Parallel‐optimizing SPH fluid simulation for realistic VR environments

In virtual environments, real‐time simulation and rendering of dynamic fluids have always been the pursuit for virtual reality research. In this paper, we present a real‐time framework for realistic fluid simulation and rendering on graphics processing unit. Because of the high demand for interactive fluids with larger particle set, the computational need is becoming higher. The proposed framework can effectively reduce the computational burden through avoiding the computation in inactive areas, where many particles with similar properties and low local pressure cluster together. While in active areas, the computation is fully carried out; thus, the fluid dynamics are largely preserved. Here, a robust particle classification technique is introduced to classify particles into either active or inactive. The test results have shown that the technique improves the time performance of fluid simulation largely. We then incorporate parallel surface reconstruction technique using marching cubes to extract the surfaces of the fluid. The introduced histogram pyramid‐based marching cubes technique is fast and memory efficiency. As a result, we are able to produce plausible and interactive fluids with the proposed framework for large‐scale virtual environments. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Characterizing secondary debris impact ejecta

All spacecraft in low earth orbit are subject to high-speed impacts by meteoroids and orbital debris particles. These impacts can damage flight-critical systems, which can in turn lead to catastrophic failure of the spacecraft. In addition to threatening the operation of the spacecraft itself, on-orbit impacts also generate a significant amount of damaging ricochet ejecta particles. These high-speed particles can destroy critical external spacecraft subsystems, which also poses a threat to the spacecraft and its inhabitants. Since the majority of on-orbit debris impacts are expected to occur at oblique angles, the characterization of ricochet debris created in an orbital debris particle impact is an issue that must be addressed. This paper presents the results of a study performed to develop an empirical model that characterizes the secondary ejecta created by a high speed impact on a typical aerospace structural surface. Specifically, the model predicts the spread and trajectory of ricochet debris particles created in a hypervelocity impact as well as the size an velocity of the most damage particle in the ricochet debris cloud. Results obtained using the model are compared with experimental results and predictions obtained in a previous study.     

模拟战斗部对混凝土侵彻与爆炸耦合作用的计算

利用SPH算法给出战斗部对混凝土先侵彻后爆炸的数值分析.在侵彻阶段弹体划分成Lagrangian标准有限元网格,而混凝土则划分成光滑粒子.在启动炸药爆轰计算前将弹体材料的有限元网格也转换成光滑粒子.给出了中止爆炸计算的准则.通过侵彻与爆炸耦合的二维计算给出了弹坑的最终体积和战斗部壳体膨胀速度的历史曲线及爆轰产物的压力过程曲线,其中最大压力与C-J爆轰压力一致,这说明本文算法是有效的.     

锆钢爆炸复合板界面波形影响参数研究

为了研究爆炸焊接参数对锆钢复合板界面波的影响,对锆钢进行了小倾角法爆炸焊接,在不同碰撞速度和碰撞角条件下,得到了连续变化的界面波。通过对界面波进行金相显微观察,测量了不同位置界面波的波长和波高。采用SPH无网格方法对小倾角法爆炸焊接过程进行了数值模拟,计算出了不同位置的碰撞速度、碰撞角、比压强。研究表明,碰撞速度和碰撞角是影响界面波形的关键参数,当碰撞速度为493 m/s,碰撞角为9.8°时,开始产生界面波。随着碰撞速度和碰撞角的增加,界面波波长逐渐增加,比波长先减小后增加。     

SPH方法在冲击破坏中的爆炸现象分析

由于SPH方法已被广泛应用到工程模拟的各个方面,虽然已有很大成功,但是还有很多的方面不成熟,其中之一就是爆炸现象,笔者对这种现象产生的原因进行了分析。     

液体纵荡SPH法模拟中两种不同外激励加载方式的比较研究

液体纵荡是一种复杂的流体运动现象,自由液面的存在使得该现象具有很强的非线性和随机性。在基于SPH法的二维矩形容器内液体纵荡研究中,存在边壁加载和相对加速度加载两种不同的外激励加载方式。该文分别采用这两种加载方式,获得其在不同外激励振幅、不同外激励周期及不同水深下的计算结果,通过对容器内某一截面位置的液面波动曲线及其波动频谱图的分析,同时将上述结果与理论解作对比,探讨了在液体纵荡问题研究中这两种加载方式的异同。分析结果表明:在不同振幅外激励作用下,边壁加载方式较相对加速度加载方式所得结果更接近于理论解;当外激励周期与理论固有周期接近时,边壁加载方式和相对加速度加载方式所得结果比较一致;而当外激励周期与理论固有周期远离时,边壁加载方式所得结果更接近于理论解;在不同水深下,边壁加载和相对加速度加载方式下的计算结果均比较一致。     

SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程

针对Eulerian和ALE(arbitrary lagriange eulerian)方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限性,提出采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)耦合FEM(finite element method)的方法研究后混式磨料水射流喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用SPH建模,磨料粒子、喷嘴和工件用FEM建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程;单磨粒在喷嘴中的运动轨迹;不同直径的磨料粒子在不同水压作用下的速度变化过程;不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律;磨料粒子在工件上的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.     

基于SPH方法对不同药型罩线性聚能射流形成及后效侵彻过程的模拟

为了解决传统基于网格的数值方法在模拟线性聚能射流问题时因大变形而导致网格畸变使计算难以进行的问题,本文通过自编程实现的光滑粒子法（SPH）对不同药型罩线性聚能装药射流形成及其侵彻金属靶板的过程开展了数值模拟研究,所实现的算法可以为线性聚能射流数值模拟研究提供新途径。本文所开展的研究首先基于已有的线性聚能射流试验模型进行模拟分析,采用SPH方法有效实现了线性聚能射流的形成过程,数值模拟获得的射流头部速度与试验比对误差在10%以内。然后建立了装药质量、药型罩质量和装药横截面宽度相同的前提下不同药型罩线性聚能射流模型,数值模拟获得不同药型罩形成的射流特征以及侵彻金属靶板的开口宽度和侵彻深度随时间的变化规律。研究得到的不同药型罩线性聚能射流形成及后效侵彻规律可为线性聚能射流的设计提供参考。     

SODF-SPH方法及其在热传导问题中的应用

在光滑粒子流体动力学(SPH)原理的基础上,通过泰勒级数展开提出了计算函数二阶偏导数的SODF-SPH方法。选用相等的粒子间距和相同的光滑长度对一维热传导问题进行了计算和模拟,与传统SPH方法进行了对比分析,结果表明新方法的精度高、收敛速度快且稳定性好;对二维和三维各种热传导问题进行了计算和模拟,与解析解进行了对比,结果表明新方法得到的计算结果与解析解吻合良好。新方法的计算过程能避免计算核函数导数,致使对核函数的要求降低,可选用更多的核函数且计算量较小,可在工程和数值计算中广泛应用。