JP2023026022A - Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program - Google Patents
Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023026022A JP2023026022A JP2021131596A JP2021131596A JP2023026022A JP 2023026022 A JP2023026022 A JP 2023026022A JP 2021131596 A JP2021131596 A JP 2021131596A JP 2021131596 A JP2021131596 A JP 2021131596A JP 2023026022 A JP2023026022 A JP 2023026022A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- particles
- block
- particle
- space
- boundaries
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
Description
本発明は、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムに関する。 The present invention relates to a particle placement system, a particle placement method, and a particle placement program for arranging particles to be simulated in a simulation space.
DEM(Discrete Element Method)等の粒子法シミュレーションによって、複数の粒子の挙動の解析が行われている。シミュレーションを行うためには、まず、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する必要がある。従来、粒子の配置を自動的に行う方法が提案されている。例えば、特許文献1には、粒子の重なりを許した配置を行った後、粒子を移動させて粒子同士の重なりのない状態を得ることが示されている。 Behaviors of a plurality of particles are analyzed by particle method simulation such as DEM (Discrete Element Method). In order to perform the simulation, first, it is necessary to arrange the particles to be simulated in the simulation space. Conventionally, a method for automatically arranging particles has been proposed. For example, Patent Literature 1 discloses that after arranging particles so as to allow them to overlap, the particles are moved to obtain a state in which particles do not overlap each other.
しかしながら、特許文献1に示される様な方法では、個々の粒子の初期配置にシミュレーション又は判断等の情報処理が必要となり、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなると計算コストが大きくなる。 However, the method disclosed in Patent Document 1 requires information processing such as simulation or judgment for the initial placement of individual particles, and the calculation cost increases as the number of particles to be simulated increases.
また、上記以外の粒子を配置する方法として、例えば、シミュレーション用の空間に任意の初期粒子群を発生させて、それらの粒子を予め設定した枠内へ重力により落下させるシミュレーションを行って、枠内に粒子を充填する落下型充填がある。あるいは、シミュレーション用の空間にランダムに粒子を逐次発生させて、予め設定した制約条件に基づいて粒子の棄却、移動、成長及び採用を行う方法がある。これらの方法も、特許文献1に示される方法と同様にシミュレーション対象となる粒子の数が多くなると計算コストが大きくなる。また、任意の形状への粒子充填を行う場合、手続きが複雑になる。 In addition, as a method of arranging particles other than the above, for example, an arbitrary initial particle group is generated in a space for simulation, and a simulation is performed in which the particles fall into a preset frame by gravity. There is a drop-type filling that packs particles into the Alternatively, there is a method of sequentially generating particles randomly in a simulation space, and discarding, moving, growing, and adopting the particles based on preset constraints. These methods also increase the calculation cost as the number of particles to be simulated increases, similar to the method disclosed in Patent Document 1. Also, the procedure becomes complicated when the particles are packed into an arbitrary shape.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and is capable of suppressing the calculation cost of arranging particles and appropriately arranging particles even when the number of particles to be simulated increases. It is an object of the present invention to provide a particle placement system, a particle placement method, and a particle placement program.
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子配置システムは、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システムであって、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、ブロック生成手段によって生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、を備える。 In order to achieve the above object, a particle placement system according to the present invention is a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space, and has a shape that allows a plurality of particles to be combined without gaps in the space, and all A block generating means for generating a block whose boundary is a periodic boundary and in which particles are arranged; locating means for locating the
本発明に係る粒子配置システムでは、全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子が配置されたブロックが組み合わせられることで粒子が配置される。従って、粒子の数が多くなっても、粒子を配置する領域にブロックを組み合わせていくことで粒子を配置することができる。ブロックの組み合わせの処理は単純な処理であるため、計算コストが小さい。また、ブロックの作成時に扱われる粒子の数は、配置する粒子の数と比べて小さくすることができる。従って、ブロックの作成の計算コストも、従来の粒子の配置と比べると小さい。従って、本発明に係る粒子配置システムによれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。 In the particle placement system according to the present invention, all boundaries are periodic boundaries, and particles are placed by combining blocks in which particles are placed. Therefore, even if the number of particles increases, the particles can be arranged by combining blocks in the area where the particles are arranged. The processing of block combinations is a simple process and thus has a low computational cost. Also, the number of particles handled when creating a block can be made smaller than the number of particles to be arranged. Therefore, the computational cost of creating blocks is also small compared to conventional particle placement. Therefore, according to the particle placement system according to the present invention, even when the number of particles to be simulated increases, it is possible to reduce the calculation cost of particle placement and to appropriately place particles. can.
