CN110838171B - 基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,包括如下步骤:(1)颗粒生成:在一特定空间内生成满足数量需要的小粒径颗粒;(2)重叠检测:用于检测后生成的颗粒是否和先生成的颗粒发生重叠,若重叠,则重新生成颗粒;(3)颗粒开始运动;(4)颗粒碰撞检测;(5)边界检测;(6)超界判断;(7)生成三维模型:小粒径颗粒的半径继续增加到期望的目标半径时,停止增大,速度静止为零。有益效果:本发明基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,生成了高体积分数的颗粒随机填充模型,避免了复杂的颗粒碰撞过程中复杂的碰撞检测计算,提高了颗粒位置的随机性,提高模型的生成效率。
Description
技术领域
本发明涉及深海浮力材料领域,具体涉及一种基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法。
背景技术
我国拥有约300万平方公里的海洋面积,其中蕴藏了大量丰富的海洋资源,开发海洋资源对提高我国综合实力有重大意义。海洋开发面临许多难题,其中一个关键难点是研制与深海设备相配套的固体浮力材料。应用于深海的浮力材料需要满足低密度、高强度、低吸水性等要求,需要承受几千米甚至上万米的水压力,以保证设备能够在深海安全运行。
目前固体浮力材料主要是由空心玻璃微珠与热固性树脂体系复合而成。其中,热固性树脂应用最多的为环氧树脂,其具有较高的强度,空心玻璃微珠的填充则可以降低材料的整体密度。作为现代海洋资源开发的必需装备,深水浮力材料在服役过程中主要受海水的等静压作用,因此它的可压缩性能是其十分重要的技术指标之一。为了研究了材料的宏、细观力学性能。目前针对浮力材料受压过程破坏机理的研究较少。随着对深海浮力材料需求的扩大,国内外浮力材料生产厂商也对浮力材料的配方及工艺进行不断的改进、优化,以满足市场需求。为了研制性能更加优越的全海深浮力材料,需要对由玻璃微珠和环氧树脂基体组成的复合泡沫材料建立微观力学模型,通过ANSYS等有限元分析软件,为高性能全海深浮力材料的研制提供了理论依据。因此,浮力材料三维模型的构建十分重要。
以往的算法研究很多都专注在颗粒堆积问题上,对颗粒的接触检测有很多研究。对于三维空间的随机填充问题,帮助不大,并且算法复杂。考虑颗粒在重力作用下,落入容器底部,与容器底部的粒子或容器底部发生碰撞,后面的粒子逐渐在容器内部堆积;然而这样不能获得颗粒在该容器空间内的随机分布;采用简单的随机函数难以获得高体积分数的三维随机模型,因为,当颗粒的体积达到一定程度之后,很难生成不发生重叠的模型,通过简单随机函数生成的三维随机模型,其体积分数很难超过30%,因此,需要更好的高体积分数的随机模型生成方法。
综上所述,现有的模型生成方法基于颗粒碰撞,即通过检测颗粒与颗粒之间的速度方向夹角以及位置,来计算碰撞时间,从而确定下一时刻某两个颗粒之间的碰撞,计算复杂,耗时,且效率低;现有的基于颗粒堆积的方案,无法获得较好的随机高体积分数模型,主要基于重力下落,难以达到在空间随机分布的效果;简单的随机模型难以生成高体积分数的模型,体积分数增大到一定程度之后,随机生成的颗粒之间必然会发生重叠。
发明内容
本发明的目的在于,为了生成高体积分数的颗粒随机填充模型,避免复杂的颗粒碰撞过程中复杂的碰撞检测计算,提高颗粒位置的随机性,提高模型的生成效率,提出一种基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,包括如下步骤:
(1)颗粒生成:在一特定空间内生成满足数量需要的小粒径颗粒;
(2)重叠检测:用于检测后生成的颗粒是否和先生成的颗粒发生重叠,若重叠,则重新生成颗粒;
(3)颗粒开始运动:使步骤(1)中小粒径颗粒在该正方体模型空间内随机运动,在运动的过程中小粒径颗粒的半径逐渐增大;
(4)颗粒碰撞检测:如果任意两个颗粒中心的距离小于各自的半径之和,则认为该两颗粒发生了碰撞;
