使用太极taichi写一个只有一个三角形的有限元

news2025/2/23 23:51:34

公式来源

https://blog.csdn.net/weixin_43940314/article/details/128935230

GAME103
https://games-cn.org/games103-slides/

初始化我们的三角形

全局的坐标范围为0-1

我们的三角形如图所示

在这里插入图片描述

@ti.kernel
def init():
    X[0] = [0.5, 0.5]
    X[1] = [0.5, 0.6]
    X[2] = [0.6, 0.5]
    x[0] = X[0] + [0, 0.01]
    x[1] = X[1]
    x[2] = X[2]

X是rest pos
x是current pos

这里给一个小的增量是为了看出来被拉了,否则产生不了弹性力

公式抄录

[ f 1 f 2 ] = − A r e f F S [ X 10 X 20 ] − T \begin{bmatrix} \mathbf{f_1} & \mathbf{f_2} \end{bmatrix}= -A^{ref} \mathbf{F} \mathbf{S } \begin{bmatrix} \mathbf{X_{10}} & \mathbf{X_{20}} \end{bmatrix}^{-T} [f1f2]=ArefFS[X10X20]T

F = [ x 10 x 20 ] [ X 10 X 20 ] − 1 F=\begin{bmatrix} x_{10} & x_{20} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} X_{10} & X_{20} \end{bmatrix}^{-1} F=[x10x20][X10X20]1

S = 2 μ G + λ t r a c e ( C ) I S = 2 \mu G + \lambda trace(C) I S=2μG+λtrace(C)I

G = 1 2 ( F T F − I ) G = \frac{1}{2} (F^T F -I) G=21(FTFI)

0. 设定一下材料参数

dim=2
n_particles = 3
n_elements = 1
area = 0.1*0.1*0.5
dt = 1e-4
E, nu = 1e3, 0.33  # Young's modulus and Poisson's ratio
mu, lam = E / 2 / (1 + nu), E * nu / (1 + nu) / (1 - 2 * nu)  # Lame parameters

1 计算F

根据上面的公式,我们要先算F

@ti.kernel
def substep():
    #compute deformation gradient
    for i in range(n_elements):
        Dm =ti.Matrix([[x[1][0]-x[0][0], x[2][0]-x[0][0]], [x[1][1]-x[0][1], x[2][1]-x[0][1]]])
        Dm_inv[i] = Dm.inverse()
        Ds = ti.Matrix([[X[1][0]-X[0][0], X[2][0]-X[0][0]], [X[1][1]-X[0][1], X[2][1]-X[0][1]]])
        F[i] = Ds @ Dm_inv[i]

2 计算格林应变

#compute green strain
for i in range(n_elements):
    G[i] = 0.5 * (F[i].transpose() @ F[i] - ti.Matrix([[1, 0], [0, 1]]))

3 计算PK1

#compute second Piola Kirchhoff stress
for i in range(n_elements):
    S[i] = 2 * mu *G[i] + lam * (G[i][0,0]+G[i][1,1]) * ti.Matrix([[1, 0], [0, 1]])

4 计算粒子上的力

#compute force(先暂且就计算一个三角形的力,后面再考虑多个三角形的情况)
force_matrix =  F[0] @ S[0] @ Dm_inv[0].transpose() * area
force[1] = ti.Vector([force_matrix[0, 0], force_matrix[1, 0]])
force[2] = ti.Vector([force_matrix[0, 1], force_matrix[1, 1]])
force[0] = -force[1] - force[2]

5 加个重力

    #gravity
    for i in range(n_particles):
        force[i][1] -= 0.1

6 时间积分 同时处理边界条件

    #time integration(with boundary condition)
    eps = 0.01
    for i in range(n_particles):
        vel[i] += dt * force[i]

        #boundary condition
        cond = (x[i] < eps) & (vel[i] < 0) | (x[i] > 1) & (vel[i] > eps)
        for j in ti.static(range(dim)):
            if cond[j]:
                vel[i][j] = 0  
         
        x[i] += dt * vel[i]

