颗粒破碎过程的离散元精细化建模

为了模拟颗粒的破碎过程,反映颗粒破碎后碎片的真实形状,改进了多面体的接触识别算法,提出了一种基于离散元法的精细化弹簧-四面体单元破碎模型.将多面体颗粒用弹簧-四面体单元离散后,利用连接线性目录法建立可能接触颗粒对的邻居目录,采用改进的射线穿透法判断邻居目录中颗粒对是否真正接触.两种算法共用边界盒,讨论了接触识别算法中特殊的接触类型,并计算接触力.通过最大拉力准则判断弹簧断裂,最终获得多面体颗粒的破碎情况,并对六棱柱颗粒高速冲击刚性边界的破碎过程进行了数值模拟,研究了不同速度下颗粒高速冲击刚性边界的破碎程度.模拟结果表明,建立的弹簧-四面体单元破碎模型可以模拟多面体颗粒的破碎过程,连接线性目录法能够快速建立颗粒系统的邻居目录,改进的射线穿透法能有效地识别颗粒间各种复杂的接触情况.研究结果表明,颗粒破碎是从未破碎-快速发展-缓慢发展的过程,并且速度越大,初始破碎时刻越早,破碎发展速度越快,破碎程度也越严重.数值模拟结果与颗粒冲击破碎实验的结果趋势相符,计算模型反映了真实情况下颗粒的破碎趋势.改进了的多面体接触识别算法和提出的弹簧-四面体单元破碎模型可以有效地模拟颗粒的破碎过程,解决颗粒破碎后碎片的真实形状问题.     

非规则曲面的离散元法分析模型建模软件

在采用离散元法分析机械部件与颗粒材料接触作用时,需要建立机械部件（边界）的离散元法分析模型。分析可知,机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面,存在不能用初等解析函数表达的非规则曲面。为此,采用推进波前法（AFT：Advancing Front Technique）进行非规则曲面网格划分,把非规则曲面离散成三角形平面片的组合,同时添加运动属
性和材料特性参数,由此建立非规则曲面边界的离散元法分析模型。在对PRO/E软件进行二次开发的基础上,研制了非规则曲面边界建模软件。通过实例验证,初步证明了基于AFT边界建模方法和软件的可行性,为复杂结构机械部件工作过程的仿真分析奠定了基础。     

三维弹塑性摩擦接触多极边界元法

三维弹塑性摩擦接触问题是多重非线性问题，对接触区表面和塑变区的离散，须划分大量单元进行大规模运算才能获得接触位移、面力及应力场的准确信息。传统边界元法由于离散自由度所需内存大，CPU计算时间冗长，完整解题运算规模受到限制。本文在三维弹性多极留数边界元法的基础上，开发研制三维弹性数学规划型摩擦接触多极边界元法及源程序，建立三维弹塑性摩擦接触多极边界元法并研制其源程序，更新了课题组开发的原传统的三维弹塑性摩擦接触边界元法。数值试验表明，本法使计算机内存量减少近百倍，从而使细划分单元的大规模运算成为可能，并提高了计算精度。     

基于图形学方法的离散元边界接触检测法

在采用离散元法分析机械部件的接触作用时,如何建立复杂结构和不同运动方式机械部件的离散元法分析模型,已成为离散元法工程应用需要解决的主要问题.提出了一种基于图元的二维边界离散元法仿真算法,该算法采用Bresenham方法设置边界图元信息以进行邻居搜索.实例验证证明了该算法的正确性和有效性,为实现由边界的CAD模型进行边界的离散元法仿真分析奠定了基础.     

基于边界元法的金属纳米粒子的模拟计算

边界元法是一种继有限元法后发展起来的一种新型数值算法,与有限元法对整个区域进行划分不同,其只需在区域边界进行划分,可使考虑问题的维数降低1维从而简化计算.用边界元法计算金属纳米球的散射截面和消光截面,计算表明,在离散节点增多时,此方法与解析解更接近,它们的谐振峰在节点数大于60后不再发生变化.     

含地下孔洞层状半空间中瞬态波的传播

针对任意层数层状半空间的波动问题,采用相应介质域基本解在时域中建立了层状半空间的边界积分方程,系统地给出其离散求解的基本公式及数值化实施的计算技术.给出的边界元算法可以直接求解含孔洞任意层数层状半空间介质的波动问题而无需对各层交接面离散和设立自由度,从根本上克服了这类问题传统边界元法分区算法的弊端,大幅度减少了离散自由度,提高了求解效率.数值实例验证了上述方法的可行性及可靠性.     

