JP7730538B2 - PARTICLE ARRANGEMENT SYSTEM, PARTICLE ARRANGEMENT METHOD, AND PARTICLE ARRANGEMENT PROGRAM - Google Patents
PARTICLE ARRANGEMENT SYSTEM, PARTICLE ARRANGEMENT METHOD, AND PARTICLE ARRANGEMENT PROGRAMInfo
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Description
本発明は、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムに関する。 The present invention relates to a particle placement system, a particle placement method, and a particle placement program for placing particles to be simulated in a simulation space.
DEM(Discrete Element Method)等の粒子法シミュレーションによって、複数の粒子の挙動の解析が行われている。シミュレーションを行うためには、まず、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する必要がある。従来、粒子の配置を自動的に行う方法が提案されている。例えば、特許文献1には、粒子の重なりを許した配置を行った後、粒子を移動させて粒子同士の重なりのない状態を得ることが示されている。 The behavior of multiple particles is analyzed using particle-based simulations such as the Discrete Element Method (DEM). To perform a simulation, the particles to be simulated must first be placed in the simulation space. Methods for automatically placing particles have been proposed. For example, Patent Document 1 shows a method in which particles are placed in a way that allows them to overlap, and then the particles are moved to eliminate any overlap.
しかしながら、特許文献1に示される様な方法では、個々の粒子の初期配置にシミュレーション又は判断等の情報処理が必要となり、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなると計算コストが大きくなる。 However, methods such as those described in Patent Document 1 require information processing such as simulation or judgment for the initial placement of each particle, and the computational cost increases as the number of particles to be simulated increases.
また、上記以外の粒子を配置する方法として、例えば、シミュレーション用の空間に任意の初期粒子群を発生させて、それらの粒子を予め設定した枠内へ重力により落下させるシミュレーションを行って、枠内に粒子を充填する落下型充填がある。あるいは、シミュレーション用の空間にランダムに粒子を逐次発生させて、予め設定した制約条件に基づいて粒子の棄却、移動、成長及び採用を行う方法がある。これらの方法も、特許文献1に示される方法と同様にシミュレーション対象となる粒子の数が多くなると計算コストが大きくなる。また、任意の形状への粒子充填を行う場合、手続きが複雑になる。 Other methods for arranging particles include, for example, drop-filling, which involves generating an arbitrary initial group of particles in a simulation space, simulating the particles falling into a preset frame due to gravity, and filling the frame with particles. Another method involves randomly generating particles sequentially in a simulation space, and then discarding, moving, growing, and adopting particles based on preset constraints. As with the method described in Patent Document 1, these methods also incur high computational costs as the number of particles to be simulated increases. Furthermore, the procedure becomes complicated when packing particles into an arbitrary shape.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above, and aims to provide a particle placement system, particle placement method, and particle placement program that can reduce the calculation cost of particle placement and properly place particles, even when the number of particles to be simulated is large.
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子配置システムは、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システムであって、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、ブロック生成手段によって生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、を備える。 To achieve the above objective, the particle placement system of the present invention is a particle placement system that places simulation target particles in a simulation space, and includes: a block generation means that generates blocks with shapes that can be combined in space without gaps, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which particles are placed; and a placement means that places particles by combining multiple blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent in space.
本発明に係る粒子配置システムでは、全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子が配置されたブロックが組み合わせられることで粒子が配置される。従って、粒子の数が多くなっても、粒子を配置する領域にブロックを組み合わせていくことで粒子を配置することができる。ブロックの組み合わせの処理は単純な処理であるため、計算コストが小さい。また、ブロックの作成時に扱われる粒子の数は、配置する粒子の数と比べて小さくすることができる。従って、ブロックの作成の計算コストも、従来の粒子の配置と比べると小さい。従って、本発明に係る粒子配置システムによれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。 In the particle placement system of the present invention, all boundaries are periodic boundaries, and particles are placed by combining blocks within which particles are placed. Therefore, even if the number of particles is large, particles can be placed by combining blocks in the area where the particles are to be placed. Because the process of combining blocks is simple, the computational cost is low. Furthermore, the number of particles handled when creating a block can be made small compared to the number of particles to be placed. Therefore, the computational cost of creating blocks is also small compared to conventional particle placement. Therefore, with the particle placement system of the present invention, even when the number of particles to be simulated is large, the computational cost of particle placement can be kept low and particles can be placed appropriately.
ブロック生成手段は、内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、領域の一方向の一端に、2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、他方の部分領域の接していた面を領域の一方向の他端とすることで、ブロックを生成する。また、ブロック生成手段は、粒子に一方向の力を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置することとしてもよい。この構成によれば、ブロックを容易かつ適切に生成することができる。その結果、容易かつ確実に粒子を配置することができる。 The block generating means generates a block by setting two partial regions having a thickness in one direction and continuous in the one direction in a region in which particles are arranged and boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries , moving particles included in one of the two partial regions to one end of the region in one direction while fixing their positional relationship so that the surface where the two partial regions contact each other is on the outside , removing particles outside the other of the two partial regions, and setting the surface where the other partial region contacted as the other end of the region in the one direction . The block generating means may also arrange particles within the region by applying a force to the particles in one direction to move them. This configuration allows blocks to be generated easily and appropriately. As a result, particles can be arranged easily and reliably.
