基于物质点方法的山体滑坡灾害场景模拟

论文摘要

自然场景的真实感模拟,一直是计算机图形学领域研究的热点和难点。其中灾难场景的仿真技术,在减灾防灾、影视特效制作等领域都有重要的应用价值。山体滑坡灾害现象,由于其对坡地附近地区的道路交通及人民生命财产有着严重危害效果,各国政府对此日益重视并采取措施加以防范。但至今在计算机图形学领域,尚无对此灾害现象进行动态建模和绘制的研究工作。为克服这一缺陷,本文针对山体滑坡现象的特点,提出了一种基于物质点方法(Material Point Method,简称:MPM)来模拟山体滑坡灾害现象的动态过程。由于MPM擅长于对连续弹塑性材质的模拟,为了模拟山体滑坡现象中连续土介质颗粒流,我们在模拟框架中引入了物质点方法(MPM)作为计算基础。为真实感地模拟土石介质的破碎、内摩擦以及流动等动力学特性,我们在山体滑坡的屈服面模型中引入土力学中的修正剑桥模型,通过将变形梯度投影到屈服面上,实现了变形梯度的塑性部分以及弹性部分的分离,并简化了修正剑桥模型的硬软化计算参数,从而能较为逼真地模拟山体滑坡中土石固体流的运动演化。为模拟山体滑坡现象中土石材质之间的相互作用,我们引入了一种基于水平集(Level Set)的双向流固耦合方法加以模拟。为提高动态场景的模拟效率,我们将水平集中的符号距离场(SDFs)计算在MPM框架下通过GPU并行化计算处理,提高了碰撞检测的效率,从而加速了大规模复杂的山体滑坡动态场景的模拟。在此基础上,我们实现了一个山体滑坡灾害场景的模拟生成系统,能较为真实地模拟山体滑坡景象发生时山石滚落、土石崩塌、土石流的流动及吞没公路和车辆并最终堆积成型的动态过程。文中的实验结果及效率分析对比证明了本文方法的有效性及其应用潜力。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.2.1 流体模拟

1.2.2 颗粒状材质模拟

1.2.3 双向流固耦合模拟

1.2.4 山体滑坡

1.3 本文研究内容

1.4 文章组织架构

第2章物质点方法与土石流模拟

2.1 引言

2.2 物质点方法

2.3 本构模型

2.3.1 基本概念

2.3.2 超弹性模型

2.4 MPM算法流程描述

2.4.1 离散化处理

2.4.2 半隐式速度更新

2.4.3 更新变形梯度

2.4.4 处理塑性流动以及硬化

2.5 土石的颗粒流模拟

2.5.1 土石的弹塑性模型

2.6 修正剑桥模型

2.6.1 修正剑桥模型临界状态线

2.6.2 修正剑桥模型屈服准则

2.6.3 修正剑桥模型硬化以及软化表现

2.7 修正剑桥模型屈服面算法描述

2.7.1 将变形梯度投影到屈服面

2.7.2 硬化及软化

2.8 结果分析

c参数的土堆积情况对比'> 2.8.1 场景模拟一:不同P_c参数的土堆积情况对比

2.8.2 场景模拟二: 不同M参数的土堆积情形对比

2.9 本章小结

第3章基于Level Set的土石双向流固耦合

3.1 引言

3.2 水平集方法

3.2.1 水平集与梯度

3.2.2 符号距离函数

3.3 固体颗粒与刚体之间的耦合

3.4 水平集算法以及基于CUDA的加速

3.5 地形生成以及碰撞检测

3.6 结果分析

3.6.1 场景模拟三:不同密度的石块陷入到土中

3.6.2 场景模拟四:石块落入到沙土中场景

3.6.3 GPU的加速效果对比

3.7 本章小结

第4章山体滑坡灾难场景模拟仿真系统

4.1 山体滑坡景象

4.1.1 山体滑坡动态过程的实现框架

4.2 模拟系统的软硬件配置

4.2.1 模拟仿真系统的硬件配置

4.2.2 模拟仿真系统的软件平台

4.2.3 模拟结果展示

4.2.4 场景模拟效果分析对比

4.3 本章小结

第5章总结和展望

5.1 工作总结

5.2 未来工作的展望

参考文献

读硕士学位期间主要的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵建旺

导师: 王章野

关键词: 自然灾害模拟,山体滑坡,物质点法,土力学,修正剑桥模型,双向流固耦合,加速

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,计算机软件及计算机应用

单位: 浙江大学

分类号: P642.22;TP391.41

总页数: 70

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