弹性动力学瞬态问题的频域边界元快速解法

为解决常规基于离散傅里叶变换的频域边界元法难以解决无阻尼和低阻尼系统瞬态分析的问题,将指数窗口法与频域边界元法相结合,并采用预校正快速傅里叶变换(pFFT)方法加速边界元求解。为进一步提高分析效率,针对频域边界元法所形成的系列线性方程组,提出了一种最小二乘外推法以获得较高精度的迭代初值,可使初始解残差小于10-2,从而显著减少了迭代次数;将新型的子空间回收算法用于频域系列线性方程组的求解,加快了方程组的迭代收敛速度。算例表明,所提出的方法可显著减少频域边界元法的迭代次数,从而提高了计算效率,并有效降低了迭代解法的内存消耗。     

基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法

针对传统浸入边界法施加边界条件精度不高的情况,将附加体积力的求解内嵌到压强泊松方程的迭代当中,提出了基于嵌入式迭代的浸入边界法.将所提出的算法应用到圆柱绕流数值模拟中,并与他人的实验值和数值解进行了对比,验证了所提算法具有较高的计算精度.分析了插值函数是导致浸入边界法高估圆柱阻力系数的原因,并对阻力系数进行了修正,修正值与采用贴体网格得到的结果非常吻合.比较了本文算法和传统算法的圆柱迎流侧驻点附近的速度矢量和圆柱周围的流线,证实了本文算法在施加边界条件方面的优越性.比较了两种算法的计算效率,迭代计算附加体积力所导致的额外耗时不显著.     

二维边界元法的新算法

本文提出一种二维边界元法的算法。主要是提出新的离散方法，可以大大地节省内存，提高运算速度，系数矩阵元素计算不用高斯积分公式，而用坐标变换的方法导出一个新公式，减少了运算量，提高了计算精度，最后介绍了本文方法的实施。     

颗粒阻尼器减震控制的数值模拟

基于离散单元法,建立了颗粒阻尼器对多自由度结构进行减震控制的数值模拟方法,并介绍了系统参数的取值方法.该方法采用合理的计算时步和高效的接触检测算法,能较好地模拟颗粒间以及颗粒与容器壁之间的相互作用.开展了附加颗粒阻尼器的多层框架的振动台试验,通过试验结果与数值模拟结果的对比发现两者吻合良好,说明该数值方法可以较好地模拟颗粒阻尼器的减震控制效果.     

基于空间分解和混合包围盒的碰撞检测算法

针对如何提高碰撞检测的实时性,提出了一种碰撞检测算法.该算法首先利用空间分解确定相邻物体,然后对相邻物体利用层次包围盒方法进行碰撞检测,在包围盒碰撞检测方面,提出了一种新的包围盒混合结构,这种混合结构结合了AABB包围盒相交测试的简单性和k-DOPs包围盒的紧密性.实验结果表明,该算法有效地提高了碰撞检测的实时性.     

基于圆柱体包围盒母线的快速碰撞检测算法

针对传统平表面包围盒对圆滑表面包围不紧密的问题,提出一种基于圆柱体包围盒的碰撞检测算法.该算法先检测端面圆片相交,再求出两圆柱的相对角度,最后求二者最靠近对方的母线并用于进行碰撞检测.实验测试表明,在对相同柱状形体进行检测时,该方法较传统的平表面包围盒检测方法在速度和精确度上均有明显提升.     

State Bounding 跟踪机动目标研究

提出一种用 State Bounding估计跟踪机动目标的算法。用预测集、观测集中心距检测目标机动 ,修正系统噪声集尺寸适应目标机动 ,很好地解决了用 state Bounding估计跟踪机动目标问题。模拟结果表明本算法与相应的 kalman滤波器的性能相比 ,有较好地机动目标跟踪能力     

面向飞机虚拟维修的改进混合层次包围盒碰撞检测算法

为提高飞机虚拟维修场景中碰撞检测效率,提出一种混合层次包围盒算法,构建一种新型的双层混合层次包围盒树结构。上层CAABB与下层OBB相结合,相交测试逐步递进,该结构降低树的遍历和粗略检测的时间消耗,并在OBB以分离轴法相交测试前对其相交状态进行预判断,只对相交状态不确定的OBB采用分离轴法,减少精确检测计算。实验结果表明,在飞机虚拟维修场景中,该算法比传统混合层次包围盒算法效率更高。     

