基于粒子的碎裂及大规模颗粒流仿真

Compared to the traditional key-frame animation techniques, physical-based animation can provide much more realistic scenes and visual impacts, thus resulting their vast applications on both films and video games. Unfortunately, due to the limitation of the physical theories and computing resources, the current techniques are only suitable for modeling linear materials，e.g.，a Newtonian fluid or a linear elastic body. For scenes involving a lot of discontinuities, such as avalanches, landslides, mudslides, etc., not only there lacks an appropriate theory to describe both the continuous and non-continuous part uniformly, but also the simulation is heavily burdened by the large number of debris with huge differences in both shapes and sizes.. The investigation will be primarily taken on two aspects. For the first aspect, we will develop a new fracture theory to replace the traditional continuum theory. Inspired the nonlocal idea, we use integral equations to describe how material points interact with each other, thus avoiding the singularity with the continuum theory in treating boundaries. On the second aspect, to take advantages of both the continuous and discrete models, investigation will be made on high efficient algorithms to simulate complex granular flows involving a large number of debris..

相比于传统的关键帧动画，物理仿真可以提供更加逼真的视觉效果，因而被广泛应用于影视特效、游戏等领域中。然而，传统连续介质力学理论在描述和建模非连续问题（雪崩、滑坡、泥石流等）时存在诸多困难，如碎裂边界描述上的奇异性、裂纹产生和扩展的复杂性等。同时，针对碎裂所产生的大量块体，现有算法无法有效模拟包含不同尺寸、形态的复杂颗粒流运动，因而严重制约了其在图形中的应用。. 本课题重点研究如下两方面内容：一方面侧重于非连续介质理论模型的研究，针对连续介质理论在描述不连续问题时的不足，拟采用非局部作用思想对材质进行建模，并根据空间积分方程来求解物质点的运动，从而避免基于微分的连续介质理论在处理裂纹时的奇异性。另一方面拟结合连续模型和离散模型各自在建模颗粒流运动上的优势，研究高效的可容纳不同尺寸、形态的碎片颗粒的复杂颗粒流仿真算法，从而实现碎裂全过程的高效模拟。

相比于传统的关键帧动画，物理仿真可以提供更加逼真的视觉效果，因而被广泛应用于影视特效、游戏等领域中。然而，传统连续介质力学理论在描述和建模非连续问题（雪崩、滑坡、泥石流等）时存在诸多困难。尤其是在建模包含碎裂所产生的大量块体，现有算法无法有效模拟包含不同尺寸、形态的复杂颗粒流运动，因而严重制约了其在图形中的应用。. 本课题重点研究了如下两方面内容：一方面侧重于非连续介质理论模型的研究，针对连续介质理论在描述不连续问题时的不足，采用了非局部作用思想对材质进行建模，并根据空间积分方程来求解物质点的运动，从而避免基于微分的连续介质理论在处理裂纹时的奇异性。另一方面结合了连续模型和离散模型各自在建模复杂流体上的优势，研究了高效的基于粒子以及欧拉网格的复杂流体仿真算法，从而实现了包含单相、多相以及复杂颗粒流的有效模拟。