用于形成包含堆积在任意形状的体积中的多分散球形颗粒的计算机化模型的方法和系统与流程

本发明通常涉及一种在用于产品的数值模型的计算机辅助的工程分析中的计算机化模型的形成，更具体地说，涉及一种用于形成代表堆积在任意形状的体积中的多分散球形颗粒的计算机化模型的方法和系统。

背景技术：
许多现代工程分析在计算机系统的协助下执行。这种计算机辅助的工程（CAE）分析中的一种被称作离散单元法（DEM），其通常用于从数值上模拟大量的颗粒的运动。随着用于最近邻域分类的计算能力和数值算法的进步，从数值上模拟数以万计的颗粒成为可能。如今，DEM作为一种解决在粒状和非连续材料中的工程问题的有效方法被广泛地接受，特别是在颗粒流、粉粒体力学和岩石力学中。由于DEM需要大量的颗粒，因而最初的计算机化模型的有效形成对于模拟的成功而言是至关重要的。否则，将需要不可行量的时间以生成这种模型。用于形成这种计算机化模型的现有技术方法基于具有缺陷的方法。例如，几何法缺乏堆积密度、沉降法需要先验的沉降方向（对于任意形状的体积，不存在沉降方向），而动力法（与分子动力学类似）由于大量的计算需求，又是非常缓慢的。因而，需要获得一种用于有力且有效地形成包含堆积在任意形状的体积中的多分散球形颗粒的计算机化模型的方法和系统。

技术实现要素：
公开了一种用于形成包含堆积在任意形状的体积中的多分散球形颗粒的计算机化模型的方法和系统，根据本发明的一个方面，在计算机系统中获得任意形状的体积的定义（例如，以代表该体积的边界的多边形的形式）、该多分散颗粒的特征轮廓（例如，最大和最小尺寸和分布），以及期望的堆积要求。接着，通过使用多个多分散球形颗粒，形成计算机化模型，该多分散球形颗粒根据特征轮廓而生成以使得该多分散球形颗粒具有在特征轮廓中限定的统计特性。颗粒的第一部分被用于形成布置到该多边形上的、在该体积的边界之内的边界层。在该边界层中，任何的孔或空间通过一个或更多空尺寸的颗粒“密封”。在该边界层已经形成并密封后，颗粒的第二部分被用于填充在层-到-层设计中被边界层从该边界层上向内地被包围的内部空间。该层-到-层设计包括从备选位置的列表中搜索最适合位置。该备选位置的列表通过三维功率图识别并通过备选位置的各个尺寸被分级。当可能时，颗粒的第二部中的每一个被允许朝着边界层穿过在当前层中的孔或空间。根据另一方面，代表体积的边界的多边形中的每一个被构造为具有用于指示该体积的内侧的方向性的特性。根据另一方面，边界层的形成通过将生成的颗粒放置为靠近每个多边形的顶点、沿着每个多边形的边缘，以及被已经放置好的颗粒约束的内部空间而被执行。本发明的目标、特征和优点将通过审阅下文中结合附图进行的对其实施方式的详细描述而变得显而易见。附图说明本发明的这些和其他特征、方面和优点将通过下文的说明、附加权利要求以及附图而被更好地理解，附图中：图1为示出根据本发明的实施方式的形成包含堆积在任意形状的体积中的多个多分散球形颗粒的计算机化模型的示意性过程的流程图；图2A-2B为示出根据本发明的一个实施方式的多种示意性任意形状的体积的示图；图2C为示出根据本发明的一个实施方式的另一示意性体积的截面的示图；图2D为示出根据本发明的一个实施方式的包括内部孔的另一示意性体积的截面的示图；图3A为示出根据本发明的一个实施方式的多分散球形颗粒的第一示意性特征轮廓的二维示图；图3B为示出根据本发明的一个实施方式的多分散球形颗粒的第二示意性特征轮廓的二维示图；图4为示出根据本发明的一个实施方式的示意性的一系列随机生成的多分散球形颗粒的示图；图5A为示出根据本发明的实施方式的代表任意形状的体积的边界的一个部分的示意性的多边形的示图；图5B为示出根据本发明的实施方式的具有内部孔的示意性的体积的截面的示图；图6A-6D为示出根据本发明的实施方式的将多分散球形颗粒放置到代表任意形状的体积的边界的一个部的多边形上的示意性的顺序的一系列示图；图7为示出根据本发明的一个实施方式的示意性边界层的一角的三维示图；图8为示出根据本发明的实施方式的使用功率图识别的示意性的备选位置的示图；图9为示出根据本发明的实施方式的具有允许球形颗粒通过的孔的多分散球形颗粒的示意性的定向的示图；图10A和10B为示出根据本发明的实施方式的使用功率图进行的示意性的搜索和放置的示图；图10C-10G为示出根据本发明的一个实施方式的示意性的功率图的示图；图11为示出根据本发明的可被实现的实施方式的示意性的计算机系统的突出部件的方块图。