基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有限元及離散元等數(shù)值模擬方法目前被廣泛應(yīng)用在土木、機械、化工、冶金、農(nóng)業(yè)、制藥、環(huán)境等各項領(lǐng)域，用于模擬規(guī)則或不規(guī)則顆?；蛘卟牧?不連續(xù)介質(zhì))的運動受力行為。離散元法的基本原理是以離散單元之間的相對位移為基本變量，通過力與相對位移的關(guān)系得到單元間的法向和切向的作用力并得到外力合力和合力矩。再根據(jù)牛頓第二定律，獲得單元的加速度，進而積分得到單元的速度、位移等物理量。循環(huán)反復(fù)，加以表征顆粒單元的實時運動軌跡和受力行為。
[0003]離散元的數(shù)值模擬是通過數(shù)以萬計次數(shù)的迭代完成的，每一次迭代過程的準(zhǔn)確度直接影響到整個離散元模擬結(jié)果的精度。同時，數(shù)值模擬的過程中不可避免地需要對各種各樣的實際問題進行假設(shè)、簡化、甚至是改變。當(dāng)所需要解決的實際問題是一個比較復(fù)雜的過程的時候，離散元的數(shù)值模擬精度和累計誤差往往成為研究人員難以克服的一個瓶頸。因此，在解決大型工程問題，預(yù)測材料和結(jié)構(gòu)的性能時，傳統(tǒng)的離散元等數(shù)值模擬方法還往往依賴于昂貴、復(fù)雜、甚至是危險的現(xiàn)場實驗作為后期校核的手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種簡便、可靠、高效地提高離散元等數(shù)值模擬計算方法精度的基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法，其特征是:包括下列步驟:
(1)數(shù)值模擬顆粒的形成
a)選擇欲進行模擬的實際顆粒并通過成像技術(shù)獲得其三維視圖及側(cè)面、頂面、正面圖；
b)通過對三維視圖的正交延展，形成一個由這三個面構(gòu)成的正交多面體；
c)取正交多面體在三個方向上重疊的公共部分，獲得和原顆粒形狀完全相似的模擬顆粒；
(2)智能顆粒傳感設(shè)備制造
(3)“離散介質(zhì)實時交互優(yōu)化法則”及其應(yīng)用
a)實驗室顆粒實驗:在一個既定容器中放入大小和形狀不同的顆粒，并隨機摻入若干已知形狀和大小的智能顆粒，通過加入縱向重復(fù)荷載力，顆粒的運動狀態(tài)、受力狀態(tài)和位置也將隨之改變，加載過程中，智能顆粒實時輸出運動狀態(tài)、位置、和受力情況的數(shù)據(jù)；
b)建立離散元模型:在計算機離散元模擬中建立與實驗室相同的虛擬實驗?zāi)Ｐ?，其中智能顆粒的形狀大小位置完全采用智能顆粒的初始數(shù)據(jù)；同時，整個實驗?zāi)Ｐ捅痪W(wǎng)格化，以智能顆粒作為基準(zhǔn)點；
c)離散元模擬虛擬實驗過程: 將實驗?zāi)Ｐ鸵灾悄茴w粒為基準(zhǔn)點進行網(wǎng)格化;一旦基準(zhǔn)點的智能顆粒的運動軌跡參數(shù)可知，那么其他顆粒和整個結(jié)構(gòu)的運動軌跡參數(shù)也可以通過形函數(shù)而被準(zhǔn)確獲得；
利用智能顆粒獲得特定時間點的顆粒運動軌跡，并及時與離散元計算結(jié)果加以比較，通過“卡曼過濾器”對離散元的預(yù)測結(jié)果進行實時更新，優(yōu)化離散元對結(jié)點運動軌跡的預(yù)測精度；
根據(jù)所建立的形函數(shù)，對離散元在該時間點所預(yù)測的所有實驗顆粒的運動軌跡和受力狀態(tài)等參數(shù)進行優(yōu)化;下一次迭代運算在優(yōu)化后結(jié)果的基礎(chǔ)上進行。
[0006]本發(fā)明簡便、可靠、可高效地提高離散元等數(shù)值模擬計算方法精度;可以被廣泛地應(yīng)用于土木、機械、化工、冶金、農(nóng)業(yè)、制藥、環(huán)境等各項領(lǐng)域，對復(fù)雜、昂貴、耗時、危險的很多實驗、現(xiàn)象進行模擬，解決工程實際問題，預(yù)測結(jié)構(gòu)、材料、系統(tǒng)性能。
【附圖說明】
[0007]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0008]圖1是數(shù)值模擬顆粒形成過程示意圖。
[0009]圖2是摻入了智能顆粒的實驗室顆粒實驗示意圖。
[0010]圖3是基于“離散介質(zhì)實時交互優(yōu)化法則”的離散計算示意圖。
【具體實施方式】
[0011 ] 一種基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法，包括下列步驟:
(1)數(shù)值模擬顆粒的形成
a)選擇欲進行模擬的實際顆粒并通過成像技術(shù)獲得其三維視圖及側(cè)面、頂面、正面圖；
b)通過對三維視圖的正交延展，形成一個由這三個面構(gòu)成的正交多面體；
c)取正交多面體在三個方向上重疊的公共部分，獲得和原顆粒形狀完全相似的模擬顆粒；
(2)智能顆粒傳感設(shè)備制造;具體方法可以按照中國專利ZL201410094018.1進行； 例如:根據(jù)獲得的需模擬顆粒的形態(tài)數(shù)據(jù)，采用3D打印技術(shù)，得到智能顆粒的外殼;在智能顆粒的內(nèi)部放置可以實時獲得顆粒運動形態(tài)、位置和表面受力狀態(tài)的傳感設(shè)備；