又は、ブロック生成手段は、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行う。また、ブロック生成手段は、均質化の処理として、内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれブロックの一方向の一端及び他端に位置するように、粒子間の位置関係を固定したまま、ブロックの粒子全体を一方向に移動させ、一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、以上の処理を2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う。この構成によれば、個々のブロックにおける粒子の配置の偏りを抑えることができ、均質化された粒子の配置とすることができる。 Alternatively, the block generation means performs a process of homogenizing the particle arrangement within the block. Furthermore, as the homogenization process, the block generation means sets two partial regions having a thickness in one direction and continuous in that direction in a block having particles arranged therein and a periodic boundary, moves all of the particles of the block in one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are located at one end and the other end of the block, respectively, fixes the positional relationship of the particles included in the two partial regions moved to one end and the other end with respect to the respective partial regions, and performs a simulation of the movement of particles in the region sandwiched between the two partial regions while allowing the other particles to move freely, and repeats the above process while changing the positions of the two partial regions . This configuration makes it possible to suppress bias in the particle arrangement within each block and achieve a homogenized particle arrangement.
ところで、本発明は、上記のように粒子配置システムの発明として記述できる他に、以下のように粒子配置方法及び粒子配置プログラムの発明としても記述することができる。これはカテゴリが異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用及び効果を奏する。 Incidentally, in addition to being described as a particle placement system invention as described above, the present invention can also be described as a particle placement method and particle placement program invention as described below. These are essentially the same inventions, just in different categories, and achieve similar functions and effects.
即ち、本発明に係る粒子配置方法は、粒子配置システムが、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置方法であって、粒子配置システムが、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成ステップと、粒子配置システムが、ブロック生成ステップにおいて生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置ステップと、を実行する。ブロック生成ステップにおいて、内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、領域の一方向の一端に、2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、他方の部分領域の接していた面を領域の一方向の他端とすることで、ブロックを生成する。又は、ブロック生成ステップにおいて、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行い、ブロック生成ステップにおいて、均質化の処理として、内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれブロックの一方向の一端及び他端に位置するように、粒子間の位置関係を固定したまま、ブロックの粒子全体を一方向に移動させ、一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、以上の処理を2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う。 [0013] That is, a particle placement method according to the present invention is a particle placement method in which a particle placement system places particles to be simulated in a simulation space, the particle placement system performing the following steps: a block generation step in which the particle placement system generates blocks having a shape that can be combined in multiple blocks without gaps in space, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which particles are placed inside; and an placement step in which the particle placement system combines multiple blocks generated in the block generation step so that corresponding periodic boundaries in space are adjacent to each other. In the block generation step, two partial regions having a thickness in one direction and being continuous in the one direction are set in a region in which particles are placed inside and whose boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, and particles included in one of the two partial regions are moved, while fixing their positional relationship, to one end of the one direction of the region so that the surface where the two partial regions contact is on the outside, and particles outside the other of the two partial regions are removed, and the surface where the other partial region contacted is set as the other end of the one direction of the region, thereby generating a block. Alternatively, in the block generation step, a process for homogenizing the arrangement of particles inside the block is performed, and as the homogenization process in the block generation step, in a block in which particles are arranged and whose boundary is a periodic boundary, two partial regions that have a thickness in one direction and are continuous in that direction are set, and all of the particles of the block are moved in one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are located at one end and the other end of the block in that direction, respectively, and the positional relationship of the particles included in the two partial regions moved to one end and the other end with respect to each partial region is fixed, and the movement of particles in the region sandwiched between the two partial regions is simulated while the other particles are allowed to move freely, and the above process is repeated while changing the positions of the two partial regions.
また、本発明に係る粒子配置プログラムは、コンピュータを、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間に配置する粒子配置システムとして動作させる粒子配置プログラムであって、当該コンピュータを、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、ブロック生成手段によって生成されたブロックを、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、として機能させる。ブロック生成手段は、内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、領域の一方向の一端に、2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、他方の部分領域の接していた面を領域の一方向の他端とすることで、ブロックを生成する。又は、ブロック生成手段は、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行い、ブロック生成手段は、均質化の処理として、内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれブロックの一方向の一端及び他端に位置するように、粒子間の位置関係を固定したまま、ブロックの粒子全体を一方向に移動させ、一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、以上の処理を2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う。 Furthermore, a particle placement program according to the present invention is a particle placement program that causes a computer to operate as a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space, and causes the computer to function as: a block generation means that generates blocks having a shape that can be combined in multiple blocks in space without gaps, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which particles are placed; and a placement means that arranges particles by combining multiple blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent in space. The block generation means sets two partial regions that have a thickness in one direction and are continuous in the one direction in a region in which particles are placed and whose boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, moves particles included in one of the two partial regions to one end in the one direction of the region while fixing their positional relationship so that the surface where the two partial regions contact is on the outside, removes particles that are outside the other of the two partial regions, and sets the surface where the other partial region contacted as the other end of the region in the one direction, thereby generating a block. Alternatively, the block generation means performs a process of homogenizing the arrangement of particles inside the block, and as the homogenization process, the block generation means sets two partial regions that have a thickness in one direction and are continuous in that direction in a block in which particles are arranged and whose boundary is a periodic boundary, moves all of the particles of the block in one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are located at one end and the other end of the block in that direction, fixes the positional relationship of the particles included in the two partial regions moved to one end and the other end with respect to the respective partial regions, and simulates the movement of particles in the region sandwiched between the two partial regions while allowing the other particles to move freely, and repeats the above process while changing the positions of the two partial regions.