具体实施方式图1为示出根据本发明的实施方式的形成包含堆积在任意形状的体积中的多个多分散球形颗粒的计算机化模型的示意性过程100的流程图。过程100在软件中实现，并且通过结合其他附图被更好地理解。过程100以在计算机系统（例如，图11的计算机系统1100）中接收任意形状的体积的定义以及在步骤102中的多分散球形颗粒的特征轮廓而开始。任意形状的体积的一个示意性的定义为包含代表该体积的边界的多个多边形（例如，三角形、四边形和五边形等）的CAE网络模型。每个多边形被构造为包含指示该多边形的哪一侧是该体积的内侧或外侧的方向性的特性。这可通过许多已知方法完成。一个示意性的方法是获得在该多边形所设置在的平面上的法向矢量。内侧方向为正或负法向向量。对于图5A中示出的三角多边形512，能够通过对有序顶点501-503应用右手法则而限定。换言之，该法向向量与多边形512垂直。示意性的任意形状的体积包括但不限定于为立方体202（图2A）、三棱柱204（图2B）等。图2C示出另一任意形状的体积的二维截面图206。根据另一实施方式，在图2D中示出具有一个或更多内部空隙空间210a-210b的另一体积的二维截面图208。应当指出，该体积的边界能够包括外部边界222和内部边界224（例如，内部空隙空间的边界）。多分散球形颗粒的示意性特征轮廓310、320被显示在图3A-3B。第一特征轮廓为具有最小尺寸312和最大尺寸314的连续分布曲线310。竖向轴线代表百分比而水平轴线代表尺寸（例如，颗粒的直径）。在图3B中，特征轮廓为离散分布320。水平轴线代表具有最小尺寸322和最大尺寸324的颗粒的尺寸。竖向轴线代表每种具体尺寸的颗粒的数量。再次参见图1，在步骤104中，过程100形成具有多个多分散球形颗粒的计算机化模型，多分散球形颗粒具有在下文的步骤描述的特征轮廓中限定的统计特性。该多个多分散球形颗粒根据特征轮廓生成以使得生成的颗粒具有在特征轮廓中限定的统计特性。在一个实例中，生成的顺序基于概率分布（例如，在图3A中所示）。在另一实例中，在一个序列中具体定尺寸的颗粒的各自的数量与定义匹配（例如，图3B）。例如，图4中示出随机生成的多分散球形颗粒的示例性序列400。该序列400可根据用户定义的特征轮廓（例如，310、320）形成。生成的随机性能够由已知技术实现，例如，采用一系列伪随机数。随机生成的多分散球形颗粒系列可统计地确定计算机化模型的形成包括在特征轮廓中限定的恰当数量的不同球形颗粒。为便于说明，在本文图中示出的圆（例如，404-410）代表球形颗粒（例如，球402）。系列400可根据要求生成，例如，每次生成一个或具体的数量个。在步骤106中，通过将多分散球形颗粒的第一部放置或布置到由多个多边形（例如，FEA网格模型）代表的体积的边界上而形成边界层。没有对于在第一部中的多分散球形颗粒的数量的设定的限制。根据一个实施方式，通过按以下顺序放置多分散球形颗粒而形成边界层：靠近每个多边形的顶点，沿着每个多边形的边缘，接着，以及在体积的边界内被已经放置的颗粒约束的内部空间。图5A-5B示出具有放置在靠近各个顶点的球形颗粒的两个示例性多边形。在图5A中示出三角形512，而在图5B中示出具有内部孔510的不规则多边形504。多种尺寸的球形颗粒被示出为放置为靠近顶点。在图6A-6D中示出将多分散球形颗粒放置到示意性多边形602上的示例性的顺序。图6A示出颗粒被放置为靠近五边形602的顶点，这是任意成形的体积的一个部。图6B示出具有部分地放置在边缘上的颗粒的五边形602。图6C示出具有放置在顶点和边缘上的颗粒的五边形602。图6D示出完全地放置在五边形602上的颗粒。