[發(fā)明專利]一種離散元仿真中多球顆粒的兩層網(wǎng)格搜索接觸檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610105766.5
• 申請(qǐng)日: 2016-02-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105787998B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡國(guó)明;方自強(qiáng);李婉婉;桂文杰;劉勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/10
• 分類號(hào): G06T17/10
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

本發(fā)明涉及一種離散元仿真中多球顆粒的兩層網(wǎng)格搜索接觸檢測(cè)方法，包括以下步驟：全局空間被劃分為尺寸均為D的方形或立方體網(wǎng)格，然后進(jìn)行第一層網(wǎng)格搜索，如果目標(biāo)顆粒的包絡(luò)球與某個(gè)候選顆粒的包絡(luò)球相交，則第一層網(wǎng)格搜索完成，反之則進(jìn)行目標(biāo)顆粒的包絡(luò)球與其余候選顆粒的包絡(luò)球之間的相交檢測(cè)；相交時(shí)，一個(gè)尺寸為(D+d)的方形或立方體局部空間被劃分為尺寸均為d的方形或立方體網(wǎng)格，并供第二層網(wǎng)格搜索所用，檢測(cè)目標(biāo)顆粒的單元球與候選顆粒的單元球之間的接觸。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)接觸檢測(cè)的內(nèi)存消耗大幅降低的同時(shí)，維持接觸檢測(cè)的時(shí)間消耗不增加，為多球顆粒離散元仿真在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了有效的技術(shù)手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于離散元法的非球形顆粒介質(zhì)動(dòng)力學(xué)仿真領(lǐng)域，尤其是涉及一種離散元仿真中多球顆粒的兩層網(wǎng)格搜索接觸檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

由于幾何形狀簡(jiǎn)單，球形顆粒被廣泛地應(yīng)用于三維離散元仿真之中。然而，真實(shí)的顆粒形狀難以由簡(jiǎn)單的球體來(lái)有效地表達(dá)。因此，非球形顆粒的形狀表達(dá)已在相關(guān)專利和文獻(xiàn)資料中進(jìn)行了廣泛的討論。非球形顆粒的形狀表達(dá)方法基本上可以分為兩類：?jiǎn)晤w粒方法和多球顆粒方法。

在單顆粒方法中，一個(gè)非球形顆粒是由一個(gè)橢圓、橢球或超二次曲面等復(fù)雜幾何形狀的單顆粒來(lái)近似表達(dá)。二維橢圓顆粒和三維橢球顆粒的幾何形狀可由數(shù)學(xué)方程來(lái)描述，二維橢圓顆粒間或三維橢球顆粒間的接觸檢測(cè)通常需要通過(guò)迭代求解多項(xiàng)式方程的根來(lái)實(shí)現(xiàn)。超二次曲面顆粒的幾何形狀也可由數(shù)學(xué)方程來(lái)描述，在三維方面，超二次曲面顆粒是橢球顆粒的一種延伸，而在二維方面，超二次曲線顆粒是橢圓顆粒的一種擴(kuò)展；超二次曲面顆粒為三維或二維顆粒凸凹面的形狀表達(dá)提供了豐富的手段；與橢圓和橢球顆粒相類似，超二次曲面顆粒間的接觸檢測(cè)需要通過(guò)迭代求解非線性方程組的根來(lái)實(shí)現(xiàn)。橢圓、橢球或超二次曲面等復(fù)雜幾何形狀的顆粒間的接觸檢測(cè)在大規(guī)模的離散元仿真中會(huì)消耗大量的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。

在多球顆粒方法中，一個(gè)非球形顆粒可以通過(guò)若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元球組合而成的多球顆粒來(lái)近似表達(dá)，這些單元球可以相互重疊，并且它們的尺寸可以被改變。一般而言，一個(gè)多球顆粒由若干個(gè)具有較小尺寸的單元球組成。在一些多球顆粒的離散元仿真中，一個(gè)復(fù)雜的顆粒形狀甚至需要由成百上千個(gè)單元球來(lái)表達(dá)。在這種情況下，多球顆粒尺寸是單元球尺寸的若干倍。近年來(lái)，多球顆粒已經(jīng)被用于描述各類顆粒形狀，包括橢圓形顆粒、膠囊形顆粒、玉米狀顆粒、谷物狀顆粒、藥片狀顆粒等。由于發(fā)生在多球顆粒間的接觸實(shí)際上是單元球間的接觸，因此多球顆粒間的接觸檢測(cè)可以使用球形顆粒間的接觸檢測(cè)方法來(lái)處理。

接觸檢測(cè)的內(nèi)存消耗和時(shí)間消耗是衡量一種接觸檢測(cè)方法有效性的兩個(gè)重要指標(biāo)。在接觸檢測(cè)中，網(wǎng)格搜索方法是一種用于球形顆粒鄰居搜索的有效方法，它被用于搜索一個(gè)目標(biāo)顆粒周圍一定區(qū)域內(nèi)的候選顆粒。在網(wǎng)格搜索方法中，全局空間被劃分為尺寸均為d的方形或立方體網(wǎng)格，其中d是最大球形顆粒的直徑。相比于搜索整個(gè)全局空間，在這種方法中，每個(gè)目標(biāo)顆粒只需要搜索位于它周圍的9個(gè)(二維)或27個(gè)(三維)鄰居網(wǎng)格中的鄰居顆粒，因此球形顆粒間的接觸檢測(cè)的時(shí)間消耗為O[M²/(L/d)²](二維)或O[M²/(L/d)³](三維)，其中M是球形顆粒的總數(shù)量，L是全局空間的尺寸。

在涉及多球顆粒的離散元仿真中，上述網(wǎng)格搜索方法經(jīng)常被直接用于多球顆粒的接觸檢測(cè)之中。全局空間可以被劃分為尺寸均為d的網(wǎng)格，其中d是最大單元球的直徑；多球顆粒中的單元球是該方法在全局空間中的搜索對(duì)象；如果候選單元球位于一個(gè)目標(biāo)單元球周圍的9個(gè)(二維)或27個(gè)(三維)鄰居網(wǎng)格中，這個(gè)目標(biāo)單元球就需要與那些候選單元球進(jìn)行接觸檢測(cè)。在該方法中，接觸檢測(cè)的內(nèi)存消耗為O[(L/d)²+M·n_s](二維)或O[(L/d)³+M·n_s](三維)；接觸檢測(cè)的時(shí)間消耗為(二維)或(三維)，其中M是多球顆粒的總數(shù)量，n_s是單個(gè)多球顆粒中單元球的數(shù)量。