本発明によれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。 According to the present invention, even when the number of particles to be simulated is large, it is possible to reduce the calculation cost for particle placement and to place the particles appropriately.
以下、図面と共に本発明に係る粒子配置システム、粒子配置方法及び粒子配置プログラムの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of a particle placement system, particle placement method, and particle placement program according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that in the description of the drawings, identical elements will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
図1に本実施形態に係る粒子配置システム10の機能構成を示す。粒子配置システム10は、シミュレーション対象の粒子をシミュレーション用の空間(計算領域)に配置するシステム(装置)である。シミュレーションは、3次元のシミュレーション用の空間における複数の粒子の挙動を解析するものである。粒子は、例えば、球形(中心から表面までの距離が一定の形状)のものである。また、粒子は、上記以外の形状であってもよい。 Figure 1 shows the functional configuration of a particle placement system 10 according to this embodiment. The particle placement system 10 is a system (device) that places particles to be simulated in a simulation space (computational domain). The simulation analyzes the behavior of multiple particles in a three-dimensional simulation space. The particles are, for example, spherical (with a constant distance from the center to the surface). However, the particles may also have shapes other than those mentioned above.
シミュレーションは、例えば、シミュレーション上の時刻である時間ステップ毎に複数の粒子の位置及び速度を算出するものである。シミュレーションでは、各粒子に加わる力が算出されて、算出された力に基づいて粒子の位置及び速度が算出される。各粒子に加わる力は、例えば、接触(衝突)による接触力等の各粒子間の相互作用で生じる相互作用力である。シミュレーションは、例えば、DEMに基づいて行われる。あるいは、シミュレーションは、SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)又はMPS(Moving Particle Semi-implicit method)等の他の粒子法に基づいて行われてもよい。シミュレーションは、多くの粒子を扱うもの、即ち、大規模粒子法計算が行われるものであってもよい。 A simulation, for example, calculates the positions and velocities of multiple particles for each time step, which is the time in the simulation. In the simulation, the force applied to each particle is calculated, and the position and velocity of the particle are calculated based on the calculated force. The force applied to each particle is, for example, an interaction force generated by the interaction between particles, such as a contact force due to contact (collision). The simulation is performed based on, for example, DEM. Alternatively, the simulation may be performed based on other particle methods, such as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) or MPS (Moving Particle Semi-implicit method). The simulation may also handle many particles, i.e., perform large-scale particle method calculations.
上記シミュレーションの対象となる粒子、即ち、粒子配置システム10による配置対象となる粒子は、従来の粒子シミュレーションの対象となっていた任意の粒子を含む。例えば、土砂又は粉体を対象とすることができる。あるいは、流体又は固体を複数の粒子からなるものと仮定して対象とすることとしてもよい。 The particles that are the subject of the above simulation, i.e., the particles that are the subject of placement by the particle placement system 10, include any particles that have been the subject of conventional particle simulations. For example, soil or powder can be the subject. Alternatively, fluids or solids can be assumed to be made up of multiple particles and treated as the subject.
上記のシミュレーションは、地形の地滑り等の自然現象のシミュレーションに用いられる。この場合、粒子の集合が地層(例えば、堆積層、岩石又は砂層)に相当する。また、上記のシミュレーションは、学術、産業、ゲーム及びCG(コンピュータグラフィックス)分野等の任意の分野において用いられてもよい。例えば、サンドボックスゲームにおける粉体構造物の動作、又は映画若しくはアニメーションにおける構造物の浸食及び風化表現等に用いられてもよい。 The above simulations are used to simulate natural phenomena such as landslides. In this case, collections of particles correspond to geological layers (e.g., sedimentary layers, rock, or sand layers). The above simulations may also be used in any field, such as academia, industry, games, and computer graphics (CG). For example, they may be used to simulate the behavior of powder structures in sandbox games, or to represent the erosion and weathering of structures in movies or animations.
