本發(fā)明涉及一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，屬于計(jì)算機(jī)模擬仿真和工業(yè)軟件。

背景技術(shù)：

1、計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件作為工業(yè)軟件的重要組成部分，是指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、測試的強(qiáng)力工具。模擬仿真軟件可以模擬海嘯、汽車涉水等各類場景，幫助應(yīng)對自然災(zāi)害、設(shè)計(jì)改良汽車外形等。

2、計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件的具體實(shí)現(xiàn)手段，包括網(wǎng)格類方法和粒子類方法。其中，粒子類方法是對傳統(tǒng)的網(wǎng)格類方法的重要補(bǔ)充，尤其適用于針對大變形、動(dòng)邊界等復(fù)雜問題的模擬仿真。粒子的空間分布，對粒子類方法的計(jì)算精度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生很大影響。理想的粒子分布是均勻的，并能準(zhǔn)確描述幾何與物理信息?，F(xiàn)有的粒子生成方法，如晶格法、網(wǎng)格法、物理結(jié)合法等，存在速度慢、不貼體等問題。

3、目前，對簡單物理場景問題，模擬仿真取得了很好的效果。但在復(fù)雜場景下保證不同多物理體、多相態(tài)的高精度仿真，仍是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的問題。這些多體多相等問題精確計(jì)算的前提，首先是多體多相間界面的準(zhǔn)確刻畫。在粒子類模擬仿真方法中，可以抽象為多連通體的粒子生成。準(zhǔn)確刻畫多體多相等復(fù)雜界面，往往需要比較高的分辨率，也就是較多的粒子數(shù)和較大的計(jì)算空間。這對多連通體粒子生成方法的速度和效率提出了挑戰(zhàn)。因此，研究快速可行的多連通體粒子生成方法，顯得十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，創(chuàng)造性地提出了一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法。

2、本方法首先根據(jù)給定邊界的幾何描述，在問題域中生成邊界粒子。據(jù)此遍歷整個(gè)問題域空間，并應(yīng)用洪水填充方法判斷所有粒子間的連通性，得到不同連通區(qū)域的粒子。其中，洪水填充法采用非遞歸版實(shí)現(xiàn)，避免粒子規(guī)模較大導(dǎo)致遞歸棧空間溢出。當(dāng)邊界粒子生成一次后，只需應(yīng)用洪水填充方法，避免其他方法中需要多次計(jì)算的傳統(tǒng)點(diǎn)體關(guān)系等判斷，后續(xù)全局中的各連通體粒子生成速度都得到了很大提升。

3、本方法尤其適用于高分辨率下復(fù)雜幾何中多連通體的粒子生成，保證了計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件在復(fù)雜場景下對不同多物理體、多相態(tài)的高精度仿真的需求。

4、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案。

5、首先，對本發(fā)明涉及的概念內(nèi)容進(jìn)行說明。

6、1.粒子。是粒子類模擬方法中的基本研究單位。每個(gè)粒子帶有位置、法向量、速度等幾何與物理信息。本發(fā)明中，只考察粒子的位置信息。

7、2.幾何構(gòu)型。描述物件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部表面的幾何體，由點(diǎn)、線、面、體等組成。

8、3.拓?fù)?。是研究圖形(或集合)在連續(xù)變形下的不變的整體性質(zhì)的一門幾何學(xué)。包括幾何空間中的點(diǎn)、線、面、體等元素間的連接、距離等關(guān)系。

9、4.多連通體。被邊界分隔的不同有界物體。在拓?fù)淇臻g中意為所有閉曲線都能連續(xù)地收縮至若干點(diǎn)。

10、5.復(fù)雜幾何。本發(fā)明中，指形狀不規(guī)則的邊界面所分隔的幾何構(gòu)型?？臻g中由三角面片組成的復(fù)雜邊界面，可能是凹凸的、大曲率的、多連通的。

11、6.晶格。是三維空間中的周期性幾何結(jié)構(gòu)。常見的有正方體等。

12、7.洪水填充法。是從一個(gè)區(qū)域中提取若干個(gè)連通的點(diǎn)與其他相鄰區(qū)域區(qū)分開(或分別染成不同顏色)的經(jīng)典算法。因其思路類似洪水從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散到所有能到達(dá)的區(qū)域而得名。

