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专利摘要

本发明公开了一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，包括以下步骤：S1、将物质离散成多个矩形单元，每个矩形单元等效为一个位于此单元中心的颗粒；S2、进行拉伸实验；S3、进行压缩实验；S4、设定初始状态，收敛标准以及碰撞界定标准；S5、计算颗粒所受的合力；S6、计算所有颗粒在该时间步的末速度和末位置；S7、对所有颗粒的末位置进行自我碰撞检测和障碍物碰撞检测和碰撞响应；S8、判断物质是否达到平衡状态，若没有则返回S5；若是则程序结束。本发明根据织物的特性引入了一个分段、非线性的函数精确表示织物的变形，解决了薄层软体物质如织物等变形后的形貌仿真不精确的问题，提高了仿真结果的准确性和扩展了仿真模型的应用前景。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202110740663.7
申请日期:
2021-06-30
专利申请人:
西南交通大学
分类号:
G06F30/25 ; G06F30/10 ; G06F113/12 ; G06F119/14
发明/设计人:
陈寅，王茜，张蒙祺
权利要求: 1.一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、给出支撑体或障碍物外表面的形状，尺寸和位置；给定织物类薄层软体物质的尺寸和形状，将织物类薄层软体物质离散成多个矩形单元，每个矩形单元等效为一个位于此单元中心的颗粒，颗粒视为一个直径等于物质厚度的球体，颗粒的重量等于该单元物质的重量；相邻两个颗粒之间的作用力视为一个结构弹簧、对角线的两个颗粒之间的作用力视为一个剪切弹簧，间隔一个颗粒的两个颗粒之间的作用力视为一个弯曲弹簧；S2、对织物类薄层软体物质进行拉伸实验，确定结构弹簧和剪切弹簧的拉力与伸长量之间的关系；S3、对织物类薄层软体物质进行压缩实验，确定结构弹簧、弯曲弹簧和剪切弹簧的压力与弹簧压缩量之间的关系；S4、设定织物类薄层软体物质的初始状态，收敛标准以及碰撞界定标准；S5、依次计算所有颗粒所受的合力；S6、依次计算所有颗粒在一个时间步内的运动，得到所有颗粒在该时间步的末速度和末位置；S7、对所有颗粒的末位置进行自我碰撞检测和障碍物碰撞检测，并根据检测结果进行碰撞响应；检测结果分为三种情况：1)存在颗粒与其他颗粒、障碍物或支撑体发生交叉行为，即颗粒与障碍物或支撑体之间的间距小于零，则将下一时间步变为原来的一半并执行S6；2)碰撞，即存在颗粒与其他颗粒、障碍物或支撑体之间的间距处于[0,l]之间时，将颗粒在S6中计算出的该颗粒的末速度以及下一时间步中的合力中的垂直碰撞面的分速度和分力变为零；3)无交叉也无碰撞，即所有颗粒与其他颗粒、障碍物或支撑体之间的间距均大于碰撞界定值l时，则将S6中计算出的末速度、末位置作为下一时间步的初始速度，初始位置，并执行下一步；S8、判断物质是否达到收敛标准，若是则结束仿真，根据所有颗粒的末位置进行插值，形成的曲面即为物质变性后的形貌；否则返回步骤S5。2.根据权利要求1所述的一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现方法为：将物质沿径向、纬向以及对角线方向分别裁剪出W×L尺寸的样品，利用拉伸实验机测量各个样品的拉力F与伸长量D；根据样品、离散单元和弹簧在尺寸之间的关系，将样品的拉力F与伸长量D转化为在经向、纬向上结构弹簧和对角线方向上剪切弹簧的拉力与伸长量之间的关系，用Fst、dst、Fsh、dsh分别表示结构弹簧的拉力、结构弹簧的伸长量、剪切弹簧的拉力、剪切弹簧的伸长量：dx，dy表示离散单元的长和宽；转换后弹簧的拉力与伸长量满足以下方程：其中和d分别表示拉力和伸长量，I＝1、2分别表示结构弹簧和剪切弹簧；利用转换后的拉伸实验数据进行拟合，获得系数3.根据权利要求1所述的一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：弹簧压力与压缩量之间的关系满足：其中和d分别表示弹簧压力和压缩量，I＝1，2，3分别表示结构弹簧，剪切弹簧和弯曲弹簧；沿经向、纬向以及对角线方向分别裁取与结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧所占据的单元数量相同的尺寸的样品；并利用压缩实验装置测量样品条的压力与压缩量，即为样品条对应的弹簧压力与压缩量之间的关系；压缩实验数据拟合出结构弹簧、弯曲弹簧以及剪切弹簧的压力和压缩量之间变形关系的系数kI。4.根据权利要求1所述的一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，所述步骤S4具体实现方法为：设定颗粒运动的时间步长为10-1～10-4s；收敛标准设为所有颗粒中最大速度或最大合力小于设定阈值；根据0和设置的碰撞界定值l将碰撞检测结果分为三种情况：1)交叉，即两颗粒之间间距小于0；2)碰撞，两颗粒之间间距在[0,l]之间；3)无交叉也无碰撞，即两颗粒直接间距大于l。5.根据权利要求1所述的一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，所述步骤S5中，颗粒所受的合力包括颗粒所受的全部弹簧的弹力、重力以及空气阻力；当计算颗粒的弹力时，首先计算该颗粒与周围颗粒的距离，利用两个颗粒变形后的距离减去两个颗粒原始距离后得到由这两个颗粒组成的弹簧的变形长度，并根据两个颗粒组成的弹簧的种类以及变形方向，根据该弹簧的拉伸或压缩变形公式得出拉力或压力大小；如果是拉力，受力方向是沿弹簧方向指向弹簧内侧，如果是压力，受力方向是沿弹簧方向指向弹簧外侧；颗粒的重力等于该颗粒所代表的单元物质的重力；空气阻力等于阻尼系数与该颗粒上一时间步的末速度之积。6.根据权利要求1所述的一种织物类薄层软体物质变形后形貌精确仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中，在每个时间步内，将所有颗粒的运动当作匀加速运动，根据牛顿第二定律依次计算所有颗粒在该时间步内的末速度、末位置。