根据一个实施方式，沿着边缘放置或布置球形颗粒从相应的顶点中的任何一个开始。功率图（在下文中通过图10C-10G中示出的实例描述）用于在形成边界层过程中球形颗粒的放置。当形成边界层时，一个或多个空尺寸颗粒被放置在边界层中的任何孔或空间处。空尺寸颗粒为在图6C-6D中的点或零直径球形（以圆形网点610示出）。空尺寸颗粒被构造为用于“密封”边界层。随着空尺寸颗粒的放置，在边界层中的所有孔或空间被填充或“密封”。换言之，不允许其他颗粒经过。通常，边界层包括被布置或放置到代表体积的边界的多个多边形上的多分散球形颗粒。图7为示出根据本发明的实施方式的、示出计算机化模型的示意性的部分边界层700的三维示图。为了便于说明，仅仅示出一些球形颗粒。本领域的普通技术人员应当知道，边界层包含多于图7中示出的数量的颗粒，其中，包括许多布置在一个多边形上的多分散球形颗粒720，以及沿着另一多边形的边缘的其他球形颗粒710。再次参见图1，在步骤108中，多分散球形颗粒的第二部被用于填充在层-到-层设计中被边界层包围的内部空间，这从边界层开始，接着向内移动直至内部空间已经被填满。允许每个颗粒朝向边界层穿过或“漏出”在当前层中的孔。层-到-层设计包括从备选位置列表中搜索最适合位置。备选位置通过使用三维功率图识别并通过备选位置的各个尺寸被分级。图8示出许多示例性备选位置808（由虚线箭头指出），这通过来自层810的功率图（图8中未示出）识别。每个备选位置在该位置处与最大可能的尺寸有关。图9为示出能够在填充内部空间操作期间被穿过的示意性的孔的二维示图。孔922设置在四个颗粒之间，而孔912设置在三个相同的颗粒910a-910c之间。用于填充操作的最可能的位置在三个相同的颗粒910a-910c之间，因为颗粒被堆积在最大占据空间或最小空闲空间中，对于本领域普通技术人员而言，这四个相同的球形颗粒提供三维上最好的效率。当孔912或922足够大时，允许特别的球形颗粒朝着边界层穿过孔。“穿过”操作被构造为允许空间的更好的使用，因而实现更高的堆积密度。换言之，在填充内部空间的层-到-层设计中，任何球形颗粒被允许朝着边界层穿过当前的层。并且，没有球形颗粒能够穿过边界层，因为该边界层已经被空尺寸颗粒“密封”，因而是不可穿透的。在一个实施方式中，边界层由“水平面-0”指代，随后的层由“水平面-1”、“水平面-2”等指代。球形颗粒仅仅被允许从较大数字的水平面穿过或“漏出”至较小数字的水平面。没有颗粒被允许通过“水平面-0”而穿过或“漏出”。还应当指出，层是动态地形成的。换言之，每个颗粒被放置在当前的层上，当前的层将被更新以变为新的当前层。备选位置的列表通过使用功率图被相应地更新。为了阐述如何使用功率图识别备选位置的列表，在图10A和10B中共同地示出二维实例。本领域的那些普通技术人员将理解，三维功率图（未示出）如何采用大体类似的原理。在图10A中，七个实线圆1001-1007形成当前层（它从边界层开始）。备选位置有虚线圆1011、1012、1014和1015示出。利用功率图，备选位置1011用于现存的圆对1001和1002。备选位置1012用于圆对1002-1003和1003-1004，因为两对圆的功率图都指示相同的备选位置1012。类似地，备选位置1014用于圆对1004-1005，而备选位置1015由圆对1005-1006和圆对1006-1007共享。在一个实施方式中，备选位置1011-1015通过各自的尺寸被分级以适于搜索（即，搜索最适合的位置）。在图10A中，在尺寸上按降序排列的按尺寸分级的列表为备选位置1011、1012、1014和1015。本领域技术人员应当理解，该顺序可反转（即，按升序）以获得按尺寸分级的列表。该实例也是任意的，对于在特征轮廓中限定的不同尺寸方面，能够存在无限种可能。在一个实施方式中，在过程100的步骤108中，将多分散球形颗粒的第二部中的每一个与按尺寸分级的备选列表进行比较以确定哪个位置是最适合的。在图10A中示出，圆1020被放置在最适合的位置1012中。