シミュレーションを行うためには、シミュレーションの初期状態として空間に粒子を配置する必要がある。粒子配置システム10は、例えば、シミュレーションの初期状態として空間に粒子を配置する。初期状態として空間に粒子を配置する際には、当該配置が適切にシミュレーション対象のものを表している必要がある。例えば、地滑りのシミュレーションを行う場合には、配置される粒子が適切に地層に対応する領域に地層に対応するように均質に充填されている必要がある。 To perform a simulation, particles must be placed in space as the initial state of the simulation. The particle placement system 10, for example, places particles in space as the initial state of the simulation. When placing particles in space as the initial state, the placement must appropriately represent the object to be simulated. For example, when simulating a landslide, the placed particles must be filled homogeneously in areas that appropriately correspond to the strata.
粒子配置システム10は、具体的には、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、メモリ等のハードウェアを含むコンピュータによって構成されている。粒子配置システム10の後述する各機能は、これらの構成要素がプログラム等により動作することによって発揮される。なお、粒子配置システム10は、一つのコンピュータで実現されてもよいし、複数のコンピュータがネットワークにより互いに接続されて構成されるコンピュータシステムにより実現されていてもよい。なお、粒子配置システム10は、演算装置としては必ずしもGPUを備えている必要はなく、CPUのみを備えた構成であってもよい。 Specifically, the particle placement system 10 is configured by a computer including hardware such as a CPU (Central Processing Unit), GPU (Graphics Processing Unit), and memory. The functions of the particle placement system 10, which will be described later, are realized by these components operating through programs, etc. The particle placement system 10 may be implemented by a single computer, or by a computer system consisting of multiple computers connected to each other via a network. The particle placement system 10 does not necessarily need to include a GPU as a computing device, and may instead be configured to include only a CPU.
本実施形態に係る粒子配置システム10による粒子の配置の概要を説明する。粒子配置システム10は、まず、図2(a)示すようなブロック20を生成する。ブロック20は、直方体であり内部に粒子が配置されている。続いて、粒子配置システム10は、図2(b)に示すように空間において粒子が配置される領域にブロック20を組み合わせて配置し、ブロックの集合体30を生成する。続いて、粒子配置システム10は、図2(c)に示すようにブロックの集合体30から、シミュレーションに用いない部分の粒子を削除して粒子の初期状態の配置40とする。 An overview of particle placement by the particle placement system 10 according to this embodiment will now be described. The particle placement system 10 first generates a block 20 as shown in FIG. 2(a). The block 20 is a rectangular parallelepiped, and particles are placed inside it. Next, the particle placement system 10 combines and places the blocks 20 in an area in space where particles are to be placed, as shown in FIG. 2(b), to generate a block collection 30. Next, the particle placement system 10 deletes particles not used in the simulation from the block collection 30, as shown in FIG. 2(c), to create an initial particle placement 40.
引き続いて、本実施形態に係る粒子配置システム10の機能について説明する。図1に示すように、粒子配置システム10は、ブロック生成部11と、配置部12とを備えて構成される。 Next, we will explain the functions of the particle placement system 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the particle placement system 10 is configured to include a block generation unit 11 and a placement unit 12.
ブロック生成部11は、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロック20を生成するブロック生成手段である。ブロック生成部11は、予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域の内部に粒子を配置し、当該領域において当該一方向に厚みを有する部分領域を設定し、当該部分領域に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ移動させて、当該部分領域の境界を周期境界としてブロック20を生成してもよい。ブロック生成部11は、粒子に一方向の力を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置してもよい。ブロック生成部11は、ブロック20の内部における粒子の配置の均質化の処理を行ってもよい。ブロック生成部11、均質化の処理として、ブロック20における予め設定された一方向の所定の位置付近の粒子の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーションを当該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。 The block generation unit 11 is a block generation means that generates a block 20 having a shape that can be combined in space without gaps, all boundaries of which are periodic boundaries, and particles disposed therein. The block generation unit 11 may place particles inside a region whose boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, set a partial region within the region that has a thickness in that one direction, and move the particles contained in the partial region while fixing their positional relationship, thereby generating a block 20 with the boundary of the partial region as a periodic boundary. The block generation unit 11 may place particles inside the region by applying a force to the particles in one direction to move them. The block generation unit 11 may perform a process of homogenizing the particle arrangement inside the block 20. As a homogenization process, the block generation unit 11 may fix the positions of particles near a predetermined position in one predetermined direction in the block 20, and repeatedly simulate the movement of particles whose positions are not fixed while changing the predetermined position.
