CN116992513B - 一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，属于数值模拟仿真工业软件技术领域。本方法通过合理映射、降维问题域，大幅缩减粒子生成的时间；通过二维平面视角，三维表面的粒子生成简化为二维平面的粒子生成。通过哈希策略，降为一维线性的粒子生成，减少三维表面的贴体粒子的生成时间。同时，二维平面视角保证了生成粒子的贴体性质，对一维粒子排序并去重保证了生成粒子的均匀度。本方法显著加快了粒子生成速度、保证了粒子的贴体性，并能保留几何构型中的天线等纤细结构细节，解决了模拟仿真软件三维表面粒子生成时间长、不贴体、不均匀等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，属于数值模拟仿真工业软件技术领域。
背景技术
模拟仿真软件作为工业软件的重要组成部分，是指导产品设计、研发、测试的强力工具。例如，模拟仿真软件可以模拟海啸、汽车涉水等各类场景，帮助应对自然灾害、设计汽车外形等。模拟仿真软件的具体实现手段，主要有网格类方法和粒子类方法两种。其中，粒子类方法是对传统的网格类方法的重要补充，尤其适用于针对大变形、动边界等复杂问题的模拟仿真。
粒子的空间分布对粒子类方法的计算精度和稳定性等产生很大影响。理想的粒子分布是均匀的，并能准确描述几何与物理信息。目前，现有的粒子生成方法主要有以下几种：
1.晶格法。粒子直接生成在三维堆砌中的晶格顶点上。晶格法生成的粒子，理论上均匀性最好。但是，其需要大量计算判断各粒子与几何构型的拓扑关系，包括粒子到构型最短距离的计算、粒子在构型的内外关系判断等。并且，生成的粒子与初始几何构型偏离较大，也没有统一高效的贴体方法，丧失了一定的精确度。
2.网格法。在已有网格的基础上可以快速得到粒子空间分布。粒子可以直接取网格的节点、边中点、面形心、体心等。依据比较成熟的网格类方法生成粒子，比较直观便捷。但是，其生成均匀的、准确保持几何信息的网格往往需要对网格中的拓扑信息迭代分析，比较耗时，得到适应复杂几何的高质量网格很困难。
3.物理结合法。在初始的几何构型的基础上，结合物理参数和物理过程对粒子分布进行优化。例如，2021年由胡湘渝团队提出的CAD-BPG，先基于晶格法生成粒子，然后结合level-set方法代入物理方程组，优化粒子的位置。2023年，由孙鹏楠团队开发的SPHydro也借鉴了这种方法。结合物理的粒子生成方法，可以有多种实现，可以更适应某些物理问题，生成的粒子也比较均匀、贴体。但是，其物理过程的计算需要消耗过多的计算资源。
综上所述，现有的模拟仿真软件粒子生成方法，存在速度慢、不贴体等多种问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷和不足，为了解决模拟仿真软件三维表面粒子生成时间长、不贴体、不均匀等技术问题，提出一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法。
通过合理映射、降维问题域，可以大幅缩减粒子生成的时间。通过二维平面视角，三维表面的粒子生成，可以简化为二维平面的粒子生成。进一步地，可以通过哈希策略，降为一维线性的粒子生成。这样将大大减少三维表面的贴体粒子的生成时间。同时，二维平面视角保证了生成粒子的贴体性质，对一维粒子排序并去重保证了生成粒子的均匀度。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
首先对本发明涉及的概念内容进行说明。
1.贴体。是一种点与面的关系，表示点在面上。贴体粒子，指在表面上的粒子。
2.晶格。是三维空间中的周期性几何结构。常见的有正方体等。
3.堆砌。是空间中的密铺或镶嵌，由多面体密堆积，或由高维度的晶格紧密堆积而成。
4.几何构型。描述物件内部结构、外部表面的几何体，由点、线、面、体等组成。
5.拓扑。包括几何空间中的点、线、面、体间的连接、距离等关系。
6.网格。是工业实体建模的基本单位，有限元等方法的基本计算单元。由节点、边、面等组成，还可附加其他物理参数信息。
7.STL文件（STereoLithography，立体光刻）。是一种表示三维表面几何形状的文件格式，由一系列带顶点坐标信息的三角形组成。
8.VTK文件（Visualization Toolkit，可视化工具箱）。是一种可携带多种信息的数据集文件。可以保存带多种物理参数值的粒子数据。
一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，包括STL三角片粒子生成、晶格哈希和排序去重。具体包括以下步骤：
步骤1：设定参数值，包括初设粒子间距margin、STL文件路径、法向量内外方向等。
步骤2：解析描述几何构型的STL文件，得到各三角面的顶点坐标及法向量信息。
步骤3：生成满足带系数w tri 的初设粒子间距margin的各三角面的初始粒子，存入初始粒子数组arrayTris中。如图2所示。