该搜索能够使用已知方法执行，例如，利用按尺寸分级的备选列表中的位置的尺寸（例如，直径）搜索该位置。在圆1020已经被放置后，当前层被改变（图10B中示出的实线圆1001、1002、1020、1004、1005和1007）。确立两个新的备选位置1022、1023。圆对和备选位置之间的相互关系也已经改变（在图10B的下部中示出）。应当指出，在图10A-10B中示出的例子表明，即便是在非常大的模型中，搜索最适合位置也是一个局部化的操作。仅仅是附近的备选位置需要被搜索。此外，功率图不仅提供了关于在给定位置处的最大可能的尺寸的信息，还提供了获得在期望的堆积要求方面的最佳放置的邻近信息，包括但不限定于为，堆积密度和在位置和尺寸方面的颗粒分布。在图10C-10G中示出另一二维实例，用以进一步陈述功率图是如何工作的。在图10C中，多分散球形颗粒1030的层形成外层（例如，边界层）。应当指出，空尺寸颗粒1032a-1032b作为点被示出。示出了颗粒1030中的每一个的中心（作为在每个圆内的黑点被示出）。功率图1034作为连接三个圆的各个中心的三角形被示出。每个功率图1034代表最大可能的尺寸的圆（或三维的球形）的备选位置。图10D示出三个颗粒1031a、1031b和1031c的第一示意性功率图1035。备选位置和相关的尺寸以虚线圆1041示出。在图10E中示出颗粒1031c、1031d和1031e的第二示意性功率图1036。备选位置和相关的尺寸以虚线圆1042示出。应当指出，第一和第二示意性功率图1035-1036都在边界上具有两个三侧边或边缘。对于功率图1035，在颗粒1031a和1031b之间的侧边、以及在颗粒1031b和1031c之间的侧边位于边界上。对于功率图1036，在颗粒1031c和1031d之间的侧边、以及在颗粒1031d和1031e之间的侧边位于边界上。在图10F中示出的虚线圆1050为对于在边界上具有两个侧边的功率图的所有备选位置和相关的尺寸。为了便于说明，在图10F中未示出功率图的内部线。在图10G中，对于颗粒1031a、1031c和1031e的功率图1038被示出为具有备选位置和相关的尺寸（虚线圆1043）。应当指出，功率图1038在边界上仅仅具有一个侧面（在颗粒1031c和1031e之间）。在每个层中的所有备选位置通过各个尺寸识别并分级，以使得第二部的任何给定的颗粒能够被放置在最适合的位置中（例如，从分级列表中搜索）。一旦给定的颗粒被放置，当前层和备选位置的相应列表被相应地更新。最终，最适合位置的搜索通过使用具有方向性的三维功率图（四面体）被执行，以确保每个备选位置被放置在体积的边界内。本发明允许体积具有外部和内部边界。在内部空间已经被填满后，过程100移至步骤110，其中，执行计算机化模型的可选调节以实现用户定义的期望的堆积要求。在一个实例中，在计算机化模型中的颗粒可被去除以实现期望的堆积要求（例如，模拟多孔材料）。在另一实例中，计算机化模型包括能够被某些更小的颗粒（例如，混凝土）填充的间隙。术语“间隙”在此用于指位于颗粒之间的、通常很小以至于无法用特征轮廓中限定的最小尺寸的颗粒填充的空间。在另一实例中，在计算机化模型中的颗粒可被调节以具有稍微不同的尺寸或位置（例如，获得不同的堆积密度）。过程100在之后终止，这意味着已经形成计算机化模型。根据一个方面，本发明旨在一种或更多种能够实现在此描述的功能性的计算机系统。在图11中示出计算机系统1100的实例。计算机系统1100包括一个或更多个处理器，例如，处理器1104。处理器1104连接至计算机系统内部通信总线1102。就该示意性计算机系统描述了多种软件实施方式。在阅读本说明后，对本领域技术人员而言显而易见的是如何使用其他的计算机系统和/或计算机结构实现本发明。计算机系统1100还包括主存储器1108，优选地，为随机存储器（RAM），并且还可包括辅助存储器1110。辅助存储器1110可包括，例如，一个或更多个硬盘驱动器1112和/或一个或更多个移动存储驱动器1114，例如软磁盘驱动器、磁带驱动器和光盘驱动器。