基于SPH-FEM算法的流固耦合仿真
发布时间：2021-03-01 01:35
流固耦合现象在现实生活中随处可见,如何对其真实地模拟,一直是计算机图形工作者研究的热点和难点之一。流固耦合模拟的研究成果在自然灾害仿真、影视动画的特效制作和虚拟现实游戏的开发中有着重要的应用。目前,对流固耦合的模拟都是采用基于粒子的方法,尤属光滑粒子动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）方法应用最为广泛。虽然SPH方法在模拟大变形和自由表面流动等问题上有显著的优势,但是在模拟固体时存在着边界拉伸现象。另外,当前对流固耦合的模拟,大多都是将固体看作刚体进行研究,没有考虑流体与可变形固体的交互。针对这两个方面,本文利用SPH方法模拟流体域,对可变形固体域则采用有限元（Finite Element Method,FEM）方法模拟,通过耦合两种算法,从而完成流体与可变形固体的交互。FEM方法模拟固体时精度高且容易处理复杂的边界,而且FEM方法与SPH方法一样,都是基于拉格朗日格式的,便于在同一时间步长内进行求解。本文利用SPH-FEM耦合算法进行流固耦合的模拟,主要工作如下:（1）利用SPH方法对流体域进行求解和模拟。对影响算法精度和计算效率的邻域粒子...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)为核函数与(b)为核函数Fig.2-1(a)kernelfunctionand(b)kernelfunction
（为流体粒子与单元面的接触点相对于三角形单元面的重心坐标。受力之后，就可以对其求和，从而得到整个固体节点所受到的接外力施加给固体。界粒子筛选方法的改进解流体和固体的交互过程，须在每个时间步内对固体单元表面的行检测。当粒子或三角形的数量增加时，如何提高碰撞检测的效点。如果能够事先筛选出边界粒子，那么将会大大的节省检测的。对于这个问题，文献[57]对交互时的粒子分两个阶段进行筛选 4-2 所示。具体的过程为：首先，将问题域进行网格划分，查找 SPH 流体粒子哈希查询周围网格内的粒子，若其周围的某一网成边界粒子，否则标记成流体内部粒子；然后，筛选出边界粒子，处理边界粒子与三角面片的交互。
5 基于各向异性核的流体表面重建同的 SPH 方案可以使用不同的核函数 进行密度计算，因此 SPH 算法。定各向异性节中确定了每个粒子的各向异性矩阵 用来更准确地描述粒子周位于流体体积内的粒子，密度所有方向上可能都是恒定的，可以数的单位矩阵来保持光滑核的各向同性。另一方面，靠近表面的粒的衰减要比沿切线的衰减快。这时 应沿切线方向拉伸 ，沿法线尖锐特征时，密度将在几个方向急剧衰减，同时 应该收缩 ，。图 5-1 比较了各向同性核和各向异性核重建流体表面时的区别表面，下方分别为对应的粒子状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锚块预留槽预应力闸墩结构的二维有限元计算[J]. 黄涛,展辰辉. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于动力特性的螺栓连接钢框架结构有限元建模[J]. 汪志昊,陈银,郜辉,李国豪,郜家奇. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]基于CUDA的大规模流体实时模拟[J]. 周煜坤,陈清华,余潇. 计算机应用与软件. 2015(01)
[4]基于粒子的流体和可形变固体双向耦合[J]. 袁志勇,郭甲翔,杨成,韩婕,廖祥云. 系统仿真学报. 2013(10)
[5]流-固交互及可变形体破裂的真实感模拟[J]. 陈沸镔,王长波,谢步瀛,冉修远. 计算机辅助设计与图形学学报. 2012(08)
[6]GPU中的流体场景实时模拟算法[J]. 陈曦,王章野,何戬,延诃,彭群生. 计算机辅助设计与图形学学报. 2010(03)
[7]GPU通用计算平台上的SPH流体模拟[J]. 温婵娟,欧嘉蔚,贾金原. 计算机辅助设计与图形学学报. 2010(03)
[8]基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟[J]. 柳有权,刘学慧,吴恩华. 软件学报. 2006(03)
[9]流固耦合力学概述[J]. 邢景棠,周盛,崔尔杰. 力学进展. 1997(01)
博士论文
[1]模拟流固耦合问题的FEM-SPH耦合算法研究[D]. 龙厅.湖南大学 2017
硕士论文
[1]基于SPH方法的泥石流运动仿真[D]. 王亚茹.华北水利水电大学 2018
[2]复杂场景的流固耦合高效模拟研究[D]. 陈晨阳.浙江大学 2018
[3]基于物理的大规模流固耦合模拟[D]. 张少雄.浙江大学 2017