ブロック生成部11によって生成されるブロック20の境界、即ち、直方体のブロック20を構成する各面は、周期境界(周期境界条件を満たす境界)となっている。即ち、ブロック20は、全面周期境界粒子ブロックである。直方体のブロック20を構成する各面のうち互いに対向する面が対応する周期境界となっている。また、上記の通りブロック20は直方体であるので、2つのブロック20を対応する周期境界である面同士を隙間なく密着させて組み合わせることができる。また、ブロック20同士が密着した面は対応する周期境界となっているので、面があることによる配置される粒子の偏りは生じない。また、ブロック20の全ての面が周期境界となっているので、ブロック20の任意の面の方向に周期境界同士を密着させて別のブロック20を組み合わせることができる。これによって、上記のように任意の初期状態の配置40を含むようにブロックの集合体30を生成することができる。 The boundaries of the blocks 20 generated by the block generator 11, i.e., each face constituting the rectangular parallelepiped block 20, are periodic boundaries (boundaries that satisfy the periodic boundary conditions). That is, the block 20 is a full-surface periodic boundary particle block. Of the faces constituting the rectangular parallelepiped block 20, the opposing faces form corresponding periodic boundaries. Furthermore, as described above, because the blocks 20 are rectangular parallelepipeds, two blocks 20 can be combined by closely contacting their corresponding periodic boundary faces with no gaps. Furthermore, because the faces of two blocks 20 in close contact form corresponding periodic boundaries, there is no bias in the particles that are arranged due to the presence of the faces. Furthermore, because all faces of the block 20 are periodic boundaries, it is possible to combine another block 20 by closely contacting periodic boundaries in the direction of any face of the block 20. This makes it possible to generate a block assembly 30 that includes any initial state arrangement 40, as described above.
ブロック生成部11は、以下のようにブロック20を生成する。ブロック生成部11は、予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域の内部に粒子を配置する。例えば、図3(a)に示すように、ブロック生成部11は、空間のx方向(x軸)及びy方向(y軸)に垂直な4つの面21を周期境界とした領域を形成する。なお、図3に示す図は、空間のxy平面と平行な方向から見た図であり、縦方向がz方向である。これらの面21の一部は、ブロック20の面となる。領域の面を周期境界とする処理は、従来の方法と同様に行われればよい(以下についても同様である)。 The block generator 11 generates blocks 20 as follows. The block generator 11 places particles inside a region whose boundaries other than one preset direction are periodic boundaries. For example, as shown in Figure 3(a), the block generator 11 forms a region whose periodic boundaries are four faces 21 perpendicular to the x direction (x-axis) and y direction (y-axis) of space. Note that the diagram shown in Figure 3 is a view parallel to the xy plane of space, with the vertical direction being the z direction. Some of these faces 21 become the faces of the block 20. The process of making the faces of a region periodic boundaries can be performed in the same way as in conventional methods (the same applies below).
また、図3(a)に示すように、ブロック生成部11は、上記の4つの面21に囲まれた箇所に空間のz方向(z軸)に垂直な、周期境界ではない面22を生成する。z方向の上方から上記の領域を見ると、x方向及びy方向に垂直な4つの面21によって構成される矩形となっている。ブロック生成部11は、当該領域のz方向の上方のランダムな位置に、任意サイズならびに形状の粒子を発生させる。ブロック生成部11は、粒子の半径等の粒子の配置に用いられる粒子のパラメータを予め記憶しており、当該情報に基づいて粒子を発生させる。また後述するように、ブロック生成部11は、粒子の配置のために粒子の挙動のシミュレーションを行う。このシミュレーションは、従来のDEMの基づくシミュレーションと同様に行われればよい。ブロック生成部11は、当該シミュレーションのためのパラメータ、例えば、摩擦係数、弾性係数、粘性減衰係数及び反発係数等も予め記憶して、当該シミュレーションに用いる。 As shown in FIG. 3(a), the block generator 11 generates a non-periodic boundary surface 22 perpendicular to the z direction (z-axis) of space in an area surrounded by the four surfaces 21. When the above region is viewed from above in the z direction, it forms a rectangle composed of four surfaces 21 perpendicular to the x and y directions. The block generator 11 generates particles of arbitrary size and shape at random positions above the region in the z direction. The block generator 11 pre-stores particle parameters used for particle placement, such as particle radius, and generates particles based on this information. As described below, the block generator 11 also simulates particle behavior for particle placement. This simulation may be performed in the same manner as a conventional DEM-based simulation. The block generator 11 also pre-stores parameters for the simulation, such as the friction coefficient, elastic coefficient, viscous damping coefficient, and restitution coefficient, and uses these parameters in the simulation.
ブロック生成部11は、発生させた粒子にz方向の下向きの力、例えば、重力を加えるシミュレーションを行う。重力を受けた粒子は、z方向に垂直な面である底面22に落下する。ブロック生成部11は、多数の粒子を発生させて上記のシミュレーションを行う。このシミュレーションの結果、図3(a)に示すように粒子が底面22上に充填された状態となる。即ち、ブロック生成部11は、上記の領域(側面が周期境界である箱)に対して粒子の重力落下型充填を行う。ブロック生成部11は、粒子が充填される領域の底面22からの長さが、ブロック20のz方向の長さよりも長い一定の長さとなるまで上記の充填を続ける。 The block generation unit 11 performs a simulation in which a downward force in the z direction, such as gravity, is applied to the generated particles. The particles subjected to gravity fall to the bottom surface 22, which is a surface perpendicular to the z direction. The block generation unit 11 generates a large number of particles and performs the above simulation. As a result of this simulation, the particles are packed onto the bottom surface 22, as shown in Figure 3(a). In other words, the block generation unit 11 performs gravity-fall type packing of particles into the above region (a box whose sides are periodic boundaries). The block generation unit 11 continues the above packing until the length from the bottom surface 22 of the region to be packed with particles reaches a certain length that is longer than the length of the block 20 in the z direction.
