专利名称：一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法
技术领域：
本发明涉及基于离散元法的颗粒物料动力学仿真的领域，尤其是涉及一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法。
背景技术：
接触判断在离散元法仿真中具有极其重要的作用。通过接触判断，各目标对象间的接触情况可以通过它们前一时步的相对位置关系推导出来，这一过程对于当前时步的颗粒接触力的计算是必须的。在大型的离散元法仿真中，接触判断通常消耗了大量的计算机资源，所以如何准确并且高效地检测出所有的接触，这个问题已在相关专利和文献资料中进行了着重的阐述。通常，接触判断经历两个阶段:邻居检索和相交检测。邻居检索的方法通常是将整个仿真区域规则地划分成相对较小的子区域，从而将单个颗粒的接触检测范围缩小到离它最近的子区域，而非整个仿真区域。通过邻居检索，接触判断问题的计算复杂度由原本的0(N2)数量级降低到较低的水平。最常用的邻居检索算法是空间排序算法和网格划分算法。对于这些方法，国际公开号W02012034176对这些算法的性能进行了评估。相交检测的方法主要是利用目标对象的几何形体进行空间推导。在邻居检索中判断出来的潜在接触对象将在相交检测阶段中明确地识别出来。实际上，具体的相交检测算法在很大程度上取决于颗粒的形状和几何边界的表达方法。在三维离散元法仿真中，最常使用到的颗粒形状是球体。在一些经典的离散元法仿真应用中，球形颗粒可以较准确地表达真实的颗粒形体，例如管磨机中的球形研磨介质的运动分析，混合设备中球形物料的混合过程的数值模拟等。而对于非球形或者任意形状的颗粒，连续方程或者参数方程通常被用于来描述颗粒的表面形状。但是，大多数针对非球形颗粒开发的接触判断算法·通常比基于球形颗粒的判断方法花费更多的计算时间，特别是在大型的离散元法仿真中，这种消耗是十分巨大的。根据具体的仿真需求，几何边界表面形状的描述方法将有所不同。在一些特殊的离散元法仿真中，几何边界模型简单地由一组特殊的颗粒来表示，在整个仿真过程中这些颗粒允许具有固定的位置，或者以设定好的运动方式进行运动。基于这样的描述方式，颗粒与边界间的接触被简化成颗粒与颗粒间的接触。但是这种方法不便于描述复杂几何边界模型中的更细微的布局细节。常规的几何边界形状也可以由一系列的基本图形元素或者它们的组合体进行表达，例如平面、圆柱体或者多面体等等，专利公开号CN102298660A和专利公开号CN1808444说明了这类边界表达方法的具体实施。球形颗粒与这些几何边界间的接触检测算法通常是非常有效的，因为这些算法充分利用了基本图形元素的规则的几何特征。更加复杂的超二次曲面形体则可以由连续方程来描述，对应的检测方法需要联立求解颗粒表面的描述方程和几何边界的描述方程。但是在许多的离散元法仿真中，仍然存在各种几何边界模型，它们具有更加复杂的表面几何形状，这些几何边界通常很难由合适的数学方程或者基本形体组合来加以表达。三角网格可以在一定的精度范围内近似表达三维几何边界模型的表面形状。事实上，在许多大型的三维离散元法仿真中，三角网格已成为最为常用的几何边界建模方法。有许多基于三角网格的接触判断算法被设计出来。这些接触判断方法详细地讨论了球体与三角形间发生的所有的相交形式及其判定条件。在这些方法中，首先将球形颗粒的球心正交投影到三 角形所在的平面上，然后将球心的投影点依次与三角形的内部区域、三角形的各边、各顶点进行相交检测。由于所有的相交形式需要顺序进行检测，所以这类算法在接触被识别出来之前，不得不被执行一系列不必要的针对于边接触或者点接触进行的检测步骤。基于三角网格的接触判断方法必须发现并排除无效的接触。无效的接触通常发生在三角网格中相邻三角形的公共边或公共顶点上。如果颗粒同时与多个三角形发生碰撞，则多个接触信息(多重接触信息)会被检测出来。颗粒与多个三角形发生的面接触可以准确地被大多数接触判断算法作为有效的接触信息检测出来，然而多重接触中的某些接触信息必须作为无效的接触信息由接触判断方法即时地发现并有效地排除，以保证接下来的接触力的计算准确无误。例如，三角网格中两个三角形由一个公共边连接在一起，某个颗粒可能在这条公共边附近区域发生碰撞，与其中一个三角形发生面接触，而与另一个三角形发生边接触。此时，颗粒与三角形的边发生的接触应该作为一个无效的接触被排除。但是，这些无效的接触情况在已发表的专利或者文献资料中，并没有得到很好的说明。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种通过将颗粒-边界间的接触判断问题与边界的具体几何特征分离开来，避免了为每一类基本图形元素分别建立接触判断算法的问题；提供了直接定位发生接触区域的方法以节省接触判断的执行步骤；建立了从多重接触信息中排除无效接触信息的判定条件，最终有效地解决了离散元法仿真中球形颗粒与复杂几何边界之间的接触判断问题的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于该方法包括以下步骤:步骤1，搜索目标颗粒的邻居网格以确定需要进行相交检测的边界三角形单元；步骤2,结合步骤I中边界三角形单元的Voronoi空间和质心坐标的符号组合以确定目标颗粒与边界三角形单元之间的初始接触信息；步骤3，判定初始接触信息的有效性并排除无效的接触信息，将有效的接触信息加入接触链表后采用基于离散元法仿真方法计算颗粒的接触力；步骤4，重复步骤I到步骤3直至识别出所有的有效接触信息。在上述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，所述目标颗粒具有球面形状，颗粒尺寸由球体半径表示。在上述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，所述的边界三角形单元基于以下定义:所述边界三角形单元是组成三角形网格的最小单元，其来源包括标准的基于三角网格的三维模型文件；所述边界三角形单元是平直不可弯曲的，组成三角形网格的边界三角形单元的数量和尺寸，决定了所表达的平面或者曲面的网格边界的几何精度。在上述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，所述的步骤I中，所述搜索目标颗粒的邻居网格采用了均匀网格划分的空间邻居搜索方法，即:将整个离散元法仿真区域规则地细分成立方体网格，从而将目标颗粒的接触检测范围缩小至离它最近的若干个立方体网格，其中立方体网格的尺寸采用如下公式计算:
权利要求
1.一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤1，搜索目标颗粒的邻居网格以确定需要进行相交检测的边界三角形单元； 步骤2,结合步骤I中边界三角形单元的Voronoi空间和质心坐标的符号组合以确定目标颗粒与边界三角形单元之间的初始接触信息； 步骤3，判定初始接触信息的有效性并排除无效的接触信息，将有效的接触信息加入接触链表后采用基于离散元法仿真方法计算颗粒的接触力； 步骤4，重复步骤I到步骤3直至识别出所有的有效接触信息。
2.根据权利要求1所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述目标颗粒具有球面形状，颗粒尺寸由球体半径表示。
3.根据权利要求1所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的边界三角形单元基于以下定义: 所述边界三角形单元是组成三角形网格的最小单元，其来源包括标准的基于三角网格的三维模型文件；所述边界三角形单元是平直不可弯曲的，组成三角形网格的边界三角形单元的数量和尺寸，决定了所表达的平面或者曲面的网格边界的几何精度。
4.根据权利要求1所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的步骤I中，所述搜索目标颗粒的邻居网格采用了均匀网格划分的空间邻居搜索方法，即:将整个离散元法仿真区域规则地细分成立方体网格，从而将目标颗粒的接触检测范围缩小至离它最近的若干个立方体网格，其中立方体网格的尺寸采用如下公式计算:
5.根据权利要求1所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的步骤2中，三角形的质心坐标具有如下的定义:
6.根据权利要求5所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的步骤2中，利用三角形的VOTonoi空间和质心坐标的符号组合确定目标颗粒与边界三角形单元之间的初始接触信息的方法涉及到以下步骤: 步骤2.1，分别计算球心C的质心坐标分量Si所对应的符号判定表达式hi;连接球心C和三角形顶点Vi的向量分别在三角形的边ei上的投影表达式gi和g/三个表达式的符号; 步骤2.2,通过Voronoi定义式计算颗粒中心C所处的区域； 步骤2.3，根据颗粒中心C所处的VOTonoi区域，用对应的计算公式求得三角形上距离C点的最近点Q ； 步骤2.4，根据公式I IQ-Cl I2 < r2判断颗粒与边界三角形是否接触； 步骤2.5，重复步骤2.1至2.4直至所有目标颗粒遍历完毕。
7.根据权利要求6所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的步骤2.3中，根据颗粒中心C所处的Voronoi区域计算最近点Q的公式如下:
8.根据权利要求6所述的一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，其特征在于，所述的步骤2中，考虑到颗粒极可能同时与多个相邻的边界三角形发生接触，这些多重接触中可能包含了无效的接触信息；假设颗粒与两个相邻的边界三角形TJPT2同时发生接触，并产生了两个初始接触信息C1和C2，基于C2的接触类型给出判定C2的有效性的条件: 条件1:若C2为面接触，则C2直接判定为有效的面接触信息； 条件1:若C2为边接触，则在两种情况下，C2为有效的边接触信息，它们分别是: A、T1与T2共顶； B、C1为点接触且T1与T2共边； 否则C2为无效的边接触信息； 条件3:若C2为点接触，则只有当C1不是点接触且T1与T2共边的情况下，C2才为有效的点接触信息，否则 C2为无效的点接触信息。
全文摘要
本发明涉及一种离散元仿真中球形颗粒与三角网格间的接触判断方法，包括以下步骤搜索目标颗粒的邻居网格以确定与之进行相交检测的边界三角形单元；结合三角形的Voronoi空间和质心坐标的符号组合以确定目标颗粒与边界三角形单元之间的初始接触信息；判定初始接触信息的有效性并排除无效的接触信息，将有效的接触信息加入接触链表，以供离散元法仿真程序计算颗粒的接触力。本发明避免了为每一类基本图形元素分别建立接触判断算法的问题；提供了直接定位发生接触区域的方法以节省接触判断的执行步骤；建立了从多重接触信息中排除无效接触信息的判定条件，最终有效地解决了离散元法仿真中球形颗粒与复杂几何边界之间的接触判断问题。
文档编号G06F17/50GK103235854SQ20131014487
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者胡国明, 胡励, 方自强, 杜俊, 张彦, 陈航 申请人:武汉大学