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。可是，看了這么多影片中真實、美麗又震撼的特效，你知道這些冰雪、水流效果是如何產生的么？今天，就帶領大家一起探究下其背后的技術——無網格算法。
無網格方法起源于19世紀70年代。1977年，Lucy L B、Gingold R A等人首次提出了光滑質點流體動力學方法（SPH），并將該方法成功應用于天體物理的領域中。20世紀90年代，國際計算力學界掀起了無網格法的研究熱潮，涌現了近10種無網格方法，主要包括：輻射元法(DEM)、無網格Galerkin法(EFG)、有限點法(FPM)、Hp云團法(Hp clouds)、無網格局部Petrov Galerkin法(MLPG)、單元分解法（PUM)、物質點法（MPM）等。
經過40多年的發展，無網格方法已經在高速沖擊以及爆炸、斷裂力學、結構超大變形、優化、流固耦合和自由表面流動、生物力學、微納米力學等問題上有了成功的應用。尤其隨著高性能計算技術的發展，無網格方法也越來越受到各行各業工程師們的青睞。
1 電影工業特效的虛擬仿真
在電影工業中，經常需要模擬大量復雜的自然現象。為了將這些自然現象或超自然現象的整體效果真實地展現在大屏幕上，電影制造公司做了大量嘗試。在計算機能力不足的年代，工業特效常用實拍+后期剪輯的手段完成。隨著科技進步，電腦特效技術的發展，大量虛擬特效手段用于電影后期處理，扮演了電影工業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》中就大量應用了MPM方法（粒子方法的一種）對冰雪進行真實的模擬。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現，尤其是水流的模擬和控制。為了真實的模擬水流，虛擬仿真人員大量采用SPH方法進行模擬，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方法對流體進行虛擬仿真。
圖3 SPH方法流體虛擬仿真
2 制造工業的虛擬仿真
除廣泛應用于電影工業外，無網格方法在制造工業領域也得到了大量的應用。由于無網格方法不依賴于網格，擺脫了傳統FEM方法對網格的依賴性和網格尺寸敏感性的限制，因此適用于成型工藝、大變形分析、高速沖擊分析等領域。
今天就帶大家認識一款具有自主知識產權并應用于制造工業的無網格仿真分析軟件——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，解決了傳統仿真軟件難以解決的高度非線性等復雜工程問題。利用其無需網格的特性和在處理非線性問題方面的優勢，可以快速建立結構的高精度細節模型，具有高度的精確性和方便性，為模擬大變形問題、高速動力學問題、復雜接觸問題、材料退化和失效問題提供精確、強大和高效的仿真求解手段，有利于縮短研發周期、降低研發成本。
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。利用校正函數和場函數通過影響域內的點的插值重構位移場函數，進行求解，得到準確的場分布，提高了仿真的精度。位移場重構函數如下所示。
圖5 位移場函數插值
2.3 應用領域
針對傳統FEM算法無法解決的高度非線性問題，Virgo軟件可以快速進行準確求解，主要應用的行業和領域包括：
●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，巖土材料力學性能等
●土木工程——高層抗震設計等
圖6 飛機艙段墜撞仿真模擬
圖7 機翼鳥撞仿真模擬
圖8 發動機諧響應分析
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