自动化生成仿真粒子的方法

现代工程仿真软件不仅具有分析连续介质的功能，如有限元方法计算结构、流体、或电磁场。也有增强了对非连续粒子系统的计算能力，如纯粒子的分子动力学计算，离散元，光滑粒子流体动力学（SPH），以及与有限元耦合的计算。计算粒子系统的首要条件就是能够在模型中产生粒子，包含了粒子的位置，形状，和体积大小等数据。这与有限元分析需要生成含有节点和单元信息的网格类似。

在计算粒子体系时，第一步是生成粒子的位置，大小，和形状。因此，粒子生成器也就成为整个分析系统的关键部分。好的粒子生成器可以快速生成初始状态粒子，还可以根据不同的形状和边界来生成粒子。常见的自动化粒子生成方式有，晶体点阵，网络生长，和有限元网格转换。本文就讨论常见的可用于SPH系统的粒子生成方法，及其实现机理。

晶体点阵（Lattice）

使用点阵方式生成粒子是一种常见的方式，尤其适用于材料的微小尺度的计算。如材料晶体结构中常见的FCC、BCC等结构。当初始的点阵结构给定以后，粒子生成器会复 制这个结构并铺满整个区域。

对于此类型的粒子生成，需要用户提供整个模拟区域的边界，通常是一个矩形盒子，每个点阵中粒子类型，和粒子之间的位置。算法上，这也是一种简单直接的粒子生成方式，大量应用于分子动力学等粒子生成之中。

有限元网格转换

有限元网格是一种包含了节点与单元的数据，根据模型的不同，单元的类型也会不同。这种网格是有限元分析计算中的基础数据之一。代表性的有四面体和六面体实体单元网格，和三角形与四边形平面网格。网格可以表达不规则的形状，因此，转换成为粒子后，也可以表征不规则的形状。在与有限元结合的粒子系统中，这种粒子生成方式，能够方便与有限元计算进行耦合，如常见的粒子有限元和SPH分析。

转换网格到粒子的常用方法是，获取网格每个单元的重心，和单元的直径大小。以此确定每个粒子的位置和大小。原则上每个单元会对应生成一个粒子。由于有限元网格的密度可能不均匀，以此方法生成的粒子分布也不均匀。有时需要再将生成的粒子进行均匀化处理。对于位于边界的粒子，可能还需要标记额外的内容，以方便在后续的分析中施加边界条件。如流体动力学计算(CFD)中，会在某个流入边界中不断生成粒子进入仿真区域。WELSIM已经能够根据有限元网格生成粒子的功能。

基于网络增长生成

另一种常见的粒子生成方式是通过网络增长，具体的算法上常使用树与分支的方式。初始一个树状结构的主干，允许分支在固定区域内按照一定方式生长，生成新的节点，即粒子。在输入起始点和第二个点，片段长度，梯度，初始形状等参数后。这种生成方式的核心是如何创立新的分支，通常的做法是，如果新节点与当前某个节点位置很近，或者都属于同一个父节点，则不会生成这个新节点（分支）。基于网格生成粒子的方法使用了随机数，因此生成的粒子会有一定的随机性。

总结

本文介绍了仿真软件中，自动化生成粒子的常用方法。对于有限元相关的软件，网格转化为粒子的方式更为实用，可以直接将生成的粒子应用于有限元耦合计算中。通用有限元软件WELSIM已经支持了从网格到粒子的转化，用户还可以将生成的粒子导出，用于其他类型的分析。