ブロック生成手段は、予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域の内部に粒子を配置し、当該領域において当該一方向に厚みを有する部分領域を設定し、当該部分領域に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ移動させて、当該部分領域の境界を周期境界としてブロックを生成することとしてもよい。また、ブロック生成手段は、粒子に一方向の力を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置することとしてもよい。この構成によれば、ブロックを容易かつ適切に生成することができる。その結果、容易かつ確実に粒子を配置することができる。 The block generating means arranges the particles inside a region having a periodic boundary defined by a boundary other than one direction set in advance, sets a partial region having a thickness in the one direction in the region, and includes the particles in the partial region. Particles may be moved while their positional relationship is fixed, and blocks may be generated with the boundaries of the partial regions as periodic boundaries. Further, the block generating means may arrange the particles inside the region by applying a unidirectional force to the particles to move them. According to this configuration, blocks can be easily and appropriately generated. As a result, the particles can be arranged easily and reliably.
ブロック生成手段は、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行うこととしてもよい。また、ブロック生成手段は、均質化の処理として、ブロックにおける予め設定された一方向の所定の位置付近の粒子の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーションを当該所定の位置を変えながら繰り返し行うこととしてもよい。この構成によれば、個々のブロックにおける粒子の配置の偏りを抑えることができ、均質化された粒子の配置とすることができる。 The block generation means may perform processing for homogenizing the arrangement of particles inside the block. Further, as the homogenization process, the block generation means fixes the positions of the particles near a predetermined position in one direction set in advance in the block, and simulates the movement of the particles whose positions are not fixed at the predetermined position. may be repeated while changing . According to this configuration, it is possible to suppress unevenness in the arrangement of the particles in each block, and it is possible to achieve a homogenized arrangement of the particles.
ところで、本発明は、上記のように粒子配置システムの発明として記述できる他に、以下のように粒子配置方法及び粒子配置プログラムの発明としても記述することができる。これはカテゴリが異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用及び効果を奏する。 By the way, the present invention can be described as an invention of a particle placement system as described above, and can also be described as an invention of a particle placement method and a particle placement program as follows. These are substantially the same inventions with only different categories, and have similar actions and effects.
即ち、本発明に係る粒子配置方法は、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システムの動作方法である粒子配置方法であって、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成ステップと、ブロック生成ステップにおいて生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置ステップと、を含む。 That is, the particle arrangement method according to the present invention is a particle arrangement method that is a method of operating a particle arrangement system that arranges particles to be simulated in a simulation space, and has a shape that allows a plurality of particles to be combined without gaps in the space, and A block generation step of generating a block in which all boundaries are periodic boundaries and particles are arranged therein; and combining a plurality of blocks generated in the block generation step such that the corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in space. and a placing step of placing the particles at.
また、本発明に係る粒子配置プログラムは、コンピュータを、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システムとして動作させる粒子配置プログラムであって、当該コンピュータを、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、ブロック生成手段によって生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、として機能させる。 Further, a particle placement program according to the present invention is a particle placement program that causes a computer to operate as a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space, and a plurality of such computers are combined in space without gaps. and a block generating means for generating a block in which all boundaries are periodic boundaries and in which particles are arranged; It functions as an arranging means for arranging particles by combining a plurality of them.
本発明によれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。 According to the present invention, even when the number of particles to be simulated increases, it is possible to suppress the computational cost of arranging the particles and to appropriately arrange the particles.
以下、図面と共に本発明に係る粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of a particle placement system, a particle placement method, and a particle placement program according to the present invention will be described in detail along with the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
図1に本実施形態に係る粒子配置システム10の機能構成を示す。粒子配置システム10は、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間(計算領域)に配置するシステム(装置)である。シミュレーションは、3次元のシミュレーション用の空間における複数の粒子の挙動を解析するものである。粒子は、例えば、球形(中心から表面までの距離が一定の形状)のものである。また、粒子は、上記以外の形状であってもよい。
FIG. 1 shows the functional configuration of a
シミュレーションは、例えば、シミュレーション上の時刻である時間ステップ毎に複数の粒子の位置及び速度を算出するものである。シミュレーションでは、各粒子に加わる力が算出されて、算出された力に基づいて粒子の位置及び速度が算出される。各粒子に加わる力は、例えば、接触(衝突)による接触力等の各粒子間の相互作用で生じる相互作用力である。シミュレーションは、例えば、DEMに基づいて行われる。あるいは、シミュレーションは、SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)又はMPS(Moving Particle Semi-implicit method)等の他の粒子法に基づいて行われてもよい。シミュレーションは、多くの粒子を扱うもの、即ち、大規模粒子法計算が行われるものであってもよい。 In the simulation, for example, the positions and velocities of a plurality of particles are calculated for each time step, which is the simulation time. In the simulation, the force applied to each particle is calculated, and the position and velocity of the particle are calculated based on the calculated force. The force applied to each particle is, for example, interaction force generated by interaction between particles, such as contact force due to contact (collision). A simulation is performed based on DEM, for example. Alternatively, the simulation may be based on other particle methods such as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) or MPS (Moving Particle Semi-implicit method). The simulation may involve many particles, ie large-scale particle method calculations may be performed.