このようにブロック生成部11は、予め設定されたz方向以外の、x方向及びy方向の面21を周期境界とした領域の内部に、発生させた粒子にz方向の力を加えて移動させて、領域の内部に粒子を配置する。 In this way, the block generation unit 11 applies a z-direction force to the generated particles to move them within the region whose periodic boundaries are the x-direction and y-direction surfaces 21 other than the pre-set z-direction, thereby placing the particles within the region.
続いて、ブロック生成部11は、当該領域においてz方向に厚みを有する2つの部分領域23,24を設定する。2つの部分領域23,24は、z方向の厚みの部分に位置する粒子を含むように設定される。2つの部分領域23,24の位置は、底面22からの長さが、ブロック20のz方向の長さよりも長い予め設定された長さとなる位置である。また、2つの部分領域23,24のz方向の厚みは、例えば、最終的に生成するブロック20のz方向よりも十分小さく、かつ部分領域23,24に含まれる粒子が少なくとも1つの層となるような厚みである。 Next, the block generation unit 11 sets two partial regions 23, 24 having a thickness in the z direction in the region. The two partial regions 23, 24 are set so as to include particles located in the portion of the thickness in the z direction. The positions of the two partial regions 23, 24 are such that the length from the bottom surface 22 is a predetermined length that is longer than the length of the block 20 in the z direction. Furthermore, the thickness in the z direction of the two partial regions 23, 24 is, for example, sufficiently smaller than the z direction of the block 20 to be finally generated, and is a thickness such that the particles contained in the partial regions 23, 24 form at least one layer.
2つの部分領域23,24は、z方向で連続している。ブロック生成部11は、部分領域23に含まれる粒子、例えば、部分領域23に重心が含まれる粒子を、部分領域23に対する位置関係を固定したまま、図3(b)に示すように上記の面22の下側に移動させる。この移動は、z方向のみでx,y方向の位置は変えない。この際、移動させない粒子のうち、上記の領域の底面22からz方向に一定の距離に存在する粒子は削除されてもよい。最終的に生成するブロック20に含まれる粒子の粒子数又は粒子体積分率が予め設定したものになるように、粒子の削除に係る上記の一定の距離が調整されてもよい。これにより、ブロック生成部11は、ブロック20に含まれる粒子の粒子数又は粒子体積分率を任意に調整することができる。また、部分領域23よりもz方向の上側の粒子は以降の処理には用いられない。 The two partial regions 23, 24 are continuous in the z direction. The block generation unit 11 moves particles contained in the partial region 23, for example, particles whose center of gravity is contained in the partial region 23, to the bottom of the surface 22 as shown in FIG. 3(b), while keeping their position relative to the partial region 23 fixed. This movement is only in the z direction; their positions in the x and y directions remain unchanged. At this time, of the particles that are not moved, particles that are located a certain distance in the z direction from the bottom surface 22 of the region may be deleted. The certain distance for particle deletion may be adjusted so that the number of particles or particle volume fraction of the particles contained in the final generated block 20 is a predetermined value. In this way, the block generation unit 11 can arbitrarily adjust the number of particles or particle volume fraction of the particles contained in the block 20. Furthermore, particles above the partial region 23 in the z direction are not used in subsequent processing.
ブロック生成部11は、部分領域23の粒子を下側に移動させる際には、移動させない粒子との間に隙間ができる位置(移動させない粒子と移動させる粒子とが重なり合わない位置)に移動させる。図3(b)に示すように、このように構成される粒子の集合のうち、z方向の上側には部分領域24の粒子が、下側には部分領域23の粒子が位置していることとなる。上記のように2つの部分領域23,24はz方向で連続していたので、部分領域23,24の境界面を周期境界とすることができる。ブロック生成部11は、図3(b)に示す粒子が位置する領域のz方向の上面及び下面を周期境界とする。 When moving particles in partial region 23 downward, the block generation unit 11 moves them to a position where there is a gap between them and particles that are not to be moved (a position where the particles that are not to be moved and the particles that are to be moved do not overlap). As shown in Figure 3(b), in the particle collection configured in this way, the particles of partial region 24 are located on the upper side in the z direction, and the particles of partial region 23 are located on the lower side. As described above, since the two partial regions 23 and 24 are continuous in the z direction, the boundary surface between partial regions 23 and 24 can be considered a periodic boundary. The block generation unit 11 considers the upper and lower surfaces in the z direction of the region where the particles shown in Figure 3(b) are located to be periodic boundaries.