全冠义齿碰撞检测算法研究与应用

全冠义齿数字化设计中,针对变形牙冠与非变形牙冠碰撞检测问题,提出一种基于动态混合包围盒的碰撞检测算法。首先,在预处理阶段为非变形牙冠建立,包含AABB和OBB包围盒的混合包围盒。设计过程中查询变形模型处于非变形模型AABB包围盒内的数据,为其建立局部动态AABB包围盒,将它与非变形模型的OBB包围盒进行碰撞检测,返回干涉图元的交线。之后,查询干涉区域并计算刺穿深度,将结果以色阶图的形式返回。碰撞检测效率高,可达到实时响应,色阶图结果清晰直观,为牙冠设计提供明确的操作依据。     

一种新的块体接触检测技术及在非连续变形分析方法中的应用

基于隐式网格的空间剖分,采用包围体技术将离散块体通过链表进行表述.所有离散块体的循环可以改造成一个等价的循环模式,在该循环模式内部的操作既不依赖于隐式网格的横向数目,也不依赖于其竖向数目.因此,该新循环模式所需的接触检测CPU总时间不再依赖于隐式网格的数目,即接触检测所需CPU总时间为块体数量的线性函数.算例和数值试验表明:用于接触检测的CPU总时间正比于离散块体的数目;相对于传统方法,该方法可以大大减少接触检测的CPU时间,显著提高计算效率.     

一种基于OBB的碰撞检测算法的改进

针对基于层次包围盒的碰撞检测算法中的方向包围盒（OBB）算法，提出了一种改进算法，利用虚拟环境中发生碰撞的帧与帧之间的关联性，对已发生的碰撞进行缓冲，以便下一次的碰撞检测可以利用已检测的上一次碰撞的信息，加快碰撞检测的速度，同时利用预测试方法扩展了这种算法，实验结果证明，本算法可以有效地解决碰撞检测的计算复杂性问题和改进虚拟环境中碰撞检测的性能。     

依赖包围盒紧密率及多层建模结构的混合碰撞检测算法

针对复杂环境下物体包围盒选择与更新的低效性,直接导致了碰撞检测时间延长的问题,提出了一种依赖包围盒紧密率及多层建模结构的混合碰撞检测算法。算法首先通过计算比较包围盒紧密率将物体形状分为四类,分别采用Sphere包围盒、轴向平行包围盒、方向包围盒和椭球体包围盒,对两两包围盒进行相交测试,快速准确地剔除不相交的物体。同时,提出三角面片-刚体-模型的多层建模结构的优化方法来构造包围盒树(BVT),减少包围盒树更新时间。最后实验结果表明,相比采用单一包围盒和传统结构的混合包围盒检测算法,该算法能大幅度地缩短相交测试的时间,提高碰撞检测的效率。     

近似凸包自适应包围盒碰撞检测方法

针对虚拟装配环境中包围盒碰撞检测存在检测精度差和效率低的问题,设计了粗精结合的分层检测方法。粗检测阶段,采用基于八叉树的球形包围盒进行检测,初步剔除明显不发生碰撞的对象。在精确检测阶段提出近似凸包自适应包围盒算法,基于近似凸包思想提取贴合模型外壳顶点集求解协方差矩阵计算最小包围盒,解决传统方向包围盒算法因三角形面片的尺寸不均匀、导致构造包围盒方向偏移的问题,且构造时间较传统方向包围盒缩短了66%。最后在Unity3D中以液压调平举升平台各部件为研究对象进行实例验证,实验结果表明,本文研究的方法能构造出比传统方向包围盒更加紧密的包围盒,在装配实验执行时间上比使用传统方向包围盒碰撞检测算法加快了22.2%,比使用轴对齐包围盒碰撞检测算法加快了17.4%,能够满足虚拟装配中碰撞检测效率高的要求,且符合使用者实时的自然交互习惯。     

基于组件的虚拟手建模及碰撞检测

提出一种基于组件技术构建虚拟手的OBB层次包围体树方法. 首先分解手模型为多个子单元形成部件, 然后利用部件的OBB包围盒自底向上生成复杂组件层次体树结构, 不但能较好地满足部件本身的几何约束, 而且也加快了建模和运动更新的速度. 实验表明, 基于组件的手模型能很好地满足虚拟现实系统对手运动实时性与检测精确性的要求.