上記シミュレーションの対象となる粒子、即ち、粒子配置システム10による配置対象となる粒子は、従来の粒子シミュレーションの対象となっていた任意の粒子を含む。例えば、土砂又は粉体を対象とすることができる。あるいは、流体又は固体を複数の粒子からなるものと仮定して対象とすることとしてもよい。
The particles to be simulated, that is, the particles to be placed by the
上記のシミュレーションは、地形の地滑り等の自然現象のシミュレーションに用いられる。この場合、粒子の集合が地層(例えば、堆積層、岩石又は砂層)に相当する。また、上記のシミュレーションは、学術、産業、ゲーム及びCG(コンピュータグラフィックス)分野等の任意の分野において用いられてもよい。例えば、サンドボックスゲームにおける粉体構造物の動作、又は映画若しくはアニメーションにおける構造物の浸食及び風化表現等に用いられてもよい。 The above simulation is used for simulating natural phenomena such as landslides in terrain. In this case, a collection of particles corresponds to a stratum (eg, sedimentary layer, rock or sand layer). Also, the above simulation may be used in any field such as academic, industrial, game, and CG (computer graphics) fields. For example, it may be used to represent movement of powder structures in sandbox games, or erosion and weathering of structures in movies or animations.
シミュレーションを行うためには、シミュレーションの初期状態として空間に粒子を配置する必要がある。粒子配置システム10は、例えば、シミュレーションの初期状態として空間に粒子を配置する。初期状態として空間に粒子を配置する際には、当該配置が適切にシミュレーション対象のものを表している必要がある。例えば、地滑りのシミュレーションを行う場合には、配置される粒子が適切に地層に対応する領域に地層に対応するように均質に充填されている必要がある。
In order to perform a simulation, it is necessary to arrange particles in space as the initial state of the simulation. The
粒子配置システム10は、具体的には、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、メモリ等のハードウェアを含むコンピュータによって構成されている。粒子配置システム10の後述する各機能は、これらの構成要素がプログラム等により動作することによって発揮される。なお、粒子配置システム10は、一つのコンピュータで実現されてもよいし、複数のコンピュータがネットワークにより互いに接続されて構成されるコンピュータシステムにより実現されていてもよい。なお、粒子配置システム10は、演算装置としては必ずしもGPUを備えている必要はなく、CPUのみを備えた構成であってもよい。
Specifically, the
本実施形態に係る粒子配置システム10による粒子の配置の概要を説明する。粒子配置システム10は、まず、図2(a)示すようなブロック20を生成する。ブロック20は、直方体であり内部に粒子が配置されている。続いて、粒子配置システム10は、図2(b)に示すように空間において粒子が配置される領域にブロック20を組み合わせて配置し、ブロックの集合体30を生成する。続いて、粒子配置システム10は、図2(c)に示すようにブロックの集合体30から、シミュレーションに用いない部分の粒子を削除して粒子の初期状態の配置40とする。
An overview of particle placement by the
引き続いて、本実施形態に係る粒子配置システム10の機能について説明する。図1に示すように、粒子配置システム10は、ブロック生成部11と、配置部12とを備えて構成される。
Next, functions of the
ブロック生成部11は、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロック20を生成するブロック生成手段である。ブロック生成部11は、予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域の内部に粒子を配置し、当該領域において当該一方向に厚みを有する部分領域を設定し、当該部分領域に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ移動させて、当該部分領域の境界を周期境界としてブロック20を生成してもよい。ブロック生成部11は、粒子に一方向の力を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置してもよい。ブロック生成部11は、ブロック20の内部における粒子の配置の均質化の処理を行ってもよい。ブロック生成部11、均質化の処理として、ブロック20における予め設定された一方向の所定の位置付近の粒子の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーションを当該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。
The
ブロック生成部11によって生成されるブロック20の境界、即ち、直方体のブロック20を構成する各面は、周期境界(周期境界条件を満たす境界)となっている。即ち、ブロック20は、全面周期境界粒子ブロックである。直方体のブロック20を構成する各面のうち互いに対向する面が対応する周期境界となっている。また、上記の通りブロック20は直方体であるので、2つのブロック20を対応する周期境界である面同士を隙間なく密着させて組み合わせることができる。また、ブロック20同士が密着した面は対応する周期境界となっているので、面があることによる配置される粒子の偏りは生じない。また、ブロック20の全ての面が周期境界となっているので、ブロック20の任意の面の方向に周期境界同士を密着させて別のブロック20を組み合わせることができる。これによって、上記のように任意の初期状態の配置40を含むようにブロックの集合体30を生成することができる。
The boundaries of the
ブロック生成部11は、以下のようにブロック20を生成する。ブロック生成部11は、予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域の内部に粒子を配置する。例えば、図3(a)に示すように、ブロック生成部11は、空間のx方向(x軸)及びy方向(y軸)に垂直な4つの面21を周期境界とした領域を形成する。なお、図3に示す図は、空間のxy平面と平行な方向から見た図であり、縦方向がz方向である。これらの面21の一部は、ブロック20の面となる。領域の面を周期境界とする処理は、従来の方法と同様に行われればよい(以下についても同様である)。
The