(5)边界检测:如果颗粒的边界超出正方体模型空间边界线,则认为颗粒瞬时超出边界,速度按反射定律确定;
(6)超界判断:对颗粒在某一较短的时间内所处的位置进行采样,若超出边界达到一定次数,则认为该颗粒超出边界,需进行相应的处理;
(7)生成三维模型:小粒径颗粒的半径继续增加到期望的目标半径时,停止增大,速度静止为零,所有颗粒在所述正方体模型空间内的最终停止位置构成一颗粒随机分布三维模型。
优选地,在步骤(3)后,增加一粘结分离检测:
对两颗粒的位置进行多次采样,若在较短的时间内多次采样后两颗粒之间的距离d>2r,则两颗粒分离;否则,则未分离,需将粘结的两颗粒强制分离,该步骤是为保证碰撞后两颗粒能分离开而设置的滤波检测,赋予重叠颗粒连线方向且方向相反的速度,使重叠的颗粒强制分离,
所述正方体模型空间两对角顶点分别为(0,0,0)、(a,a,a);颗粒一的中心位置为(x1,y1,z1),颗粒二的中心位置为(x2,y2,z2);颗粒一的速度为v1=(vx1,vy1,vz1),颗粒二的速度为v2=(vx2,vy2,vz2);颗粒的半径为r0;
半径增长模型:r=r0+Δr ②
优选地,在步骤(3)后,增加一速度衰减模型:
为了使整个系统趋于稳定,最后颗粒静止,使得vk+1=h'·vk(0<h'<1) ③
vk表示k时刻颗粒的速度,vk+1表示k时刻的下一时刻颗粒的速度,其时间间隔为机器周期,h'为速度衰减系数,可根据模型收敛情况调整,若结果收敛较慢,可适当减小衰减系数。
优选地,所述步骤(4)的任意两个颗粒的碰撞模型:
碰撞后,两颗粒连线方向的速度发生交换,
h为两颗粒中心连线方向的速度增强系数,为了让颗粒碰撞后远离(h可取0~1之间的小数);
填充颗粒的体积分数f:
(本模型研究f≤0.6的情况)
式中,r为颗粒半径,n为颗粒数,a为正方体填充区域的边长。
优选地,所述步骤(6)中,在某一很短的时间内对颗粒位置进行10次采样,若10次采样中有7次采样的结果表明颗粒超出边界,则认为颗粒超出边界,需进行相应的处理,是指将超出边界的颗粒拉回来,赋予该颗粒向所述正方体模型空间内部运动的速度,继续运动,直到静止。
发明原理:本发明的原理是,先产生一定数目的小粒径颗粒,然后赋予所有的小粒径颗粒随机方向的速度,通过颗粒间的距离判断颗粒是否发生碰撞,充分利用机器周期进行检测,颗粒的粒径缓慢增长,运动过程中速度发生衰减,颗粒与颗粒间互相挤压,颗粒粒径达到目标半径时,最后颗粒静止在空间中的某个位置,此时的模型即为所需要的颗粒随机分散模型。
有益效果:本发明基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,生成了高体积分数的颗粒随机填充模型,避免了复杂的颗粒碰撞过程中复杂的碰撞检测计算,提高了颗粒位置的随机性,提高模型的生成效率。
附图说明
图1为本发明的任意两个颗粒的碰撞模型结构示意图。
图2为本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例:
如图1所示,任意两个颗粒的碰撞模型:
碰撞后,两颗粒两线方向的速度发生交换,
h为两颗粒中心连线方向的速度增强系数,为了让颗粒碰撞后远离(h可取0~1之间的小数);
填充颗粒的体积分数f:
(本模型研究f≤0.6的情况)
式中,r为颗粒半径,n为颗粒数,a为正方体填充区域的边长。
如图2所示,初始化生成n0个颗粒半径较小的颗粒,n0个颗粒依次生成,首先在一特定空间内随机生成一个颗粒,再依次生成n0-1个颗粒,若后生成的颗与已经生成的颗粒发生重叠,则放弃该生成的颗粒,重新随机生成该颗粒,直到生成n0个颗粒。到此,n0个不重叠的在空间随机分布的小粒径颗粒生成完毕。
颗粒开始运动:赋予每个颗粒一个随机速度,颗粒发生运动,运动过程中颗粒半径增长,运动过程中速度发生衰减,衰减模型按公式③确定,且运动过程中颗粒可能与颗粒发生碰撞,颗粒也可能与边界发生碰撞,颗粒与颗粒的碰撞模型见附图1,颗粒与边界的碰撞模型按照光的反射定律确定。