优选地，系数w tri 的取值范围为(0.2，1]。
步骤4：计算哈希初始粒子数组arrayTris中的每个粒子p坐标 (p x ，p y ，p z )与计算域各轴最小值(p xmin ，p ymin ，p zmin )的差除以带系数w lattice 的初设粒子间距值，并将哈希值存入晶格哈希数组arrayHash中。其中，优选地，系数w lattice 的取值范围为(0.3，1]。p x 表示粒子p的x轴坐标值，p y 表示粒子p的y轴坐标值，p z 表示粒子p的y轴坐标值；p xmax 、p xmin 、p ymax 、p ymin 、 p zmax 、p zmin 分别为几何构型中所有点在x、 y、 z轴上的最大值和最小值。
哈希函数保证了计算域内哈希值相同的粒子必在同一个晶格中。
步骤5：依照晶格哈希数组arrayHash的大小顺序，对初始粒子数组arrayTris进行排序。
步骤6：顺序扫描已排序的晶格哈希数组arrayHash，将arrayHash中连续等值的对应的粒子数组arrayTris中的粒子合并，存入目标粒子数组arrayPartis。这样的粒子去重过程只需要线性的时间。并且也很适合并行进一步加速。合并粒子时，要将hash等值的连续粒子的坐标求和平均，并将这些粒子的单位法向量求和。
其中，hash等值的粒子，是指在同一晶格中的粒子。由三角片生成的初始粒子在公共点和边会更密集，点和边上的初始粒子的权重会更大，更能保留几何构型的形状特征。
步骤7：偏移（p xmin ，p ymin ，p zmin ）若干次，并重复执行步骤4-6，得到目标粒子数组arrayPartis。
优选地，若晶格间隔系数w lattice <=0.6，则偏移次数为7-8次；若晶格间隔系数0.6<w lattice <=1，则偏移次数为1-3次。
步骤8：输出目标粒子arrayPartis数组中的粒子信息。
通过上述技术手段，即实现了生成模拟仿真软件贴体粒子。
有益效果
本发明方法，与现有技术相比，具有以下优点：
1.本方法显著加快了粒子生成速度。只遍历三角面生成初步粒子分布，不需要搜索整个三维问题空间。通过设计合理的哈希函数，将三维问题进一步降为一维问题。大大降低了问题的复杂度。晶格哈希数组排序后，不需要花费大量时间双重循环搜索近邻粒子集。
2.本方法只遍历三角面生成初步粒子分布，很大程度上保证了粒子的贴体性。能保留几何构型中的天线等纤细结构细节。对尖锐的顶点会稍作平滑。
3.本方法生成满足粒子间距w tri *margin的各三角面的初始粒子，使得初始粒子足够后续哈希去重。多次偏移间距w lattice *margin哈希保证了一定的均匀度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明步骤3中生成各三角面初始粒子的示意图。
图3为采用本发明方法生成的粒子分布与其他方法生成的粒子分布对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种适应复杂几何的贴体粒子生成方法。
本实施例叙述了图2中所胡粒子的生成方法，包括如下过程：
步骤1：准备描述几何构型的STL文件。设定参数值，包括初设粒子间距margin、STL文件路径、法向量内外方向。
步骤2：解析描述几何构型的STL文件，得到各三角面的顶点坐标及法向量信息。
步骤3：生成满足初设粒子间距margin/2的各三角面的初始粒子，存入初始粒子数组arrayTris中。如图2所示。优选地，粒子间距系数w tri =0.5，使得初始生成的粒子足够后续哈希去重。
具体地，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：沿着一条边AB按初始粒子间距margin/2生成一排初始粒子；
步骤3.2：逐步按此三角面的一个边AB对应的高线方向添加一排相距margin/2的粒子，保留在三角面内的粒子；
步骤3.3：直到遍历完高线内的区域，保存初始生成的粒子到初始粒子数组arrayTris中。
步骤4：计算哈希初始粒子数组arrayTris中的每个粒子p 坐标(p x ，p y ，p z )与计算域各轴最小值(p xmin ，p ymin ，p zmin )的差，并将哈希值存入晶格哈希数组arrayHash中。优选地，晶格间距系数w lattice = 0.57。保证了相距初始粒子间距margin的粒子不会被划入同一晶格之中。
具体地，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：将计算域划分为w lattice 倍间距margin的晶格，此处选正方体晶格。这里划分计算域为晶格，合理设计哈希函数，不需要额外空间或计算，只需选定划分晶格的尺寸w lattice *margin。为了便于理解，单独成步。
步骤4.2：计算哈希初始粒子数组arrayTris中的每个粒子p 坐标，得到晶格哈希数组arrayHash。