また、図3(a)に示すように、ブロック生成部11は、上記の4つの面21に囲まれた箇所に空間のz方向(z軸)に垂直な、周期境界ではない面22を生成する。z方向の上方から上記の領域を見ると、x方向及びy方向に垂直な4つの面21によって構成される矩形となっている。ブロック生成部11は、当該領域のz方向の上方のランダムな位置に、任意サイズならびに形状の粒子を発生させる。ブロック生成部11は、粒子の半径等の粒子の配置に用いられる粒子のパラメータを予め記憶しており、当該情報に基づいて粒子を発生させる。また後述するように、ブロック生成部11は、粒子の配置のために粒子の挙動のシミュレーションを行う。このシミュレーションは、従来のDEMの基づくシミュレーションと同様に行われればよい。ブロック生成部11は、当該シミュレーションのためのパラメータ、例えば、摩擦係数、弾性係数、粘性減衰係数及び反発係数等も予め記憶して、当該シミュレーションに用いる。
Further, as shown in FIG. 3(a), the
ブロック生成部11は、発生させた粒子にz方向の下向きの力、例えば、重力を加えるシミュレーションを行う。重力を受けた粒子は、z方向に垂直な面である底面22に落下する。ブロック生成部11は、多数の粒子を発生させて上記のシミュレーションを行う。このシミュレーションの結果、図3(a)に示すように粒子が底面22上に充填された状態となる。即ち、ブロック生成部11は、上記の領域(側面が周期境界である箱)に対して粒子の重力落下型充填を行う。ブロック生成部11は、粒子が充填される領域の底面22からの長さが、ブロック20のz方向の長さよりも長い一定の長さとなるまで上記の充填を続ける。
The
このようにブロック生成部11は、予め設定されたz方向以外の、x方向及びy方向の面21を周期境界とした領域の内部に、発生させた粒子にz方向の力を加えて移動させて、領域の内部に粒子を配置する。
In this way, the
続いて、ブロック生成部11は、当該領域においてz方向に厚みを有する2つの部分領域23,24を設定する。2つの部分領域23,24は、z方向の厚みの部分に位置する粒子を含むように設定される。2つの部分領域23,24の位置は、底面22からの長さが、ブロック20のz方向の長さよりも長い予め設定された長さとなる位置である。また、2つの部分領域23,24のz方向の厚みは、例えば、最終的に生成するブロック20のz方向よりも十分小さく、かつ部分領域23,24に含まれる粒子が少なくとも1つの層となるような厚みである。
Subsequently, the
2つの部分領域23,24は、z方向で連続している。ブロック生成部11は、部分領域23に含まれる粒子、例えば、部分領域23に重心が含まれる粒子を、部分領域23に対する位置関係を固定したまま、図3(b)に示すように上記の面22の下側に移動させる。この移動は、z方向のみでx,y方向の位置は変えない。この際、移動させない粒子のうち、上記の領域の底面22からz方向に一定の距離に存在する粒子は削除されてもよい。最終的に生成するブロック20に含まれる粒子の粒子数又は粒子体積分率が予め設定したものになるように、粒子の削除に係る上記の一定の距離が調整されてもよい。これにより、ブロック生成部11は、ブロック20に含まれる粒子の粒子数又は粒子体積分率を任意に調整することができる。また、部分領域23よりもz方向の上側の粒子は以降の処理には用いられない。
The two
ブロック生成部11は、部分領域23の粒子を下側に移動させる際には、移動させない粒子との間に隙間ができる位置(移動させない粒子と移動させる粒子とが重なり合わない位置)に移動させる。図3(b)に示すように、このように構成される粒子の集合のうち、z方向の上側には部分領域24の粒子が、下側には部分領域23の粒子が位置していることとなる。上記のように2つの部分領域23,24はz方向で連続していたので、部分領域23,24の境界面を周期境界とすることができる。ブロック生成部11は、図3(b)に示す粒子が位置する領域のz方向の上面及び下面を周期境界とする。
When moving the particles in the
続いて、ブロック生成部11は、部分領域23に含まれる粒子、例えば、部分領域23に重心が含まれる粒子について、部分領域23に対する位置関係を固定する。また、ブロック生成部11は、部分領域24に含まれる粒子、例えば、部分領域24に重心が含まれる粒子について、部分領域24に対する位置関係を固定する。それ以外の粒子は、空間において自由に移動できる状態とする。この状態で、ブロック生成部11は、z方向において部分領域23に含まれる粒子を部分領域24側に近づけるシミュレーションを行う。即ち、ブロック生成部11は、この時点のブロックをz方向に圧縮操作するシミュレーションを行う。このシミュレーションは、部分領域23と部分領域24とに挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションである。なお、このシミュレーションの際には、粒子に重力がかかるようにしてもよいし、かからないようにしてもよい。
Subsequently, the
ブロック生成部11は、移動後の部分領域23の外側(z方向の下側)の面と部分領域24の外側(z方向の上側)の面との間の長さが、予め設定した最終的に生成するブロック20の長さになるまで移動させる。図3(c)に部分領域23を移動した後の粒子の集合を示す(図3(b)に示すものより部分領域23と部分領域24との間の長さが短くなっている)。なお、移動前の部分領域23の外側(z方向の下側)の面と部分領域24の外側(z方向の上側)の面との間の長さは、ブロック20の長さよりも長くされる。なお、部分領域23を移動する前の粒子が位置する領域のz方向の長さが長いほど、最終的に生成されるブロック20における粒子の密度が大きくなる。上記のようにブロック生成部11は、移動後の部分領域23に含まれる粒子をz方向の下側の蓋、部分領域24に含まれる粒子をz方向の上側の蓋として、この時点のブロックを生成する。
The
上記の処理によって、直方体の各面を周期境界としたブロックを生成することができる。しかしながら、生成されたブロックは、粒子の配置に偏りがある。粒子の配置の偏りは、粒子の位置を固定していた部分領域23,24に起因したものである。ブロック生成部11は、以下のようにブロックにおける粒子の配置の偏りを除去する粒子の配置の均質化を行う。
By the above processing, it is possible to generate blocks whose periodic boundaries are the faces of the rectangular parallelepiped. However, the generated blocks have a biased arrangement of particles. The biased arrangement of the particles is caused by the
図3(c)に示す上記のように生成されたブロックは、z方向の上面(部分領域24の外側(z方向の上側)の面)及び下面(部分領域23の外側(z方向の下側)の面)が周期境界とされているため、粒子間の位置関係を固定したまま、粒子全体をz方向に移動(シフト)させることができる。 The blocks generated as described above shown in FIG. )) is defined as a periodic boundary, the particles as a whole can be moved (shifted) in the z-direction while the positional relationship between the particles is fixed.
