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从电影工业到制造工业,看无网格算法最新演变

2018-6-6 10:12| 发布者: Ice_XIAO| 查看: 189| 评论: 1|原作者: 未知|来自: 互联网

摘要: 看了这么多影片中真实、美丽又震撼的特效,你知道这些冰雪、水流效果是如何产生的么?今天,就带领大家一起探究下其背后的技术——无网格算法。 ...
2018/6/6    来源:互联网      
关键字:无网格算法  无网格  虚拟仿真  MPM方法
看了这么多影片中真实、美丽又震撼的特效,你知道这些冰雪、水流效果是如何产生的么?今天,就带领大家一起探究下其背后的技术——无网格算法。
电影中的奇幻镜头总是格外令人震撼,还在惊叹于Disney影片《Frozen》中的冰系魔法么,ELSA每次出场都伴随着飞舞的雪花,或者Disney影片《海洋奇缘》中的海啸,以及《少年派》中的鲸鱼出水,都让观众置身于海洋奇幻和壮丽的场景中久久不能自拔。可是,看了这么多影片中真实、美丽又震撼的特效,你知道这些冰雪、水流效果是如何产生的么?今天,就带领大家一起探究下其背后的技术——无网格算法。
    无网格方法起源于19世纪70年代。1977年,Lucy L B、Gingold R A等人首次提出了光滑质点流体动力学方法(SPH),并将该方法成功应用于天体物理的领域中。20世纪90年代,国际计算力学界掀起了无网格法的研究热潮,涌现了近10种无网格方法,主要包括:辐射元法(DEM)、无网格Galerkin法(EFG)、有限点法(FPM)、Hp云团法(Hp clouds)、无网格局部Petrov Galerkin法(MLPG)、单元分解法(PUM)、物质点法(MPM)等。
    经过40多年的发展,无网格方法已经在高速冲击以及爆炸、断裂力学、结构超大变形、优化、流固耦合和自由表面流动、生物力学、微纳米力学等问题上有了成功的应用。尤其随着高性能计算技术的发展,无网格方法也越来越受到各行各业工程师们的青睐。
1 电影工业特效的虚拟仿真
    在电影工业中,经常需要模拟大量复杂的自然现象。为了将这些自然现象或超自然现象的整体效果真实地展现在大屏幕上,电影制造公司做了大量尝试。在计算机能力不足的年代,工业特效常用实拍+后期剪辑的手段完成。随着科技进步,电脑特效技术的发展,大量虚拟特效手段用于电影后期处理,扮演了电影工业特效中难以替代的角色。其中,基于虚拟仿真方法的特效技术成为各种好莱坞大片中常用的手段之一。
    Disney影片《Frozen》中就大量应用了MPM方法(粒子方法的一种)对冰雪进行真实的模拟。你所看到的电影,冰雪是这么生成的。
图1 《Frozen》冰雪效果
    除了雪的模拟,流体模拟也非常难以实现,尤其是水流的模拟和控制。为了真实的模拟水流,虚拟仿真人员大量采用SPH方法进行模拟,获得了影片中各种具有视觉效果的场景。比如Disney影片《海洋奇缘》中海啸场景,《少年派》中的鲸鱼出水场景等。
图2 电影水流效果图
    使用SPH方法对流体进行虚拟仿真。
图3 SPH方法流体虚拟仿真
2 制造工业的虚拟仿真
    除广泛应用于电影工业外,无网格方法在制造工业领域也得到了大量的应用。由于无网格方法不依赖于网格,摆脱了传统FEM方法对网格的依赖性和网格尺寸敏感性的限制,因此适用于成型工艺、大变形分析、高速冲击分析等领域。
图4 粒子离散前处理
   2.3 应用领域
    针对传统FEM算法无法解决的高度非线性问题,无网格算法软件可以快速进行准确求解,主要应用的行业和领域包括:
    ●航空航天——鸟撞、坠撞等
    ●兵器——穿甲、侵彻等
    ●车辆工程——碰撞、气囊安全等
    ●制造工程——冲压、切削成型、跌落等
    ●岩土工程——土体滑坡,岩土材料力学性能等
    ●土木工程——高层抗震设计等
图6 飞机舱段坠撞仿真模拟
图7 机翼鸟撞仿真模拟
图8 发动机谐响应分析

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