哈希函数hash = p xid + p yid *( l xmax +1) + p zid * (l xmax +1)* (l ymax +1)。哈希函数保证了计算域内哈希值相同的粒子必在同一个晶格中。
其中，(p x ，p y ，p z )为粒子p的三维坐标，分别除以晶格间距系数w lattice 倍间距margin后向下取整，得到晶格坐标(p xid ，p yid ，p zid )，即p xid =floor((p x -p xmin )/(w lattice * margin))，p yid =floor((p y -p ymin )/(w lattice *margin))，p zid =floor((p z -p zmin )/( w lattice * margin))。floor为下取整函数。w lattice 为控制粒子密度的系数，优选地，其取值区间为(0.3，1]。
计算域三维空间尺寸(p xmax -p xmin ，p ymax -p ymin ，p zmax -p zmin )分别除以w lattice 倍间距margin后，向下取整得到各轴晶格坐标的上限(l xmax ，l ymax ，l zmax )，即l xmax =floor((p xmax - p xmin )/( w lattice *margin))，l ymax =floor((p ymax -p ymin )/( w lattice *margin))，l zmax =floor ((p zmax -p zmin )/( w lattice *margin))。
其中，p xmax 、p xmin 、p ymax 、p ymin 、p zmax 、p zmin 分别为几何构型中所有点在x, y, z轴上的最大值和最小值。l xmax、 l ymax、 l zmax 分别表示计算域内x轴、y轴、z轴方向上最多的晶格列数，基于它们得到哈希函数的系数。
步骤5：依照晶格哈希数组arrayHash的大小顺序，对初始粒子数组arrayTris进行排序。
晶格哈希数组排序后，不需要花费大量时间双重循环搜索近邻粒子集。
步骤6：顺序扫描晶格哈希数组arrayHash，将arrayHash中连续等值的对应粒子数组arrayTris中的粒子合并，存入目标粒子数组arrayPartis中。
合并粒子时，将hash等值的连续粒子的坐标求和平均，并将这些粒子的单位法向量求和。其中，hash等值的粒子，也指在同一晶格中的粒子。这种策略中，点和边上的初始粒子的权重会更大，更能保留几何构型的形状特征。
步骤7：优选地，对应晶格间距系数0.57，偏移(p xmin ，p ymin ，p zmin )7次，并重复执行步骤4-6，得到均匀的粒子分布。晶格间距系数0.57，保证了同一晶格的粒子间距不会超过初始粒子间距margin。因为，正方体晶格内最远粒子距离为对角线，此处对应对角线长为，小于margin。
具体地，7次偏移向量分别为(shift, 0, 0), (0, shift, 0), (0, 0, shift), (shift, shift, 0), (shift, 0, shift), (0, shift, shift), (shift, shift, shift), 其中shift为偏移量，shift = -0.57margin/2。分别对应沿正x轴、正y轴、正z轴、正xy轴平分线、正xz轴平分线、正yz轴平分线、正xyz轴平分线方向偏移-w lattice* margin距离，分别对应将近邻区域中的法向量垂直x轴的面、法向量垂直y轴的面、法向量垂直z轴的面、平行z轴的棱、平行y轴的棱、平行x轴的棱、8个顶点的近邻区域内的近邻粒子去重。
步骤8：输出目标粒子arrayPartis数组中的粒子信息，并写入VTK文件中。
图3例举了本发明方法在一些复杂几何下生成的粒子效果。图3左上为晶格法生成的心血管粒子，右上为本方法生成的心血管粒子；左下为晶格法生成的海上石油平台的粒子，右下为本方法生成的海上石油平台的粒子。其中，左右两种方法的初始粒子间距等参数一致，得到的粒子数目接近。如图所示，本方法生成的粒子贴体效果更好，粒子的均匀性得到了保障，并且实际运行中的速度快了几个量级。
Claims (9)
1.一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，包括STL三角片粒子生成、晶格哈希和排序去重；