ブロックが図3(c)に示す状態において、ブロック生成部11は、当該ブロックにz方向に厚みを有する2つの部分領域25,26を設定する。2つの部分領域25,26は、上記の2つの部分領域23,24と同様のサイズでよい。2つの部分領域25,26の位置は、上記の2つの部分領域23,24以外の予め設定された位置である。2つの部分領域25,26は、z方向で連続している。
In the block shown in FIG. 3C, the
ブロック生成部11は、図3(d)に示すように、2つの部分領域25,26に含まれる粒子が、それぞれブロックの下端及び上端に位置するように粒子間の位置関係を固定したまま、粒子全体をz方向に移動(シフト)させる。なお、ブロックが図3(c)に示す状態において、z方向で上側に位置する部分領域25が、図3(d)に示すように移動後のブロックではブロックの下端に位置し、z方向で下側に位置する部分領域26が、移動後のブロックではブロックの上端に位置する。
As shown in FIG. 3D, the
続いて、ブロック生成部11は、部分領域25に含まれる粒子、例えば、部分領域25に重心が含まれる粒子について、部分領域25に対する位置関係を固定する。また、ブロック生成部11は、部分領域26に含まれる粒子、例えば、部分領域26に重心が含まれる粒子について、部分領域26に対する位置関係を固定する。それ以外の粒子は、空間において自由に移動できる状態とする。この状態で、ブロック生成部11は、部分領域25と部分領域26とに挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行う。なお、このシミュレーションの際には、粒子に重力がかかるようにしてもよいし、かからないようにしてもよい。このシミュレーションでは、上述した処理で位置関係が固定されていた2つの部分領域23,24に含まれる粒子も移動される。即ち、このシミュレーションは、当該粒子に生じる負荷の緩和を行う緩和計算である。この緩和によって、粒子の配置の偏りが低減される。
Subsequently, the
続いて、ブロック生成部11は、新たな2つの部分領域25,26を設定し(図3(c)に示した処理)、上記の緩和計算(図3(d)に示した処理)を行う。ブロック生成部11は、2つの部分領域25,26の設定及び緩和計算を繰り返す。この繰り返しは、例えば、ブロック全体において粒子の配置の偏りがシミュレーション上問題ない状態となるまで行われる。例えば、緩和計算のシミュレーションにおいて各粒子に大局的に均質な接触内部応力が発生するまで反復実行される。あるいは、予め設定された回数だけ上記の繰り返しが行われてもよい。
Subsequently, the
上記のようにブロック生成部11は、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理として、ブロックにおける予め設定された一方向の所定の位置付近の粒子(2つの部分領域23,24に含まれる粒子)の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーションを、該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。
As described above, the
ブロック生成部11は、上記のように生成したブロック20を示す情報、具体的には、ブロックに含まれる粒子の配置位置を示す情報(例えば、ブロックにおける座標の情報)を配置部12に出力する。
The
配置部12は、ブロック生成部11によって生成されたブロック20を、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段である。配置部12は、ブロック生成部11からブロック20を示す情報を入力する。配置部12は、入力した情報を用いて、シミュレーションで用いる粒子を配置する領域を含むように、粒子を含むブロック20を組み合わせて空間に配置する。シミュレーションで用いる粒子を配置する領域は、予めユーザによって設定されて配置部12に記憶されている。配置部12は、対応する周期境界が隙間なく隣接するように複数のブロック20を組み合わせる。
The arranging
配置部12は、ブロック20を組み合わせたブロックの集合体30から、シミュレーションで用いる粒子を配置する位置ではない領域に配置された粒子を削除する。なお、当該領域ではない位置に配置された粒子がない場合には、粒子の削除は行われない。上記によって、空間における粒子の初期状態の配置40が行われる。
The
配置部12による粒子の初期状態の配置40を行う前、又は行った後にブロック20自体又はブロック20の組み合わせの物性を算出し、ブロック20による粒子の配置がシミュレーションを行うのに適切なものであるかを確認してもよい。即ち、ブロック20の性能を検証してもよい。例えば、ブロック20自体又はブロック20の組み合わせの物性(力学特性)として、粒子の充填率、接続数、圧縮率又は破壊性状を算出してもよい。接続数は、粒子における他の粒子と接続している数である。破壊性状は、数値3軸圧縮実験によって行うことができる。これらの物性の算出は、従来の方法によって行うことができる。物性を算出する際のブロック20の組み合わせの形状は、物性を算出するための予め設定された形状であってもよい。例えば、数値3軸圧縮実験を行う場合には、円柱状の形状であってもよい。
Physical properties of the
もし、算出された物性が適切なものでなかった場合、再度、ブロック生成部11によるブロック20の生成が行われてもよい。この場合、ブロック20を生成する際の条件を、生成されるブロック20に係る物性が異なるものとなるように変更する。ブロック20によって巨視的に均質な性状が得られる場合のみに、当該ブロック20を用いて粒子の配置40を行うこととしてもよい。
If the calculated physical properties are not appropriate, the
配置部12が、上記のブロック20に係る物性の算出、及び算出された物性が適切かどうかの判断を行うこととしてもよい。この場合、配置部12は、これらを行うための情報(例えば、上記の判断を行うための判断基準)を予め記憶している。配置部12は、算出された物性が適切であると判断した場合、空間における粒子の初期状態の配置40を行う。配置部12は、算出された物性が適切でないと判断した場合、ブロック生成部11に改めて異なる条件でのブロック20の生成を指示する。この場合、配置部12は、どのようにブロック20の生成の条件を変更するか予め記憶している。
The
配置部12によって生成された、空間における粒子の初期状態の配置40が用いられて粒子のシミュレーションが行われる。粒子配置システム10が、粒子のシミュレーションの機能を有しており、粒子のシミュレーションを行ってもよい。あるいは、粒子配置システム10以外のシステムにおいて、粒子のシミュレーションが行われてもよい。この場合、配置部12は、当該システムに空間における粒子の初期状態の配置40を示す情報を出力(送信)する。以上が、本実施形態に係る粒子配置システム10の機能である。
The particles are simulated using the