[4]基于物理的流固耦合模拟研究[D]. 胡朦朦.北京理工大学 2016
[5]液固交互过程中固体破碎现象的实时模拟研究[D]. 吴凌霞.燕山大学 2012
[6]扩展SPH方法实时模拟液固交互及数值优化[D]. 赵文晶.燕山大学 2011
[7]中尺度流体与固体耦合动画模拟研究[D]. 张漫遥.电子科技大学 2011
[8]基于物理的流体仿真算法研究[D]. 高志国.郑州大学 2010
[9]实时流体交互性模拟算法的研究与实现[D]. 钟子春.电子科技大学 2009
本文编号：3056759
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)为核函数与(b)为核函数Fig.2-1(a)kernelfunctionand(b)kernelfunction
（为流体粒子与单元面的接触点相对于三角形单元面的重心坐标。受力之后，就可以对其求和，从而得到整个固体节点所受到的接外力施加给固体。界粒子筛选方法的改进解流体和固体的交互过程，须在每个时间步内对固体单元表面的行检测。当粒子或三角形的数量增加时，如何提高碰撞检测的效点。如果能够事先筛选出边界粒子，那么将会大大的节省检测的。对于这个问题，文献[57]对交互时的粒子分两个阶段进行筛选 4-2 所示。具体的过程为：首先，将问题域进行网格划分，查找 SPH 流体粒子哈希查询周围网格内的粒子，若其周围的某一网成边界粒子，否则标记成流体内部粒子；然后，筛选出边界粒子，处理边界粒子与三角面片的交互。
5 基于各向异性核的流体表面重建同的 SPH 方案可以使用不同的核函数 进行密度计算，因此 SPH 算法。定各向异性节中确定了每个粒子的各向异性矩阵 用来更准确地描述粒子周位于流体体积内的粒子，密度所有方向上可能都是恒定的，可以数的单位矩阵来保持光滑核的各向同性。另一方面，靠近表面的粒的衰减要比沿切线的衰减快。这时 应沿切线方向拉伸 ，沿法线尖锐特征时，密度将在几个方向急剧衰减，同时 应该收缩 ，。图 5-1 比较了各向同性核和各向异性核重建流体表面时的区别表面，下方分别为对应的粒子状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锚块预留槽预应力闸墩结构的二维有限元计算[J]. 黄涛,展辰辉. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于动力特性的螺栓连接钢框架结构有限元建模[J]. 汪志昊,陈银,郜辉,李国豪,郜家奇. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2016(06)
[3]基于CUDA的大规模流体实时模拟[J]. 周煜坤,陈清华,余潇. 计算机应用与软件. 2015(01)
[4]基于粒子的流体和可形变固体双向耦合[J]. 袁志勇,郭甲翔,杨成,韩婕,廖祥云. 系统仿真学报. 2013(10)
[5]流-固交互及可变形体破裂的真实感模拟[J]. 陈沸镔,王长波,谢步瀛,冉修远. 计算机辅助设计与图形学学报. 2012(08)
[6]GPU中的流体场景实时模拟算法[J]. 陈曦,王章野,何戬,延诃,彭群生. 计算机辅助设计与图形学学报. 2010(03)
[7]GPU通用计算平台上的SPH流体模拟[J]. 温婵娟,欧嘉蔚,贾金原. 计算机辅助设计与图形学学报. 2010(03)
[8]基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟[J]. 柳有权,刘学慧,吴恩华. 软件学报. 2006(03)
[9]流固耦合力学概述[J]. 邢景棠,周盛,崔尔杰. 力学进展. 1997(01)
博士论文
[1]模拟流固耦合问题的FEM-SPH耦合算法研究[D]. 龙厅.湖南大学 2017
硕士论文
[1]基于SPH方法的泥石流运动仿真[D]. 王亚茹.华北水利水电大学 2018
[2]复杂场景的流固耦合高效模拟研究[D]. 陈晨阳.浙江大学 2018
[3]基于物理的大规模流固耦合模拟[D]. 张少雄.浙江大学 2017
[4]基于物理的流固耦合模拟研究[D]. 胡朦朦.北京理工大学 2016
[5]液固交互过程中固体破碎现象的实时模拟研究[D]. 吴凌霞.燕山大学 2012
[6]扩展SPH方法实时模拟液固交互及数值优化[D]. 赵文晶.燕山大学 2011
[7]中尺度流体与固体耦合动画模拟研究[D]. 张漫遥.电子科技大学 2011
[8]基于物理的流体仿真算法研究[D]. 高志国.郑州大学 2010
[9]实时流体交互性模拟算法的研究与实现[D]. 钟子春.电子科技大学 2009
本文编号：3056759
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