物理仿真是基于真实世界物理规律,在计算机中虚拟地重现流体运动、弹性体形变等各种物理现象的过程。由于物理仿真能够达到很高的精度,而成本比物理实验要低,因此被广泛应用于航空航天、机械制造、生物医药等诸多领域的前期研究。影视制作中许多难以实际拍摄的场景,也是通过对流水、风沙、火焰等现象进行物理仿真,并结合高质量的渲染器,制作出的视觉特效。近年来,随着3D打印技术的发展和普及,数字化制造再次成为前沿的研究领域。将物理仿真应用于3D打印,对模型进行结构力学分析,可以及时发现设计缺陷,保证制造出模型的结构稳定;通过运动学分析,可以制造出具有特殊运动规律的模型。物理仿真的应用极大提高了数字化制造的水平。面网格在物理仿真中有着非常重要的作用。首先,薄层结构的物体(如纸张、布料、板材、气泡等)通常都是用面网格来直接表示。其次,面网格可以表示模型的表面形状,因此被广泛用于碰撞检测以及场景的实时显示。对于流体等无固定形状的物质,还可以用动态面网格追踪其自由液面。尽管自然界中真实物体都具有一定的体积,但是体网格拓扑结构和计算往往都比较复杂。因此,如果能用面网格对计算模型进行近似,就可以显著减少运算量,提高仿真速度。本文用面网格对水滴、粘性流体薄膜、塑性薄膜等三种物质进行了建模和仿真。水滴体积很小,其形状主要受表面张力的影响,因此可以忽略水滴内部的流体运动,通过面网格的直接形变进行仿真。水滴之间的融合与分裂,可以通过面网格的布尔运算及网格优化来实现。粘性流体薄膜和塑性薄膜都是薄层结构,因此用面网格可以很好地对其进行仿真。我们将其仿真技术应用于两种传统制造工艺的虚拟化:水转印和热塑成型,提出“可计算水转印刷”和“可计算热塑成型”的方法,使其能够用于三维曲面全彩着色。我们研制了这些新型工艺的原型系统,并通过实验证明了其实用性和可靠性。本文的主要贡献如下:·提出了一种基于面网格的实时水滴仿真方法。通过对水滴表面网格直接形变,对水滴的运动、水滴与亲水表面接触,以及水滴在固体表面滑动的现象进行仿真。该方法把流体仿真从三维体素简化为面网格的形变,从而使计算量大幅减少,不仅能够实时仿真,还可以让用户与水滴进行交互。·通过面网格对粘稠流体薄膜漂浮在水面上的现象进行仿真,模拟物体经过薄膜浸入水中,薄膜被拉伸并贴在物体表面的过程。我们将该现象的仿真应用于曲面着色工艺——水转印的虚拟化流程,提出“可计算水转印刷”的方法,解决了传统水转印工艺中对复杂曲面着色时,图案与模型难以精确对齐的问题。我们搭建了计算水转印的原型系统,实现了虚拟仿真、系统标定、运动控制的集成。针对复杂模型水转印过程中,水转印膜拉伸过大导致颜色失真的缺陷,我们提出了多次转印的方法。每次只在一个方向对模型局部着色,多次转移之后图案相叠加,在模型表面上共同形成目标纹理。·通过面网格对塑性薄膜进行建模,模拟软化塑料片在大气压力下产生形变,并贴在物体表面的过程。我们将该现象的仿真应用于塑料成型工艺——真空热塑成型的虚拟化流程,提出“可计算热塑成型”的方法,并结合3D打印,将带纹理的虚拟数字化模型制作成为实物模型。首先,将数字化模型作为模具,对真空成型的过程进行虚拟仿真。根据塑料片形变的仿真结果,计算出预形变图案,将其打印在透明塑料片上。通过对抽真空过程的仿真,找出塑料片与模具之间可能出现的气体空腔,据此在模型上设置排气孔,并通过3D打印制作出带有排气孔的模具。我们对一台小型真空成型机进行了改造,使塑料片上的图案能够与物体精确对齐。经过真空成型,打印的纹理就贴在了模具的表面,同时塑料片也为图案覆盖了一层透明保护壳,最终得到与数字化模型相同的实物模型。