13、8.遞歸。指在函數(shù)的定義中使用函數(shù)自身的方法。遞歸實(shí)現(xiàn)的代碼簡潔易用，但執(zhí)行層數(shù)多時(shí)函數(shù)調(diào)用效率低，且可能導(dǎo)致內(nèi)存溢出。這時(shí)，需要改寫遞歸實(shí)現(xiàn)為堆棧循環(huán)的非遞歸實(shí)現(xiàn)。

14、9.stl文件(stereolithography，立體光刻)。是一種表示三維表面幾何形狀的文件格式。由一系列帶三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三維法向量信息的三角形面片組成。

15、10.vtk文件(visualization?toolkit，可視化工具箱)。是一種可攜帶多種信息的數(shù)據(jù)集文件，可以保存帶多種物理參數(shù)值的粒子數(shù)據(jù)。

16、一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，包括邊界粒子生成、洪水填充法得到單連通體內(nèi)粒子、遍歷得到不同連通區(qū)域粒子。包括以下步驟：

17、步驟1：設(shè)定初始參數(shù)值，包括粒子間距margin、stl文件路徑、邊界厚度、邊界方向、初始生成點(diǎn)。

18、步驟2：解析描述幾何構(gòu)型的stl文件，得到各邊界三角面的頂點(diǎn)坐標(biāo)及法向量信息。

19、步驟3：生成邊界粒子。

20、步驟4：依初始生成點(diǎn)及邊界粒子信息，采用非遞歸的洪水填充法，生成邊界內(nèi)的單連通體粒子。

21、步驟5：遍歷全局空間，生成全局的多連通體粒子。

22、步驟6：排序并分文件輸出最多的連通體粒子。

23、有益效果

24、本發(fā)明方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

25、1.本方法在相同晶格布點(diǎn)的框架下，可以生成不同厚度的邊界粒子，可以選擇沿法向量方向或反向加厚邊界粒子。為后續(xù)的洪水填充法提供了堅(jiān)實(shí)、靈活的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。如果初始的邊界粒子厚度不合適，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害后續(xù)洪水填充方法的有效性，導(dǎo)致不連通的區(qū)域粒子也成為同一連通體粒子。本方法還提供了粒子數(shù)排序并分文件輸出的功能，以便于多連通體分布的可視化與查驗(yàn)。

26、2.本方法支持指定點(diǎn)所在連通體內(nèi)的所有粒子生成，也支持區(qū)域限定條件的粒子生成。多連通體粒子生成方法的基礎(chǔ)是基于初始生成點(diǎn)的單連通體粒子生成方法，依次以空間內(nèi)未標(biāo)記連通體號的粒子為初始生成點(diǎn)，標(biāo)記該粒子所連通的各近鄰粒子的連通體號，并生成相應(yīng)粒子。

27、3.本方法實(shí)現(xiàn)了多連通體粒子的高效生成。采用洪水填充算法生成空間中的所有多連通體粒子，從初始生成點(diǎn)開始標(biāo)記相鄰的非邊界粒子為屬于同一連通體，比需要計(jì)算判斷多次的傳統(tǒng)點(diǎn)體關(guān)系判斷等方法高效很多。此外，本方法中的洪水填充算法采用基于棧的非遞歸實(shí)現(xiàn)，避免了低效率的多層函數(shù)調(diào)用及其導(dǎo)致的內(nèi)存溢出等問題，滿足了較大規(guī)模粒子高效生成的需求。

技術(shù)特征：

1.一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，其特征在于，步驟3包括：

3.如權(quán)利要求1所述的一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，其特征在于，步驟4包括：

4.如權(quán)利要求1所述的一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，其特征在于，步驟5包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適應(yīng)復(fù)雜幾何的模擬仿真軟件貼體粒子生成方法，屬于計(jì)算機(jī)模擬仿真和工業(yè)軟件技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先根據(jù)給定邊界的幾何描述，在問題域中生成邊界粒子。據(jù)此遍歷整個(gè)問題域空間，應(yīng)用洪水填充方法判斷所有粒子間的連通性，得到不同連通區(qū)域的粒子。其中，洪水填充法可采用非遞歸版實(shí)現(xiàn)，避免粒子規(guī)模較大導(dǎo)致遞歸?？臻g溢出。本方法尤其適用于高分辨率下復(fù)雜幾何中多連通體的大規(guī)模粒子生成，保證了模擬仿真軟件在復(fù)雜場景下對不同多物理體、多相態(tài)的高精度仿真的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：劉謀斌,李逍逍,陳濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6