运动过程中,若颗粒半径r<rt,则颗粒还需要继续增大半径,才能够获得我们需要的模型,则按公式②增大半径,若半径r≥rt,则不需要再增大半径,只需要运动到速度衰减为0即可。
在运动过程中,某两个或某几个颗粒可能会出现粘结的情况,为了防止这种情况的发生,对颗粒之间的距离进行采样,进行滤波检测,若某两个颗粒只是瞬间的碰撞接触后即发生了分离,则分离正常;若碰撞后两颗粒粘结在一起了,则分离异常,此时需要对两颗粒进行强制分析,重新赋予两颗粒连线方向的随机速度,方向相反。
在运动过程中,若颗粒与边界发生碰撞,在碰撞后颗粒正常返回空间内部,则认为正常;若由于速度等因素的影响,颗粒超出空间范围,此时超界检测就起到作用了,超界检测同样对颗粒位置进行采样,进行滤波检测,发现颗粒超界后,则赋予颗粒向正方体模型空间内部运动的速度,让颗粒回到空间内部。
待最后,
若颗粒的速度不为0,且颗粒的半径r≥rt,此时,不再增大半径,颗粒继续运动直到静止;
若颗粒的速度不为0,且颗粒的半径r<rt,此时,继续增大半径,颗粒继续运动;
若所有颗粒的速度都为0,且颗粒的半径r<rt,此时,赋予所有颗粒随机速度继续运动,继续增大半径;
若所有颗粒的速度都为0,且颗粒的半径r≥rt,此时,计算结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)颗粒生成:在一特定空间内生成满足数量需要的小粒径颗粒;
(2)重叠检测:用于检测后生成的颗粒是否和先生成的颗粒发生重叠,若重叠,则重新生成颗粒;
(3)颗粒开始运动:使步骤(1)中小粒径颗粒在正方体模型空间内随机运动,在运动的过程中小粒径颗粒的半径逐渐增大;
(4)颗粒碰撞检测:如果任意两个颗粒中心的距离小于各自的半径之和,则认为该两颗粒发生了碰撞;
(5)边界检测:如果颗粒的边界超出正方体模型空间边界线,则认为颗粒瞬时超出边界,速度按反射定律确定;
(6)超界判断:对颗粒在某一较短的时间内所处的位置进行采样,若超出边界达到指定次数,则认为该颗粒超出边界,需进行相应的处理;
(7)生成三维模型:小粒径颗粒的半径继续增加到期望的目标半径时,停止增大,速度静止为零,所有颗粒在所述正方体模型空间内的最终停止位置构成一颗粒随机分布三维模型;
在步骤(3)后,增加一粘结分离检测:
对两颗粒的位置进行多次采样,若在较短的时间内多次采样后两颗粒之间的距离d>2r,则两颗粒分离;否则,则未分离,需将粘结的两颗粒强制分离,该步骤是为保证碰撞后两颗粒能分离开而设置的滤波检测,赋予重叠颗粒连线方向且方向相反的速度,使重叠的颗粒强制分离,
所述正方体模型空间两对角顶点分别为(0,0,0)、(a,a,a);颗粒一的中心位置为(x1,y1,z1),颗粒二的中心位置为(x2,y2,z2);颗粒一的速度为v1=(vx1,vy1,vz1),颗粒二的速度为v2=(vx2,vy2,vz2);颗粒的半径为r0;
半径增长模型:r=r0+Δr ②;
在步骤(3)后,增加一速度衰减模型:
为了使整个系统趋于稳定,最后颗粒静止,使得
vk+1=h'·vk(0<h'<1) ③
vk表示k时刻颗粒的速度,vk+1表示k时刻的下一时刻颗粒的速度,其时间间隔为机器周期,h'为速度衰减系数,可根据模型收敛情况调整,若结果收敛较慢,可适当减小衰减系数;
所述步骤(4)的任意两个颗粒的碰撞模型:
碰撞后,两颗粒连线方向的速度发生交换,
h为两颗粒中心连线方向的速度增强系数,为了让颗粒碰撞后远离;
填充颗粒的体积分数f:
式中,r为颗粒半径,n为颗粒数,a为正方体填充区域的边长。
2.根据权利要求1所述的基于颗粒随机填充的浮力材料的三维模型生成方法,其特征在于,所述步骤(6)中,在某一很短的时间内对颗粒位置进行10次采样,若10次采样中有7次采样的结果表明颗粒超出边界,则认为颗粒超出边界,需进行相应的处理,是指将超出边界的颗粒拉回来,赋予该颗粒向所述正方体模型空间内部运动的速度,继续运动,直到静止。
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