Fast Corotated Elastic SPH Solids with Implicit Zero-Energy Mode Control

光滑粒子流体力学 计算 基质(化学分析) 有限元法 刚度矩阵 弹性能 经典力学 物理 机械 计算机科学 算法 材料科学 量子力学 热力学 复合材料
作者
Tassilo Kugelstadt,Jan Bender,José Antonio Fernández-Fernández,Stefan Rhys Jeske,Fabian Löschner,Andreas Longva
出处
期刊:Proceedings of the ACM on computer graphics and interactive techniques [Association for Computing Machinery]
卷期号:4 (3): 1-21 被引量:13
标识
DOI:10.1145/3480142
摘要

We develop a new operator splitting formulation for the simulation of corotated linearly elastic solids with Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Based on the technique of Kugelstadt et al. [2018] originally developed for the Finite Element Method (FEM), we split the elastic energy into two separate terms corresponding to stretching and volume conservation, and based on this principle, we design a splitting scheme compatible with SPH. The operator splitting scheme enables us to treat the two terms separately, and because the stretching forces lead to a stiffness matrix that is constant in time, we are able to prefactor the system matrix for the implicit integration step. Solid-solid contact and fluid-solid interaction is achieved through a unified pressure solve. We demonstrate more than an order of magnitude improvement in computation time compared to a state-of-the-art SPH simulator for elastic solids. We further improve the stability and reliability of the simulation through several additional contributions. We introduce a new implicit penalty mechanism that suppresses zero-energy modes inherent in the SPH formulation for elastic solids, and present a new, physics-inspired sampling algorithm for generating high-quality particle distributions for the rest shape of an elastic solid. We finally also devise an efficient method for interpolating vertex positions of a high-resolution surface mesh based on the SPH particle positions for use in high-fidelity visualization.
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