本發(fā)明屬于顆粒分析處理，具體涉及一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、顆粒形狀會(huì)顯著影響散裝顆粒材料的力學(xué)性能，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于凸顆粒，在顆粒間單一接觸的假設(shè)下，接觸檢測(cè)和求解問(wèn)題是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，可以使用數(shù)值優(yōu)化方法，如牛頓法、levenberg-marquardt法、nelder-mead?simplex法和gilbert-johnson-keerthi法。相比之下，對(duì)于非凸顆粒，顆粒之間可能存在多個(gè)接觸，由于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法在非凸優(yōu)化問(wèn)題中存在局限性，使其無(wú)法正確找到所有接觸。

2、針對(duì)非凸顆粒接觸的研究，現(xiàn)目前主要有兩種方法，其一是將非凸顆粒分解為凸元片段，從而將非凸優(yōu)化轉(zhuǎn)換為一組凸優(yōu)化。該方法主要有以下缺點(diǎn)：其通常需要大量的凸元來(lái)以高保真度逼近光滑連續(xù)的不規(guī)則形狀顆粒，故顯著增加了整體的計(jì)算成本；其通過(guò)簡(jiǎn)單地聚集凸元無(wú)法再現(xiàn)真實(shí)的表面曲率，故難以正確實(shí)現(xiàn)基于曲率的接觸模型，例如hertz-mindlin模型。

3、因此，針對(duì)以上的技術(shù)問(wèn)題缺陷，急需設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及困難，本發(fā)明之目的在于提供一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法、系統(tǒng)及平臺(tái)，能更好地模擬顆粒在復(fù)雜流體環(huán)境中的行為；以及準(zhǔn)確地描述不規(guī)則顆粒的形狀和接觸情況，從而提高顆粒模擬的精度和準(zhǔn)確性。

2、本發(fā)明的第一目的在于提供一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法；本發(fā)明的第二目的在于提供一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理系統(tǒng)；本發(fā)明的第三目的在于提供一種基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理平臺(tái)。

3、本發(fā)明的第一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：所述方法包括如下步驟：

4、獲取不規(guī)則顆粒間的第一數(shù)據(jù)，并結(jié)合有向距離場(chǎng)生成與所述第一數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二數(shù)據(jù)；其中，所述第一數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒的表面狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述第二數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒形態(tài)表征數(shù)據(jù)；

5、根據(jù)所述第二數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判定并生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)第三數(shù)據(jù)；其中，所述第三數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的表面接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)；

6、基于有向距離場(chǎng)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的第四數(shù)據(jù)；其中，所述第四數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的接觸幾何特征數(shù)據(jù)；

7、根據(jù)所述第四數(shù)據(jù)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的力向數(shù)據(jù)，并基于所述力向數(shù)據(jù)生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的離散元數(shù)據(jù)；其中，所述力向數(shù)據(jù)包括顆粒法向力數(shù)據(jù)、顆粒摩擦力數(shù)據(jù)和顆粒接觸剪切力數(shù)據(jù)。

8、進(jìn)一步地，所述獲取不規(guī)則顆粒間的第一數(shù)據(jù)，并結(jié)合有向距離場(chǎng)生成與所述第一數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二數(shù)據(jù)，還包括：

9、創(chuàng)建至少一種不規(guī)則顆粒模型，并實(shí)時(shí)離散處理或重構(gòu)處理與所述不規(guī)則顆粒模型相對(duì)應(yīng)的不規(guī)則顆粒；其中，所述不規(guī)則顆粒模型包括超橢球顆粒模型、超二次曲面顆粒模型、球諧顆粒模型、多面體顆粒模型和水平集顆粒模型。

10、進(jìn)一步地，所述創(chuàng)建至少一種不規(guī)則顆粒模型，并實(shí)時(shí)離散處理或重構(gòu)處理與所述不規(guī)則顆粒模型相對(duì)應(yīng)的不規(guī)則顆粒，還包括：

11、初始化處理和權(quán)重處理所述不規(guī)則顆粒表面形態(tài)，生成與所述不規(guī)則顆粒表面形態(tài)相對(duì)應(yīng)的加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)；

12、逆時(shí)針順序排序處理所述加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)，并生成與所述加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的細(xì)胞質(zhì)心數(shù)據(jù)。

13、進(jìn)一步地，所述創(chuàng)建至少一種不規(guī)則顆粒模型，并實(shí)時(shí)離散處理或重構(gòu)處理與所述不規(guī)則顆粒模型相對(duì)應(yīng)的不規(guī)則顆粒，還包括：

14、實(shí)時(shí)生成并獲取與所述不規(guī)則顆粒質(zhì)心相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并變換處理所述坐標(biāo)數(shù)據(jù)；其中，坐標(biāo)變換處理的公式如下所示：

15、

16、其中，為顆粒b質(zhì)心點(diǎn)ob的坐標(biāo)，fn為法向接觸力的大小，n＝fn/fn表示法向接觸方向，λ表示一個(gè)自由參數(shù)。

17、進(jìn)一步地，所述創(chuàng)建至少一種不規(guī)則顆粒模型，并實(shí)時(shí)離散處理或重構(gòu)處理與所述不規(guī)則顆粒模型相對(duì)應(yīng)的不規(guī)則顆粒，還包括：

18、根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)構(gòu)建超橢球顆粒模型；其中，所述超橢球顆粒模型的表達(dá)式為：

19、

20、其中，rx、ry,和rz分別是在x、y和z方向上的半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度；ε1和ε2是決定顆粒塊狀性的形狀參數(shù)。