(3)“離散介質(zhì)實時交互優(yōu)化法則”及其應(yīng)用
a)實驗室顆粒實驗:在一個既定容器中放入大小和形狀不同的顆粒，并隨機摻入若干已知形狀和大小的智能顆粒。通過加入縱向重復(fù)荷載力(力的大小速率固定，但次數(shù)不斷增加)，顆粒的運動狀態(tài)、受力狀態(tài)和位置也將隨之改變。加載過程中，智能顆?？梢詫崟r輸出運動狀態(tài)(轉(zhuǎn)動平移等)、位置、和受力情況的數(shù)據(jù)；
b)建立離散元模型:在計算機離散元模擬中建立與實驗室相同的虛擬實驗?zāi)Ｐ停渲兄悄茴w粒的形狀大小位置完全采用智能顆粒的初始數(shù)據(jù)；同時，整個實驗?zāi)Ｐ捅痪W(wǎng)格化，以智能顆粒作為基準(zhǔn)點；
c)離散元模擬虛擬實驗過程:
將實驗?zāi)Ｐ鸵灾悄茴w粒為基準(zhǔn)點進行網(wǎng)格化;一旦基準(zhǔn)點的智能顆粒的運動軌跡參數(shù)可知，那么其他顆粒和整個結(jié)構(gòu)的運動軌跡參數(shù)也可以通過形函數(shù)而被準(zhǔn)確獲得;此原理類似于有限元的網(wǎng)格劃分和性能預(yù)測。
[0012]利用智能顆粒獲得特定時間點(可以是一次或多次循環(huán)迭代等)的顆粒運動軌跡，并及時與離散元計算結(jié)果加以比較，通過“卡曼過濾器(KALMAN FILTER)”對離散元的預(yù)測結(jié)果進行實時更新，優(yōu)化離散元對結(jié)點運動軌跡的預(yù)測精度；
根據(jù)所建立的形函數(shù)，對離散元在該時間點所預(yù)測的所有實驗顆粒的運動軌跡和受力狀態(tài)等參數(shù)進行優(yōu)化;下一次迭代運算在優(yōu)化后結(jié)果的基礎(chǔ)上進行，從而最大化的減少誤差累積，提高預(yù)測精度。
[0013]整個模擬優(yōu)化過程可以循環(huán)反復(fù)，從而最終達(dá)到對系統(tǒng)的運動受力方式的準(zhǔn)確預(yù)測。
【主權(quán)項】
1.一種基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法，其特征是:包括下列步驟: (1)數(shù)值模擬顆粒的形成 a)選擇欲進行模擬的實際顆粒并通過成像技術(shù)獲得其三維視圖及側(cè)面、頂面、正面圖； b)通過對三維視圖的正交延展，形成一個由這三個面構(gòu)成的正交多面體； c)取正交多面體在三個方向上重疊的公共部分，獲得和原顆粒形狀完全相似的模擬顆粒； (2)智能顆粒傳感設(shè)備制造 (3)“離散介質(zhì)實時交互優(yōu)化法則”及其應(yīng)用 a)實驗室顆粒實驗:在一個既定容器中放入大小和形狀不同的顆粒，并隨機摻入若干已知形狀和大小的智能顆粒，通過加入縱向重復(fù)荷載力，顆粒的運動狀態(tài)、受力狀態(tài)和位置也將隨之改變，加載過程中，智能顆粒實時輸出運動狀態(tài)、位置、和受力情況的數(shù)據(jù)； b)建立離散元模型:在計算機離散元模擬中建立與實驗室相同的虛擬實驗?zāi)Ｐ?，其中智能顆粒的形狀大小位置完全采用智能顆粒的初始數(shù)據(jù)；同時，整個實驗?zāi)Ｐ捅痪W(wǎng)格化，以智能顆粒作為基準(zhǔn)點； c )離散元模擬虛擬實驗過程: 將實驗?zāi)Ｐ鸵灾悄茴w粒為基準(zhǔn)點進行網(wǎng)格化;一旦基準(zhǔn)點的智能顆粒的運動軌跡參數(shù)可知，那么其他顆粒和整個結(jié)構(gòu)的運動軌跡參數(shù)也可以通過形函數(shù)而被準(zhǔn)確獲得； 利用智能顆粒獲得特定時間點的顆粒運動軌跡，并及時與離散元計算結(jié)果加以比較，通過“卡曼過濾器”對離散元的預(yù)測結(jié)果進行實時更新，優(yōu)化離散元對結(jié)點運動軌跡的預(yù)測精度； 根據(jù)所建立的形函數(shù)，對離散元在該時間點所預(yù)測的所有實驗顆粒的運動軌跡和受力狀態(tài)等參數(shù)進行優(yōu)化;下一次迭代運算在優(yōu)化后結(jié)果的基礎(chǔ)上進行。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于軟硬件實時交互優(yōu)化的計算方法，包括數(shù)值模擬顆粒的形成、智能顆粒傳感設(shè)備制造、“離散介質(zhì)實時交互優(yōu)化法則”及其應(yīng)用等步驟。本發(fā)明簡便、可靠、可高效地提高離散元等數(shù)值模擬計算方法精度；可以被廣泛地應(yīng)用于土木、機械、化工、冶金、農(nóng)業(yè)、制藥、環(huán)境等各項領(lǐng)域，對復(fù)雜、昂貴、耗時、危險的很多實驗、現(xiàn)象進行模擬，解決工程實際問題，預(yù)測結(jié)構(gòu)、材料、系統(tǒng)性能。
【IPC分類】G06F17/50, G06T17/00
【公開號】CN105677983
【申請?zhí)枴緾N201610011844
【發(fā)明人】沈士蕙, 黃海
【申請人】沈士蕙, 黃海
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月11日