引き続いて、図4のフローチャートを用いて、本実施形態に係る粒子配置システム10で実行される処理(粒子配置システム10が行う動作方法)である粒子配置方法を説明する。
Subsequently, a particle placement method, which is a process (operation method performed by the particle placement system 10) executed by the
本処理では、まず、ブロック生成部11によって、x,y方向を周期境界とすると共にz方向を周期境界としていない領域に粒子が充填される(S01、ブロック生成ステップ)。上述したように、この充填によって粒子は図3(a)に示す状態となる。続いて、ブロック生成部11によって、z方向を周期境界とするブロックが作成される(S02、ブロック生成ステップ)。この処理は、上述したように図3(a)及び図3(b)に示すようにz方向に連続する2つの部分領域23,24が設定されて、z方向の上側の部分領域23の粒子が、粒子が充填されている位置の下側に移動されることで行われる。
In this process, first, the
続いて、ブロック生成部11によって、部分領域23に含まれる粒子を部分領域24側に近づけるシミュレーション、即ち、この時点のブロックをz方向に圧縮操作するシミュレーションが行われる(S03、ブロック生成ステップ)。この処理は、粒子が図3(b)に示す状態から図3(c)に示す状態にするように行われる。続いて、ブロック生成部11によって、ブロックに対して緩和計算の繰り返しが行われる(S04、ブロック生成ステップ)。緩和計算は、粒子の配置の均質化を行うものであり、上述したように図3(c)及び図3(d)に示すように行われる。上記の処理(S01~S04)によって、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロック20が生成される。
Subsequently, the
続いて、配置部12によって、ブロック生成部11によって生成されたブロック20が、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせられて粒子が配置される(S05、配置ステップ)。上述したようにこの際、シミュレーションで用いる粒子を配置する領域ではない位置に配置された粒子は削除されてもよい。生成された粒子の初期状態の配置40は、粒子のシミュレーションに用いられる。以上が、本実施形態に係る粒子配置システム10で実行される処理である。
Subsequently, the
本実施形態では、全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子が配置されたブロック20が組み合わせられることで粒子が配置される。従って、粒子の数が多くなっても、粒子を配置する領域にブロックを組み合わせていくことで粒子を配置することができる。ブロック20の組み合わせの処理は単純な処理であるため、計算コストが小さい。また、ブロックの作成時に扱われる粒子の数は、配置する粒子の数と比べて小さくすることができる。従って、ブロック20の作成の計算コストも、従来の粒子の配置と比べると小さい。従って、本実施形態によれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。
In this embodiment, all boundaries are periodic boundaries, and particles are arranged by combining
また、本実施形態のように、予め設定された一方向以外の境界(例えば、x方向及びy方向の面21)を周期境界とした領域の内部に粒子を配置し、当該領域において当該一方向(例えば、z方向)に厚みを有する部分領域23を設定し、当該部分領域に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ移動させて、当該部分領域23の境界を周期境界としてブロックを生成してもよい。また、その際、粒子に一方向の力(例えば、重力)を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置してもよい。この構成によれば、全ての境界が周期境界であるブロックを容易かつ適切に生成することができる。その結果、容易かつ確実に粒子を配置することができる。
Further, as in the present embodiment, particles are arranged inside a region having a periodic boundary defined by a boundary other than a preset one direction (for example, the
但し、全ての境界が周期境界であるブロックは、必ずしも上記のように生成される必要はなく、他の方法で生成されてもよい。また、上記の領域の内部に粒子を配置する際には、粒子に一方向の力を加えて移動させる方法を必ずしも用いる必要はなく、例えば、領域内にランダムに粒子を発生させる方法が用いられてもよい。 However, blocks whose boundaries are all periodic boundaries need not necessarily be generated as described above, and may be generated by other methods. Further, when arranging the particles inside the region, it is not always necessary to use a method of applying a unidirectional force to the particles to move them. For example, a method of randomly generating particles within the region may be used. may
また、本実施形態のように、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行ってもよい。具体的には、均質化の処理として、ブロックにおける予め設定された一方向(例えば、z方向)の所定の位置付近の粒子の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーション(緩和計算)を当該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。この構成によれば、個々のブロック20における粒子の配置の偏りを抑えることができ、均質化された粒子の配置とすることができる。但し、均質化の処理は必ずしも行われる必要はない。また、均質化の処理を行う場合も上記以外の方法で行われてもよい。