移动存储驱动器1114以已知的方式从移动存储单元1118读取数据或向移动存储单元1118写入数据。移动存储单元1118,以软磁盘、磁带、光盘等为代表，其通过移动存储驱动器1114读取或写入数据。如将被理解的，移动存储单元1118包括计算机可用存储介质，其具有存储在其中的计算机软件和/或数据。在替代性实施方式中，辅助存储器1110可包括用于允许计算机程序或其他指令加载到计算机系统1100中的其他的类似装置。这种装置可包括，例如，移动存储单元1122和接口1120。其实例可包括程序盒和盒式接口（例如视频游戏设备中所见的装置）、移动存储器片（例如，可擦除可编程只读存储（EPROM）、通用串行总线（USB）闪存，或PROM）和相关的插口，以及其他的允许软件和数据从移动存储单元1122传递至计算机系统1100的移动存储单元1122和接口1120。通常，计算机系统1100通过操作系统（OS）软件控制和协调，操作系统软件执行例如进程调度、内存管理以及网络和I/O服务。还可存在连接至总线1102的通信接口1124。通信接口1124允许软件和数据在计算机系统1100和外部设备之间传递。通信接口1124的实例可包括调制解调器、网络接口（例如，以太网卡）、通信端口、个人电脑记忆卡国际协会（PCMCIA）插槽和卡等。计算机1100与其他计算设备在基于特殊规则（即，协议）的数据网络中通信。协议中的一种为在因特网中普遍使用的TCP/IP（传输控制协议/因特网协议）。通常，通信接口1124管理将数据文件组装为在数据网络中传递的更小的数据包或将接收的数据包重新装配为原始数据文件。此外，通信接口1124处理每个数据包的地址部分，以使得它到达正确的目的地或者拦截去往计算机1100的数据包。在该文件中，术语“计算机处理介质”和“计算机可用介质”通常用于指例如安装在硬盘驱动器1112中的移动存储驱动器1114、和/或硬盘的媒体。这些计算机程序产品为用于向计算机系统1100提供软件的装置。本发明旨在这种计算机程序产品。计算机系统1100还可包括输入/输出（I/O）接口1130，其向计算机系统1100提供接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪等。计算机程序（也称作计算机控制逻辑）作为应用模块1106存储在主存储器1108和/或辅助存储器1110中。计算机程序还可经由通信接口1124接收。这种计算机程序，在被执行时，能够使得计算机系统1100执行本发明的在此讨论的特征。具体地，计算机程序，在被执行时，能够使得处理器1104执行本发明的特征。相应地，这种计算机程序代表计算机系统1100的控制器。在通过使用软件实现本发明的实施方式中，软件可被存储在计算机程序产品中并且通过使用移动存储驱动器1114、硬盘驱动器1112或通信接口1124被加载到计算机系统1100中。应用模块1106，在当通过处理器1104被执行时，使得处理器1104执行本发明的在此描述的功能。主存储器1108可加载一个或更多个应用模块1106，应用模块1106能够在具有或不具有通过I/O接口的用户输入的情况下由一个或更多个处理器1104执行，以实现期望的任务。在操作中，当至少一个处理器1104执行应用模块1106中的一个时，结果被计算并存储在辅助存储器1110中（即，硬盘驱动器1112）。有限元分析的状态经由I/O接口1130以文本或图示报告给用户。在一个实施方式中，应用模块1106被构造为促进具有多个多分散球形颗粒的计算机化模型的形成。虽然已经参考本发明的具体实施方式对其进行了描述，但这些实施方式仅仅是示意性的，不作为对本发明的限制。本领域的技术人员将能构想到对于具体公开的示意性实施方式的多种修改或变化。例如，虽然通常示出的为二维示图，但本发明指向三维多分散球形颗粒，圆能够被当作是球体。总之，本发明的范围不受限于在此公开的具体的示意性实施方式，并且本领域一般技术人员能够容易地想到的修改都应该被包含在应用的精神和范围以及附加权利要求的范围内。