電影中的奇幻鏡頭總是格外令人震撼，還在驚嘆于Disney影片《Frozen》中的冰系魔法么，ELSA每次出場都伴隨著飛舞的雪花，或者Disney影片《海洋奇緣》中的海嘯，以及《少年派》中的鯨魚出水，都讓觀眾置身于海洋奇幻和壯麗的場景中久久不能自拔�？墒�，看了這么多影片中真實(shí)、美麗又震撼的特效，你知道這些冰雪、水流效果是如何產(chǎn)生的么？今天，就帶領(lǐng)大家一起探究下其背后的技術(shù)——無網(wǎng)格算法。
無網(wǎng)格方法起源于19世紀(jì)70年代。1977年，Lucy L B、Gingold R A等人首次提出了光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH），并將該方法成功應(yīng)用于天體物理的領(lǐng)域中。20世紀(jì)90年代，國際計(jì)算力學(xué)界掀起了無網(wǎng)格法的研究熱潮，涌現(xiàn)了近10種無網(wǎng)格方法，主要包括：輻射元法(DEM)、無網(wǎng)格Galerkin法(EFG)、有限點(diǎn)法(FPM)、Hp云團(tuán)法(Hp clouds)、無網(wǎng)格局部Petrov Galerkin法(MLPG)、單元分解法（PUM)、物質(zhì)點(diǎn)法（MPM）等。
經(jīng)過40多年的發(fā)展，無網(wǎng)格方法已經(jīng)在高速?zèng)_擊以及爆炸、斷裂力學(xué)、結(jié)構(gòu)超大變形、優(yōu)化、流固耦合和自由表面流動(dòng)、生物力學(xué)、微納米力學(xué)等問題上有了成功的應(yīng)用。尤其隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，無網(wǎng)格方法也越來越受到各行各業(yè)工程師們的青睞。
1 電影工業(yè)特效的虛擬仿真
在電影工業(yè)中，經(jīng)常需要模擬大量復(fù)雜的自然現(xiàn)象。為了將這些自然現(xiàn)象或超自然現(xiàn)象的整體效果真實(shí)地展現(xiàn)在大屏幕上，電影制造公司做了大量嘗試。在計(jì)算機(jī)能力不足的年代，工業(yè)特效常用實(shí)拍+后期剪輯的手段完成。隨著科技進(jìn)步，電腦特效技術(shù)的發(fā)展，大量虛擬特效手段用于電影后期處理，扮演了電影工業(yè)特效中難以替代的角色。其中，基于虛擬仿真方法的特效技術(shù)成為各種好萊塢大片中常用的手段之一。
Disney影片《Frozen》中就大量應(yīng)用了MPM方法（粒子方法的一種）對冰雪進(jìn)行真實(shí)的模擬。你所看到的電影，冰雪是這么生成的。
圖1 《Frozen》冰雪效果
除了雪的模擬，流體模擬也非常難以實(shí)現(xiàn)，尤其是水流的模擬和控制。為了真實(shí)的模擬水流，虛擬仿真人員大量采用SPH方法進(jìn)行模擬，獲得了影片中各種具有視覺效果的場景。比如Disney影片《海洋奇緣》中海嘯場景，《少年派》中的鯨魚出水場景等。
圖2 電影水流效果圖
使用SPH方法對流體進(jìn)行虛擬仿真。
圖3 SPH方法流體虛擬仿真
2 制造工業(yè)的虛擬仿真
除廣泛應(yīng)用于電影工業(yè)外，無網(wǎng)格方法在制造工業(yè)領(lǐng)域也得到了大量的應(yīng)用。由于無網(wǎng)格方法不依賴于網(wǎng)格，擺脫了傳統(tǒng)FEM方法對網(wǎng)格的依賴性和網(wǎng)格尺寸敏感性的限制，因此適用于成型工藝、大變形分析、高速?zèng)_擊分析等領(lǐng)域。
今天就帶大家認(rèn)識一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)并應(yīng)用于制造工業(yè)的無網(wǎng)格仿真分析軟件——Virgo軟件。
2.1 Virgo軟件
Virgo軟件是上海索辰信息科技有限公司自主研發(fā)的通用仿真分析軟件，通過采用新一代粒子算法，解決了傳統(tǒng)仿真軟件難以解決的高度非線性等復(fù)雜工程問題。利用其無需網(wǎng)格的特性和在處理非線性問題方面的優(yōu)勢，可以快速建立結(jié)構(gòu)的高精度細(xì)節(jié)模型，具有高度的精確性和方便性，為模擬大變形問題、高速動(dòng)力學(xué)問題、復(fù)雜接觸問題、材料退化和失效問題提供精確、強(qiáng)大和高效的仿真求解手段，有利于縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。
圖4 粒子離散前處理
2.2 算法介紹
Virgo采用新一代粒子算法，通過引入修正函數(shù)施加再生條件，克服了SPH方法的不足，滿足邊界上的相容性條件并提高了求解精度。利用校正函數(shù)和場函數(shù)通過影響域內(nèi)的點(diǎn)的插值重構(gòu)位移場函數(shù)，進(jìn)行求解，得到準(zhǔn)確的場分布，提高了仿真的精度。位移場重構(gòu)函數(shù)如下所示。
圖5 位移場函數(shù)插值
2.3 應(yīng)用領(lǐng)域
針對傳統(tǒng)FEM算法無法解決的高度非線性問題，Virgo軟件可以快速進(jìn)行準(zhǔn)確求解，主要應(yīng)用的行業(yè)和領(lǐng)域包括：
●航空航天——鳥撞、墜撞等
●兵器——穿甲、侵徹等
●車輛工程——碰撞、氣囊安全等
●制造工程——沖壓、切削成型、跌落等
●巖土工程——土體滑坡，巖土材料力學(xué)性能等
●土木工程——高層抗震設(shè)計(jì)等
圖6 飛機(jī)艙段墜撞仿真模擬
圖7 機(jī)翼鳥撞仿真模擬
圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)諧響應(yīng)分析
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：從電影工業(yè)到制造工業(yè)，看無網(wǎng)格算法最新演變
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