続いて、ブロック生成部11は、部分領域23に含まれる粒子、例えば、部分領域23に重心が含まれる粒子について、部分領域23に対する位置関係を固定する。また、ブロック生成部11は、部分領域24に含まれる粒子、例えば、部分領域24に重心が含まれる粒子について、部分領域24に対する位置関係を固定する。それ以外の粒子は、空間において自由に移動できる状態とする。この状態で、ブロック生成部11は、z方向において部分領域23に含まれる粒子を部分領域24側に近づけるシミュレーションを行う。即ち、ブロック生成部11は、この時点のブロックをz方向に圧縮操作するシミュレーションを行う。このシミュレーションは、部分領域23と部分領域24とに挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションである。なお、このシミュレーションの際には、粒子に重力がかかるようにしてもよいし、かからないようにしてもよい。 Next, the block generation unit 11 fixes the positional relationship of particles contained in partial region 23, for example, particles whose center of gravity is in partial region 23, relative to partial region 23. The block generation unit 11 also fixes the positional relationship of particles contained in partial region 24, for example, particles whose center of gravity is in partial region 24, relative to partial region 24. Other particles are allowed to move freely in space. In this state, the block generation unit 11 performs a simulation to move the particles contained in partial region 23 closer to partial region 24 in the z direction. In other words, the block generation unit 11 performs a simulation to compress the block at this point in time in the z direction. This simulation simulates the movement of particles in the region sandwiched between partial region 23 and partial region 24. Note that during this simulation, gravity may or may not be applied to the particles.
ブロック生成部11は、移動後の部分領域23の外側(z方向の下側)の面と部分領域24の外側(z方向の上側)の面との間の長さが、予め設定した最終的に生成するブロック20の長さになるまで移動させる。図3(c)に部分領域23を移動した後の粒子の集合を示す(図3(b)に示すものより部分領域23と部分領域24との間の長さが短くなっている)。なお、移動前の部分領域23の外側(z方向の下側)の面と部分領域24の外側(z方向の上側)の面との間の長さは、ブロック20の長さよりも長くされる。なお、部分領域23を移動する前の粒子が位置する領域のz方向の長さが長いほど、最終的に生成されるブロック20における粒子の密度が大きくなる。上記のようにブロック生成部11は、移動後の部分領域23に含まれる粒子をz方向の下側の蓋、部分領域24に含まれる粒子をz方向の上側の蓋として、この時点のブロックを生成する。 The block generation unit 11 moves the particles until the distance between the outer surface of the partial region 23 (lower in the z direction) and the outer surface of the partial region 24 (upper in the z direction) after the movement reaches the preset length of the block 20 to be finally generated. Figure 3(c) shows the collection of particles after the partial region 23 has been moved (the distance between the partial region 23 and the partial region 24 is shorter than that shown in Figure 3(b)). Note that the distance between the outer surface of the partial region 23 (lower in the z direction) and the outer surface of the partial region 24 (upper in the z direction) before the movement is longer than the length of the block 20. Note that the longer the z direction length of the region in which the particles are located before moving the partial region 23, the greater the particle density in the block 20 to be finally generated. As described above, the block generation unit 11 generates the block at this point by treating the particles contained in the moved partial region 23 as the lower lid in the z direction and the particles contained in the moved partial region 24 as the upper lid in the z direction.
上記の処理によって、直方体の各面を周期境界としたブロックを生成することができる。しかしながら、生成されたブロックは、粒子の配置に偏りがある。粒子の配置の偏りは、粒子の位置を固定していた部分領域23,24に起因したものである。ブロック生成部11は、以下のようにブロックにおける粒子の配置の偏りを除去する粒子の配置の均質化を行う。 The above process allows for the generation of blocks with each face of a rectangular parallelepiped as a periodic boundary. However, the generated blocks have biased particle placement. This bias in particle placement is due to partial regions 23 and 24, where the particle positions were fixed. The block generation unit 11 homogenizes the particle placement to remove the bias in particle placement in the block as follows:
図3(c)に示す上記のように生成されたブロックは、z方向の上面(部分領域24の外側(z方向の上側)の面)及び下面(部分領域23の外側(z方向の下側)の面)が周期境界とされているため、粒子間の位置関係を固定したまま、粒子全体をz方向に移動(シフト)させることができる。 The block generated as shown in Figure 3(c) has periodic boundaries on its upper surface in the z direction (the surface outside partial region 24 (upper side in the z direction)) and its lower surface (the surface outside partial region 23 (lower side in the z direction)), so the particles as a whole can be moved (shifted) in the z direction while the positional relationships between particles remain fixed.
ブロックが図3(c)に示す状態において、ブロック生成部11は、当該ブロックにz方向に厚みを有する2つの部分領域25,26を設定する。2つの部分領域25,26は、上記の2つの部分領域23,24と同様のサイズでよい。2つの部分領域25,26の位置は、上記の2つの部分領域23,24以外の予め設定された位置である。2つの部分領域25,26は、z方向で連続している。 When the block is in the state shown in Figure 3(c), the block generation unit 11 sets two partial regions 25, 26 in the block, each having a thickness in the z direction. The two partial regions 25, 26 may be the same size as the two partial regions 23, 24 described above. The two partial regions 25, 26 are located at predetermined positions other than the two partial regions 23, 24 described above. The two partial regions 25, 26 are continuous in the z direction.