Further, as in the present embodiment, processing for homogenizing the arrangement of particles inside the block may be performed. Specifically, as the homogenization process, the position of particles near a predetermined position in one preset direction (for example, the z direction) in the block is fixed, and the movement of particles whose positions are not fixed is simulated ( relaxation calculation) may be repeatedly performed while changing the predetermined position. According to this configuration, it is possible to suppress the bias in the arrangement of the particles in each
なお、上述した実施形態では、粒子が配置される空間は3次元の空間としたが、3次元以外の空間、例えば、2次元の空間であってもよい。その場合、粒子の配置に用いられるブロック20は、粒子が配置される空間に応じた次元の形状であればよい。
In the above-described embodiment, the space in which the particles are arranged is a three-dimensional space, but it may be a space other than the three-dimensional space, such as a two-dimensional space. In that case, the
引き続いて、上述した一連の粒子配置システム10による処理を実行させるための粒子配置プログラムを説明する。図5に示すように、粒子配置プログラム100は、コンピュータに挿入されてアクセスされる、あるいはコンピュータが備える、コンピュータ読み取り可能な記録媒体110に形成されたプログラム格納領域111内に格納される。記録媒体110は、非一時的な記録媒体であってもよい。
Subsequently, a particle placement program for executing a series of processes by the
粒子配置プログラム100は、ブロック生成モジュール101と、配置モジュール102とを備えて構成される。ブロック生成モジュール101と、配置モジュール102とを実行させることにより実現される機能は、上述した粒子配置システム10のブロック生成部11と、配置部12との機能とそれぞれ同様である。
A
なお、粒子配置プログラム100は、その一部又は全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、他の機器により受信されて記録(インストールを含む)される構成としてもよい。また、粒子配置プログラム100の各モジュールは、1つのコンピュータでなく、複数のコンピュータのいずれかにインストールされてもよい。その場合、当該複数のコンピュータによるコンピュータシステムよって上述した一連の処理が行われる。
Part or all of the
10…粒子配置システム、11…ブロック生成部、12…配置部、100…粒子配置プログラム、101…ブロック生成モジュール、102…配置モジュール、110…記録媒体、111…プログラム格納領域。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
を備える粒子配置システム。 A particle arrangement system for arranging particles to be simulated in a simulation space,
a block generation means for generating a block having a shape that allows a plurality of blocks to be combined without gaps in the space, all boundaries being periodic boundaries, and having the particles arranged therein;
arranging means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generating means such that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
A particle placement system comprising:
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成ステップと、
前記ブロック生成ステップにおいて生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置ステップと、
を含む粒子配置方法。 A particle placement method that is a method of operating a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space,
a block generation step of generating a block having a shape that can be combined in a plurality without gaps in the space, all boundaries being periodic boundaries, and having the particles arranged therein;
an arrangement step of arranging particles by combining a plurality of blocks generated in the block generation step such that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
Particle placement methods, including
当該コンピュータを、
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
として機能させる粒子配置プログラム。 A particle placement program that causes a computer to operate as a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space,
the computer,
a block generation means for generating a block having a shape that allows a plurality of blocks to be combined without gaps in the space, all boundaries being periodic boundaries, and having the particles arranged therein;
arranging means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generating means so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