21、本發(fā)明的第二目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：所述系統(tǒng)應(yīng)用于基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法，所述系統(tǒng)包括：

22、數(shù)據(jù)獲取生成單元，用于獲取不規(guī)則顆粒間的第一數(shù)據(jù)，并結(jié)合有向距離場(chǎng)生成與所述第一數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二數(shù)據(jù)；其中，所述第一數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒的表面狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述第二數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒形態(tài)表征數(shù)據(jù)；

23、數(shù)據(jù)判定生成單元，用于根據(jù)所述第二數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判定并生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)第三數(shù)據(jù)；其中，所述第三數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的表面接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)；

24、第一數(shù)據(jù)生成單元，用于基于有向距離場(chǎng)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的第四數(shù)據(jù)；其中，所述第四數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的接觸幾何特征數(shù)據(jù)；

25、第二數(shù)據(jù)生成單元，用于根據(jù)所述第四數(shù)據(jù)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的力向數(shù)據(jù)，并基于所述力向數(shù)據(jù)生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的離散元數(shù)據(jù)；其中，所述力向數(shù)據(jù)包括顆粒法向力數(shù)據(jù)、顆粒摩擦力數(shù)據(jù)和顆粒接觸剪切力數(shù)據(jù)。

26、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)獲取生成單元，還包括：

27、第一模型創(chuàng)建模塊，用于創(chuàng)建至少一種不規(guī)則顆粒模型，并實(shí)時(shí)離散處理或重構(gòu)處理與所述不規(guī)則顆粒模型相對(duì)應(yīng)的不規(guī)則顆粒；其中，所述不規(guī)則顆粒模型包括超橢球顆粒模型、超二次曲面顆粒模型、球諧顆粒模型、多面體顆粒模型和水平集顆粒模型；

28、所述第一模型創(chuàng)建模塊，還包括：

29、第一數(shù)據(jù)生成模塊，用于初始化處理和權(quán)重處理所述不規(guī)則顆粒表面形態(tài)，生成與所述不規(guī)則顆粒表面形態(tài)相對(duì)應(yīng)的加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)；

30、第二數(shù)據(jù)生成模塊，用于逆時(shí)針順序排序處理所述加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)，并生成與所述加權(quán)質(zhì)心數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的細(xì)胞質(zhì)心數(shù)據(jù)。

31、進(jìn)一步地，所述第一模型創(chuàng)建模塊，還包括：

32、第三數(shù)據(jù)生成模塊，用于實(shí)時(shí)生成并獲取與所述不規(guī)則顆粒質(zhì)心相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并變換處理所述坐標(biāo)數(shù)據(jù)；其中，坐標(biāo)變換處理的公式如下所示：

33、

34、其中，為顆粒b質(zhì)心點(diǎn)ob的坐標(biāo)，fn為法向接觸力的大小，n＝fn/fn表示法向接觸方向，λ表示一個(gè)自由參數(shù)。

35、進(jìn)一步地，所述第一模型創(chuàng)建模塊，還包括：

36、第二模型創(chuàng)建模塊，用于根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)構(gòu)建超橢球顆粒模型；其中，所述超橢球顆粒模型的表達(dá)式為：

37、

38、其中，rx、ry,和rz分別是在x、y和z方向上的半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度；ε1和ε2是決定顆粒塊狀性的形狀參數(shù)。

39、本發(fā)明的第三目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括處理器、存儲(chǔ)器以及基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理平臺(tái)控制程序；其中在所述的處理器執(zhí)行所述的基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理平臺(tái)控制程序，所述的基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理平臺(tái)控制程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，所述的基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理平臺(tái)控制程序，實(shí)現(xiàn)所述的基于有向距離場(chǎng)的不規(guī)則顆粒離散元處理方法。

40、本發(fā)明通過(guò)方法獲取不規(guī)則顆粒間的第一數(shù)據(jù)，并結(jié)合有向距離場(chǎng)生成與所述第一數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的第二數(shù)據(jù)；其中，所述第一數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒的表面狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述第二數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒形態(tài)表征數(shù)據(jù)；根據(jù)所述第二數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判定并生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)第三數(shù)據(jù)；其中，所述第三數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的表面接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)；基于有向距離場(chǎng)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的第四數(shù)據(jù)；其中，所述第四數(shù)據(jù)為不規(guī)則顆粒間的接觸幾何特征數(shù)據(jù)；根據(jù)所述第四數(shù)據(jù)，生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的力向數(shù)據(jù)，并基于所述力向數(shù)據(jù)生成與所述不規(guī)則顆粒相對(duì)應(yīng)的離散元數(shù)據(jù)；其中，所述力向數(shù)據(jù)包括顆粒法向力數(shù)據(jù)、顆粒摩擦力數(shù)據(jù)和顆粒接觸剪切力數(shù)據(jù)。以及與所述方法相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)、平臺(tái)，能更好地模擬顆粒在復(fù)雜流體環(huán)境中的行為；以及準(zhǔn)確地描述不規(guī)則顆粒的形狀和接觸情況，從而提高顆粒模擬的精度和準(zhǔn)確性。

41、也就是說(shuō)，通過(guò)基于sdf的接觸方法，可以方便地進(jìn)行接觸檢測(cè)。結(jié)合創(chuàng)建五種粒子模型，可以替代任意形狀的粒子模型(特別是非凸粒子)，是一種準(zhǔn)確、高效的離散元處理方法。通過(guò)基于加權(quán)球心沃羅諾伊鑲嵌的方法點(diǎn)采樣方案可有效處理任意數(shù)量的表面點(diǎn)并提供靈活的控制方式。