完整的程序

# ref: https://blog.csdn.net/weixin_43940314/article/details/128935230

import taichi as ti
import numpy as np

ti.init(arch=ti.cpu, debug=True)

dim=2
n_particles = 3
n_elements = 1
area = 0.1*0.1*0.5
# lam = 1
# mu = 1
dt = 1e-4
E, nu = 1e3, 0.33  # Young's modulus and Poisson's ratio
mu, lam = E / 2 / (1 + nu), E * nu / (1 + nu) / (1 - 2 * nu)  # Lame parameters

x = ti.Vector.field(dim, dtype=float, shape=n_particles) #deformed position
force = ti.Vector.field(dim, dtype=float, shape=n_particles)
vel = ti.Vector.field(dim, dtype=float, shape=n_particles)
X = ti.Vector.field(dim, dtype=float, shape=n_particles) #undeformed position
S = ti.Matrix.field(n=dim, m=dim, dtype=float, shape=n_elements) #Second Piola Kirchhoff stress
F = ti.Matrix.field(n=dim, m=dim, dtype=float, shape=n_elements) #deformation gradient
G = ti.Matrix.field(n=dim, m=dim, dtype=float, shape=n_elements) #green strain


@ti.kernel
def init():
    X[0] = [0.5, 0.5]
    X[1] = [0.5, 0.6]
    X[2] = [0.6, 0.5]
    x[0] = X[0] + [0, 0.01]
    x[1] = X[1]
    x[2] = X[2]


Dm_inv = ti.Matrix.field(n=dim, m=dim, dtype=float, shape=n_elements) 
@ti.kernel
def substep():
    #compute deformation gradient
    for i in range(n_elements):
        Dm =ti.Matrix([[x[1][0]-x[0][0], x[2][0]-x[0][0]], [x[1][1]-x[0][1], x[2][1]-x[0][1]]])
        Dm_inv[i] = Dm.inverse()
        Ds = ti.Matrix([[X[1][0]-X[0][0], X[2][0]-X[0][0]], [X[1][1]-X[0][1], X[2][1]-X[0][1]]])
        F[i] = Ds @ Dm_inv[i]

    # print(F[0])

    #compute green strain
    for i in range(n_elements):
        G[i] = 0.5 * (F[i].transpose() @ F[i] - ti.Matrix([[1, 0], [0, 1]]))

    #compute second Piola Kirchhoff stress
    for i in range(n_elements):
        S[i] = 2 * mu *G[i] + lam * (G[i][0,0]+G[i][1,1]) * ti.Matrix([[1, 0], [0, 1]])

    #compute force(先暂且就计算一个三角形的力,后面再考虑多个三角形的情况)
    force_matrix =  F[0] @ S[0] @ Dm_inv[0].transpose() * area
    force[1] = ti.Vector([force_matrix[0, 0], force_matrix[1, 0]])
    force[2] = ti.Vector([force_matrix[0, 1], force_matrix[1, 1]])
    force[0] = -force[1] - force[2]

    # print(force[0])

    #gravity
    for i in range(n_particles):
        force[i][1] -= 0.1

    #time integration(with boundary condition)
    eps = 0.01
    for i in range(n_particles):
        vel[i] += dt * force[i]

        #boundary condition
        cond = (x[i] < eps) & (vel[i] < 0) | (x[i] > 1) & (vel[i] > eps)
        for j in ti.static(range(dim)):
            if cond[j]:
                vel[i][j] = 0  
         
        x[i] += dt * vel[i]



def main():
    init()
    gui = ti.GUI('my', (1024, 1024))
    while gui.running:
        for e in gui.get_events():
            if e.key == gui.ESCAPE:
                gui.running = False
            elif e.key == 'r':
                init()
        for i in range(30):
            substep()
        
        vertices_ = np.array([[0, 1, 2]], dtype=np.int32)
        particle_pos = x.to_numpy()
        a = vertices_.reshape(n_elements * 3)
        b = np.roll(vertices_, shift=1, axis=1).reshape(n_elements * 3)
        gui.lines(particle_pos[a], particle_pos[b], radius=1, color=0x4FB99F)
        gui.circles(particle_pos, radius=5, color=0xF2B134)
        gui.show()

if __name__ == '__main__':
    main()

在这里插入图片描述

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