织物仿真机理与集成化建模研究

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织物动态仿真是柔性大变形物体仿真的一个典型代表,它涉及计算机图形学的真实感显示、织物复杂的物理与机械性能分析等的理论与技术,难度较高。在视觉动画、服装CAD、虚拟试衣、织物-机械耦合系统虚拟样机等方面有较大的应用前景,对它的研究具有较高的理论意义和应用前景。本文以仿真真实度与仿真时间作为主要指标对织物仿真中的若干问题进行了研究。根据织物仿真结果及仿真模型的大量表象,解读模型的构造机理及本质,作为本研究的基础。分析了模型内部物理参数及力对质点运动规律的影响,建立与仿真结果的联系,揭示了模型的仿真规律,并建立了仿真结果的客观评价体系,指导仿真。从模型的本质及仿真规律入手,寻求兼顾仿真速度和真实性这对矛盾体的方法和条件。拓展织物仿真的研究广度,抽取柔性体及其仿真的更深层次本质,建立与刚性体及其仿真的联系,实现刚柔统一建模。首先,审视了用于织物仿真的各种模型,厘清了模型的表象,明晰了模型的构造机理,从科学层面抽象了模型。提出织物仿真模型基于几何结构与物理属性,明确了几何与物理在仿真中的各自作用,指出模型的物理属性控制模型的几何属性,对织物仿真模型研究的重点应该放在对物理属性的改进上。其次,对质点-弹簧模型仿真机理进行了深入的分析,理清了质点在力作用下的运动规律,明晰了阻尼系数在仿真中的关键作用;建立了质点的运动轨迹与仿真结果的对应关系,给出了一个能反映织物仿真客观情况的参考系,指导仿真时对模型参数的合理选择。第三,借助动力学求解质点力与运动两类问题正反求解理论,提出了一个基于广义逆运动理论的双向迭代算法,在提高仿真速度的同时,减少了失真现象,较好的兼顾了仿真的真实性与仿真速度这一对矛盾体。阐明了质点-弹簧模型逆运动的存在性,建立了逆运动的动力学微分方程,设计了双向运动合成的衔接处理算法,给出了逆运动初始位置的设定方法。并从理论和实验两方面证实了该算法可在有效缩短仿真时间的同时减少失真现象。第四,在刚柔并济的思想指导下,基于主流刚体仿真软件建立了一个具有织物属性的刚柔并济动力学仿真模型,实现织物-机械的统一建模。分析了织物-机械统一建模的必要性,提出了刚柔并济的统一建模的方法。并基于主流刚体仿真软件进行了验证性的实验,能与机械系统进行信息交互,初步实现了织物-机械的耦合。该模型既刚又柔,适应强,扩展更易。最后,对全文研究内容进行了总结,指出研究工作中存在的不足,明确了下一步的研究方向。指出目前解决织物等柔性大变形体仿真的另一个问题是提高微分方程的求解效率。对于求解方法及解的结果的表达形式,提出利用非显式解(或称为解的序列)的方法来解决与表达问题的解,以达到缩短仿真时间与提高仿真真实性两者兼顾之目标。
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