面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法及系统与流程

本发明属于离散元仿真软件，特别是涉及一种在dem（离散元法）计算中对复杂壁面建立六自由度运动对象，并在dem时间步推进过程中自动更新其位置、姿态、速度和角速度的方法，本发明可应用于通用离散元软件或其他离散元仿真平台中，尤其适用于包含stl/obj/cad（stl/obj是一种3d模型文件格式，cad是计算机辅助设计或者泛指3d设计软件）转换壁面、复杂曲面壁面、旋转部件、往复部件、摆动部件、复合运动机构或外部轨迹驱动边界的颗粒体系仿真。

背景技术：

1、在离散元仿真中，固定壁面、简单平移壁面或单轴旋转壁面通常可以通过简单边界条件描述。然而，在工程设备仿真中，壁面往往具有复杂几何外形和复杂运动规律，例如拨料叶片、异形转子、摆动挡板、振动筛面、翻转料斗、螺旋输送部件、复杂曲面容器或多运动部件组合机构。上述复杂壁面不仅需要描述三维几何，还需要在计算过程中持续更新位置、姿态、速度和角速度。

2、现有处理方式通常存在以下问题：

3、1、复杂壁面几何、运动函数、旋转中心、运动约束等分散配置，缺少面向dem计算的统一六自由度运动对象表达。

4、2、部分方法只支持简单平移或单轴旋转，难以表达三向平移与三向转动叠加的复合运动，尤其不便处理绕任意参考点旋转、先平移后旋转、分段运动或多自由度耦合运动。

5、3、如果直接对壁面全局节点进行逐步累积变换，可能产生几何误差、姿态漂移、网格更新不一致或壁面运动状态与dem时间步不同步的问题。

6、4、复杂壁面在每个dem时间步中的位置、姿态、速度和角速度没有被统一更新，导致后续颗粒—壁面接触检测、相对速度计算和接触力计算难以准确反映运动边界状态。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法及系统，通过为复杂壁面建立六自由度运动对象，统一保存局部坐标系、复杂壁面的运动参考点、运动驱动信息（运动函数或外部输入运动信息），并在每个dem时间步中自动更新其位置、姿态、速度和角速度，从而实现复杂壁面的自动化、连续化和一致性更新。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

3、本发明提供一种面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，包括以下步骤：

4、s1、获取复杂壁面的几何模型，并建立复杂壁面的局部坐标系，确定复杂壁面的运动参考点c，保存局部坐标系下几何模型作为参考几何及运动参考点c；

5、s2、构建复杂壁面的六自由度运动对象，为六自由度运动对象绑定运动驱动信息，运动驱动信息为运动函数或外部输入运动信息；

6、s3、在dem计算的每个时间步δt内，根据局部坐标下参考几何、运动参考点c、及运动驱动信息，计算复杂壁面在当前时间步的位置、姿态、速度和角速度，并计算离散元颗粒与复杂壁面任一点接触时每一接触点的速度；

7、s4、判断运动驱动信息是否含有运动约束，若是则进入s5，若否则进入s7；

8、s5、根据运动约束，对计算出的位置、姿态、速度或角速度进行自由度约束处理，使复杂壁面表达受约束六自由度运动；

9、s6、根据约束处理后的位置、姿态、速度和角速度更新复杂壁面在当前时间步的运动状态，并将更新后运动状态和各接触点的速度输出至dem计算模块；

10、s7、以计算出的位置、姿态、速度和角速度进行更新复杂壁面在当前时间步的运动状态，并将更新后运动状态和各接触点的速度输出至dem计算模块。

11、本发明还提供一种面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新系统，包括模型坐标建立模块、六自由度构建模块、位姿自动更新模块、判断模块、约束处理模块、第一状态输出模块和第二状态输出模块；