A particle placement program that functions as a
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021131596A JP2023026022A (en) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021131596A JP2023026022A (en) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023026022A true JP2023026022A (en) | 2023-02-24 |
Family
ID=85252185
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021131596A Pending JP2023026022A (en) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023026022A (en) |
-
2021
- 2021-08-12 JP JP2021131596A patent/JP2023026022A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Irikura et al. | Recipe for predicting strong ground motion from crustal earthquake scenarios | |
Parker et al. | Real-time deformation and fracture in a game environment | |
Guo et al. | A coupled FEM/DEM approach for hierarchical multiscale modelling of granular media | |
Zhong et al. | Role of faults, nonlinear rheology, and viscosity structure in generating plates from instantaneous mantle flow models | |
Herrmann et al. | Modeling granular media on the computer | |
Donzé et al. | Advances in discrete element method applied to soil, rock and concrete mechanics | |
Fu et al. | 3-D random packing of polydisperse particles and concrete aggregate grading | |
JP5800145B2 (en) | Analysis device, analysis method, analysis program, and recording medium | |
Rojek et al. | The discrete element method with deformable particles | |
Ji et al. | Discrete element modeling of dynamic behaviors of railway ballast under cyclic loading with dilated polyhedra | |
Dang et al. | Algorithm to generate a discrete element specimen with predefined properties | |
Izadi et al. | Simulation of granular soil behaviour using the bullet physics library | |
Guo et al. | Numerical and experimental analysis of additively manufactured particle dampers at low frequencies | |
Jia et al. | Coupled three-dimensional discrete element–finite difference simulation of dynamic compaction | |
Irazábal et al. | Effect of the integration scheme on the rotation of non-spherical particles with the discrete element method | |
Kato et al. | Seismic site–city interaction analysis of super-tall buildings surrounding an underground station: a case study in Hong Kong | |
JP2023026022A (en) | Particle arrangement system, particle arrangement method, and particle arrangement program | |
Hiyama et al. | Distinct Element Analysis for Hydraulic Fracturing in Shale–Effect of Brittleness on The Fracture Propagation– | |
Munjiza et al. | Comparison of experimental and FEM/DEM results for gravitational deposition of identical cubes | |
CN108256246B (en) | Design method and device of porous material based on Unity3D | |
Luo et al. | Diversity evolution and parameter matching of periodic-impact motions of a periodically forced system with a clearance | |
Feng et al. | 2D particle contact-based meshfree method in CDEM and its application in geotechnical problems | |
Mehta | Relaxational dynamics, avalanches, and disorder in real sandpiles | |
Spandonidis et al. | Use of granular material dynamics simulation for the study of cargo shift of ships | |
Kanellopoulos et al. | Use of the Domain Reduction Method to simulate the seismic response of an existing structure protected by resonating unit cell metamaterials |