步骤1：设定参数值，包括初设粒子间距margin、STL文件路径、法向量内外方向；步骤2：解析描述几何构型的STL文件，得到各三角面的顶点坐标及法向量信息；步骤3：生成满足带粒子间距系数w tri 的初设粒子间距margin的各三角面的初始粒子，存入初始粒子数组arrayTris中；步骤4：计算哈希初始粒子数组arrayTris中的每个粒子p坐标 (p x ，p y ，p z )与计算域各轴最小值(p xmin ，p ymin ，p zmin )的差除以带晶格间距系数w lattice 的初设粒子间距值，并将哈希值存入晶格哈希数组arrayHash中， p x 表示粒子p的x轴坐标值，p y 表示粒子p的y轴坐标值，p z 表示粒子p的y轴坐标值；p xmax 、p xmin 、p ymax 、p ymin 、p zmax 、p zmin 分别为几何构型中所有点在x、 y、 z轴上的最大值和最小值；步骤5：依照晶格哈希数组arrayHash的大小顺序，对初始粒子数组arrayTris进行排序；步骤6：顺序扫描已排序的晶格哈希数组arrayHash，将arrayHash中连续等值的对应的粒子数组arrayTris中的粒子合并，存入目标粒子数组arrayPartis；
合并粒子时，将hash等值的连续粒子的坐标求和平均，并将这些粒子的单位法向量求和；其中，hash等值的粒子，指在同一晶格中的粒子；
步骤7：偏移（p xmin ，p ymin ，p zmin ）若干次，并重复执行步骤4-6，得到目标粒子数组arrayPartis；步骤8：输出目标粒子arrayPartis数组中的粒子信息。
2.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤3中，粒子间距系数w tri 的取值范围为(0.2，1]。
3.如权利要求2所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤3中，粒子间距系数w tri =0.5。
4.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：步骤3.1：沿三角面的一条边AB按初始粒子间距margin/2生成一排初始粒子；步骤3.2：逐步按此三角面边AB对应的高线方向添加一排相距margin/2的粒子，保留在三角面内的粒子；
步骤3.3：遍历完高线内的区域，保存初始生成的粒子到初始粒子数组arrayTris中。
5.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤4中，晶格间距系数w lattice 的取值范围为(0.3，1]。
6.如权利要求5所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤4中，晶格间距系数w lattice = 0.57。
7.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤4中，包括以下步骤：步骤4.1：将计算域划分为w lattice 倍间距margin的晶格；
步骤4.2：计算哈希初始粒子数组arrayTris中的每个粒子p 坐标，得到晶格哈希数组arrayHash；哈希函数hash = p xid + p yid *( l xmax +1)+ p zid * (l xmax +1)* (l ymax +1)，分别除以晶格间距系数w lattice 倍间距margin后向下取整，得到晶格坐标（p xid ，p yid ，p zid ）：
p
xid
= floor((p
x
-p
xmin
)/(w
lattice
*margin))
p
yid
= floor((p
y
-p
ymin
)/(w
lattice
*margin))
p
zid
= floor((p
z
-p
zmin
)/( w
lattice
*margin))
其中，floor为下取整函数。
8.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，步骤7中，若晶格间隔系数w lattice <=0.6，则偏移次数为7-8次；若晶格间隔系数0.6<w lattice <=1，则偏移次数为1-3次。
9.如权利要求1所述的一种适应复杂几何的模拟仿真软件贴体粒子生成方法，其特征在于，7次偏移向量分别为(shift, 0, 0), (0, shift, 0), (0, 0, shift), (shift, shift, 0), (shift, 0, shift), (0, shift, shift), (shift, shift, shift), 其中shift为偏移量，shift = -0.57margin/2，分别对应沿正x轴、正y轴、正z轴、正xy轴平分线、正xz轴平分线、正yz轴平分线、正xyz轴平分线方向偏移-w lattice* margin距离，分别对应将近邻区域中的法向量垂直x轴的面、法向量垂直y轴的面、法向量垂直z轴的面、平行z轴的棱、平行y轴的棱、平行x轴的棱、8个顶点的近邻区域内的近邻粒子去重。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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