12、模型坐标建立模块用于获取复杂壁面的几何模型，并建立复杂壁面的局部坐标系，确定复杂壁面的运动参考点c；

13、六自由度构建模块用于构建复杂壁面的六自由度运动对象，为六自由度运动对象绑定运动驱动信息，运动驱动信息为运动函数或外部输入运动信息；

14、位姿自动更新模块用于在dem计算的每个时间步δt内，根据局部坐标下运动参考点c、及运动驱动信息，计算复杂壁面在当前时间步的位置、姿态、速度和角速度，并计算离散元颗粒与复杂壁面任一点接触时每一接触点的速度；

15、判断模块用于判断运动驱动信息是否含有运动约束，在为是时调用约束处理模块，在为否时调用第二状态输出模块；

16、约束处理模块用于根据运动约束，对计算出的位置、姿态、速度或角速度进行自由度约束处理，使复杂壁面表达受约束六自由度运动；

17、第一状态输出模块用于根据约束处理后的位置、姿态、速度和角速度更新复杂壁面在当前时间步的运动状态，并将更新后运动状态和各接触点的速度输出至dem计算模块；

18、第二状态输出模块用于以计算出的位置、姿态、速度和角速度进行更新复杂壁面在当前时间步的运动状态，并将更新后运动状态和各接触点的速度输出至dem计算模块。

19、本发明还提供一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为调用存储器存储的指令，以执行上述的复杂壁面六自由度运动更新方法。

20、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述的复杂壁面六自由度运动更新方法。

21、本发明的积极进步效果在于：

22、1、本发明提高复杂壁面运动表达能力。通过构建复杂壁面的六自由度运动对象，为六自由度运动对象绑定运动驱动信息，可统一表达平移、旋转等驱动运动。

23、2、本发明减少人工配置和脚本维护。壁面几何、局部坐标、运动参考点、运动驱动信息被统一绑定，避免用户在多个位置重复设置运动参数。

24、3、本发明提高位姿更新一致性。系统在每个dem时间步中同步更新位置、姿态、速度和角速度，使壁面状态与dem计算时间保持一致。

25、4、本发明降低几何累积误差。壁面运动参考点相对于复杂壁面的几何模型（作为参考几何）始终保持不变，当前几何由参考几何和当前位姿直接映射得到，避免逐步叠加全局坐标变换导致的误差累积。

26、5、本发明提高颗粒—壁面接触计算准确性。通过输出复杂壁面的位置、姿态、速度和角速度，可准确计算运动壁面接触点速度等。

27、6、本发明增强工程可扩展性。该方法可扩展到多壁面、多部件、父子层级运动、cpu/gpu一致计算和离散元仿真软件多模块集成。

1.一种面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，s3包括：

3.如权利要求2所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，s2中，运动函数包括平移量运动函数表达式和旋转量运动函数表达式，外部输入运动信息包括离散平移轨迹和离散旋转轨迹；

4.如权利要求1所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，对于复杂壁面上的任一接触点pcontact，根据计算出的运动参考点c在当前时间步的位置pc、速度vc和角速度ωc计算该接触点速度vcontact：

5.如权利要求1所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，s5中，根据运动约束，对计算得到的位置、姿态、速度或角速度进行自由度锁定、轴向约束、范围约束、函数约束、父子约束、相位约束或接触安全约束处理。

6.如权利要求1所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，s1中，确定运动参考点c：以壁面几何质心作为参考点，以stl、obj或cad模型自带坐标原点作为参考点，以用户指定的参数作为参考点，以运动轴线上的任意点或设备装配连接点作为参考点，或以多个子壁面的父级部件参考点作为统一参考点。

7.如权利要求1所述的面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新方法，其特征在于，s2中，运动函数为线性函数、三角函数、指数函数、分段函数、钳制函数、阶跃函数、插值函数或周期函数；

8.一种面向离散元仿真的复杂壁面六自由度运动更新系统，其特征在于，包括模型坐标建立模块、六自由度构建模块、位姿自动更新模块、判断模块、约束处理模块、第一状态输出模块和第二状态输出模块；

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的复杂壁面六自由度运动更新方法。