
    2.4 实验结果
        2.4.1 仿真结果
        2.4.2 性能分析
    2.5 本章小结
第三章 多物理过程的流固耦合现象仿真
    3.1 引言
    3.2 多物理过程耦合模型
        3.2.1 动态熔岩模型
        3.2.2 动态烟雾生成
    3.3 基于PCISPH方法的火山仿真
        3.3.1 动态粒子模型
        3.3.2 基于温度的绘制方法
    3.4 实验结果
        3.4.1 仿真结果
        3.4.2 性能分析
    3.5 本章小结
第四章 数据驱动的烟雾-固体耦合现象仿真与细节增强
    4.1 引言
    4.2 算法概述
    4.3 欧拉模型物理参数估计算法
        4.3.1 基于欧拉方法的烟雾仿真
        4.3.2 卷积神经网络结构设计
    4.4 烟雾-固体耦合仿真的细节增强算法
        4.4.1 物理约束的损失函数设计
        4.4.2 时空连贯性的处理
    4.5 实验结果与分析
        4.5.1 数据生成方法
        4.5.2 网络训练过程
        4.5.3 仿真效果
        4.5.4 分析与比较
    4.6 本章小结
第五章 各向异性材料脆性破碎现象仿真
    5.1 引言
    5.2 基于各向异性SPH的应力分析
        5.2.1 弹性力学连续模型
        5.2.2 基于各向异性核函数的自适应SPH方法
        5.2.3 应力分析方法
        5.2.4 可控的裂纹计算模式
    5.3 裂纹仿真几何模型
        5.3.1 粒子模型初始化
        5.3.2 基于裂纹的自适应粒子细分
        5.3.3 基于边界粒子的碰撞检测加速
    5.4 实验结果
    5.5 本章小结
第六章 结语
    6.1 全文总结
    6.2 未来工作
参考文献
作者简历
致谢
研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Meshless methods for physics-based modeling and simulation of deformable models[J]. GUO XiaoHu1 ＆ QIN Hong2 1 Department of Computer Science, University of Texas at Dallas, Richardson, Texas 75083-0688, USA; 2 Department of Computer Science, Stony Brook University, Stony Brook, New York 11794-4400, USA.  Science in China（Series F:Information Sciences）. 2009(03)
[2]焊接热过程数值分析中相变潜热的三种解决方案[J]. 赵明,武传松,陈茂爱.  焊接学报. 2006(09)
[3]饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型[J]. 李培超,孔祥言,卢德唐.  水动力学研究与进展（A辑）. 2003(04)



本文编号：3731156