[發(fā)明專利]一種基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310628851.6
• 申請日: 2013-12-01
• 公開（公告）號: CN103699714A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王莉莉;楊晨;侯飛;秦洪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;孟卜娟

1.一種基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟（1）、通過基于材質(zhì)的多子域劃分將仿真對象劃分成具有各項同性的子域；

步驟（2）、各子域依據(jù)仿真精度要求進行獨立的層次細節(jié)體素化生成基于八叉樹六面體網(wǎng)格；

步驟（3）、各子域根據(jù)各自對應(yīng)的六面體網(wǎng)格進行有限元建模；

步驟（4）、在各子域間建立無網(wǎng)格采樣區(qū)域，建立基于材質(zhì)距離的平滑距離場；

步驟（5）、在無網(wǎng)格采樣區(qū)域，基于材質(zhì)距離場進行無網(wǎng)格方法建模；

步驟（6）、對無網(wǎng)格區(qū)域及所相關(guān)的有限元子域進行耦合；

步驟（7）、當(dāng)切割操作發(fā)生時，對切割所涉及到的有限元區(qū)域進行網(wǎng)格細分并通過克隆網(wǎng)格體現(xiàn)拓?fù)渥兓⒃谛律傻挠邢拊獏^(qū)域上重新進行無網(wǎng)格方法建模。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（1）包括：讀取OBJ模型數(shù)據(jù)，根據(jù)材質(zhì)邊界曲面函數(shù)將對模型建立子域劃分投票函數(shù)（voting?function）。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（2）包括：建立模型整體的AABB包圍盒作為基于八叉樹的六面體網(wǎng)格根節(jié)點，如果當(dāng)前六面體空間內(nèi)包含模型元素：頂點、三角面片和材質(zhì)邊界曲面，且沒有達到最高層次精度，則對該六面體進行剖分并對新生成的8個子六面體重復(fù)上述操作；當(dāng)所有六面體網(wǎng)格均符合上述條件時，停止操作，并對八叉樹的葉子節(jié)點上的六面體元素使用其中心點作為輸入?yún)?shù)調(diào)用步驟（1）中的子域劃分投票函數(shù)確定其所屬的子域；該步驟（2）最終生成了一個反應(yīng)模型表面和材質(zhì)分界特征的層次化八叉樹六面體網(wǎng)格。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（3）包括：為了提高計算效率，采用線性基，并生成六面體有限元形函數(shù)以及形函數(shù)的三維空間導(dǎo)數(shù)，并以此構(gòu)建形函數(shù)矩陣和應(yīng)變矩陣；根據(jù)當(dāng)前域所屬的材質(zhì)屬性構(gòu)建材質(zhì)矩陣，所述的材質(zhì)屬性為楊氏模量和泊松比，依據(jù)有限元公式組織局部剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和施力向量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（4）包括：對包含材質(zhì)邊界的六面體網(wǎng)格取其二環(huán)鄰域并將所涉及的六面體網(wǎng)格作為無網(wǎng)格方法的積分背景網(wǎng)格，隨機均勻分配采樣點，并為每一個高斯積分點建立局部影響域內(nèi)采樣點間的材質(zhì)距離場。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（5）包括：根據(jù)步驟（4）所得到的距離場生成針對高斯積分點的移動最小二乘近似（Moving?Least?Square?Approximation）的權(quán)函數(shù)，并得到滿足移動最小二乘近似的位移函數(shù)的形函數(shù)，從而得到了對多材質(zhì)區(qū)域的無網(wǎng)格方法建模。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（6）包括：找出同屬于無網(wǎng)格區(qū)域和有限元區(qū)域的六面體網(wǎng)格，將步驟（3）和步驟（5）所得到的位移函數(shù)的形函數(shù)通過斜坡函數(shù)（Ramp?Function）進行聯(lián)立耦合形成耦合區(qū)域的形函數(shù)，并根據(jù)所生成的形函數(shù)生成局部剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和施力向量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元和無網(wǎng)格耦合的柔性物體實時切割仿真方法，其特征在于步驟（7）包括：將切割工具建模為有三角面片組成的曲面，當(dāng)切割操作發(fā)生時，通過六面體網(wǎng)格與三角面片做碰撞檢測，能夠得到被切割的網(wǎng)格，對于粗層次的網(wǎng)格首先要對其進行網(wǎng)格細分以達到仿真精度，對于被切割的六面體進行克隆操作以滿足切割所造成的拓?fù)渥兓詈髮κ苡绊懙膮^(qū)域進行步驟（3）和步驟（4），更新仿真方程。