精确追踪变形材料表面的拓扑变化方法

需积分: 9 9 下载量 22 浏览量 更新于2024-12-27 收藏 3.41MB PDF 举报
"Deforming Meshes that Split and Merge" 这篇SIG09的文章主要探讨了一种针对变形材料表面跟踪的创新方法,该方法能够有效地处理拓扑变化,如网格的分裂和合并。作者采用拉格朗日表面跟踪技术,利用三角网格作为表面表示,以保留精细的特征。在特定网格分辨率下,当检测到融合或分离事件时,他们会在受影响的单元格中局部创建新的网格部分,使用标准等值面创建方法。新生成的、拓扑简化后的网格部分会与原有网格在单元边界处缝合。这种方法强调在保持细节特征的同时,对非可见部分进行简化。 该表面追踪算法不依赖于特定的可变形材料模拟方法,展示了与两种截然不同的模拟器配合的效果:一种是使用四面体元素的拉格朗日有限元法(FEM)模拟器,另一种是欧拉网格基流体模拟器。尽管该跟踪方法具有通用性,但特别适用于显示精细表面细节和大量拓扑事件的模拟。 研究亮点包括粘弹材料的合并(如复杂几何形状的物体碰撞),具有许多折叠和合并事件的拉糖动画,以及坚硬塑料材料的拉伸和切割。图1展示了在欧拉流体模拟中落下粘弹性球的例子,即使经过空气移动和地面撞击,可见表面仍能保持其细节。 这篇文章的核心知识点包括: 1. 拉格朗日表面跟踪技术:这是一种追踪变形物体表面的方法,通过跟踪物体上的固定点来模拟表面的变化。 2. 三角网格表示:使用三角形作为基本元素构建网格,可以精确地表示物体的细节特征。 3. 拓扑变化处理:在检测到网格的融合或分裂事件时,局部生成新的网格结构,并在单元边界处进行缝合,以适应拓扑变化。 4. 标准等值面创建方法:用于生成新的网格部分,确保拓扑结构的正确性。 5. 通用性与适应性:该方法能与不同类型的物理模拟器结合,如拉格朗日FEM和欧拉流体模拟,适用于各种变形场景。 6. 细节特征的保护:在进行拓扑简化时,着重保护表面的精细特征,同时简化不可见部分,以优化计算效率。 7. 应用示例:包括粘弹材料的合并、复杂的拉糖动画和塑料材料的力学行为模拟,这些都展示了方法在处理复杂拓扑事件和保持表面细节方面的有效性。 通过上述技术,研究人员和动画师能够在模拟过程中更好地捕捉和表现物体变形的动态特性,特别是在涉及拓扑变化的复杂场景中,提供更加真实和视觉上吸引人的效果。

翻译The complex 3D geometries of these submillimeter-scale robots originate from planar (2D) multilayer assemblies formed with deposition and patterning techniques used in the semiconductor industry. Figure 1 (A and B) illustrates the process of transformation that converts these 2D precursors into 3D shapes for the case of a design inspired by the geometry of a peekytoe crab (Cancer irroratus) but engineered to a much smaller dimensions (~1/150 of the actual size; fig. S1). The precursors incorporate layers of SMA (nitinol; 2.5 m in thickness) as a collection of dynamic mechanical joints for locomotion, a film of polyimide (PI; ~8 m in thickness) as a static skeleton for structural support, and pads of silicon dioxide (SiO2; 100 nm in thickness) as bonding sites in the 2D to 3D transformation process (left frames in Fig. 1, A and B). This process begins with transfer printing to deliver these 2D precursors onto the surface of a prestretched silicone elastomer (Dragon Skin 10 Slow, ~500 m in thickness) that supports structures of polydimethylsiloxane (PDMS; blocks) located near the claws and back legs (middle frame in Fig. 1B). Releasing the prestrain imposes compressive stresses at the bonding sites, with forces sufficient to convert the 2D structures into 3D architectures via a set of controlled bending/ twisting deformations and translational/rotational motions (31, 32). During this process, the distance between the two PDMS blocks also decreases, thereby deforming the claws and back legs. This transformation involves peak strains (<4%) that lie below the maximum phase transition strain of the SMA (right frame in Fig. 1B).

2023-06-12 上传
2023-05-24 上传