ブロック生成部11は、図3(d)に示すように、2つの部分領域25,26に含まれる粒子が、それぞれブロックの下端及び上端に位置するように粒子間の位置関係を固定したまま、粒子全体をz方向に移動(シフト)させる。なお、ブロックが図3(c)に示す状態において、z方向で上側に位置する部分領域25が、図3(d)に示すように移動後のブロックではブロックの下端に位置し、z方向で下側に位置する部分領域26が、移動後のブロックではブロックの上端に位置する。 As shown in Figure 3(d), the block generation unit 11 moves (shifts) all of the particles in the z direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles contained in the two partial regions 25, 26 are located at the bottom and top ends of the block, respectively. Note that when the block is in the state shown in Figure 3(c), partial region 25 located at the top in the z direction is located at the bottom end of the block after the movement, as shown in Figure 3(d), and partial region 26 located at the bottom in the z direction is located at the top end of the block after the movement.
続いて、ブロック生成部11は、部分領域25に含まれる粒子、例えば、部分領域25に重心が含まれる粒子について、部分領域25に対する位置関係を固定する。また、ブロック生成部11は、部分領域26に含まれる粒子、例えば、部分領域26に重心が含まれる粒子について、部分領域26に対する位置関係を固定する。それ以外の粒子は、空間において自由に移動できる状態とする。この状態で、ブロック生成部11は、部分領域25と部分領域26とに挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行う。なお、このシミュレーションの際には、粒子に重力がかかるようにしてもよいし、かからないようにしてもよい。このシミュレーションでは、上述した処理で位置関係が固定されていた2つの部分領域23,24に含まれる粒子も移動される。即ち、このシミュレーションは、当該粒子に生じる負荷の緩和を行う緩和計算である。この緩和によって、粒子の配置の偏りが低減される。 Next, the block generation unit 11 fixes the positional relationship of particles contained in partial region 25, for example, particles whose center of gravity is in partial region 25, relative to partial region 25. The block generation unit 11 also fixes the positional relationship of particles contained in partial region 26, for example, particles whose center of gravity is in partial region 26, relative to partial region 26. Other particles are allowed to move freely in space. In this state, the block generation unit 11 simulates the movement of particles in the region between partial regions 25 and 26. Note that during this simulation, gravity may or may not be applied to the particles. In this simulation, particles contained in the two partial regions 23 and 24, whose positional relationships were fixed in the above-mentioned processing, are also moved. In other words, this simulation is a relaxation calculation that relieves the load on the particles. This relaxation reduces bias in the particle placement.
続いて、ブロック生成部11は、新たな2つの部分領域25,26を設定し(図3(c)に示した処理)、上記の緩和計算(図3(d)に示した処理)を行う。ブロック生成部11は、2つの部分領域25,26の設定及び緩和計算を繰り返す。この繰り返しは、例えば、ブロック全体において粒子の配置の偏りがシミュレーション上問題ない状態となるまで行われる。例えば、緩和計算のシミュレーションにおいて各粒子に大局的に均質な接触内部応力が発生するまで反復実行される。あるいは、予め設定された回数だけ上記の繰り返しが行われてもよい。 The block generation unit 11 then sets two new partial regions 25 and 26 (the process shown in Figure 3(c)) and performs the above-mentioned relaxation calculation (the process shown in Figure 3(d)). The block generation unit 11 repeats the setting of the two partial regions 25 and 26 and the relaxation calculation. This repetition is performed, for example, until the bias in particle placement across the entire block becomes negligible in terms of simulation. For example, the relaxation calculation simulation is repeated until a globally uniform internal contact stress is generated in each particle. Alternatively, the above repetition may be performed a preset number of times.
上記のようにブロック生成部11は、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理として、ブロックにおける予め設定された一方向の所定の位置付近の粒子(2つの部分領域23,24に含まれる粒子)の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーションを、該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。 As described above, the block generation unit 11 may fix the positions of particles (particles included in the two partial regions 23 and 24) near a predetermined position in one direction in the block as a process for homogenizing the particle arrangement within the block, and repeatedly simulate the movement of particles whose positions are not fixed while changing the predetermined position.
ブロック生成部11は、上記のように生成したブロック20を示す情報、具体的には、ブロックに含まれる粒子の配置位置を示す情報(例えば、ブロックにおける座標の情報)を配置部12に出力する。 The block generation unit 11 outputs information indicating the block 20 generated as described above, specifically information indicating the placement positions of the particles included in the block (e.g., coordinate information in the block), to the placement unit 12.
配置部12は、ブロック生成部11によって生成されたブロック20を、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段である。配置部12は、ブロック生成部11からブロック20を示す情報を入力する。配置部12は、入力した情報を用いて、シミュレーションで用いる粒子を配置する領域を含むように、粒子を含むブロック20を組み合わせて空間に配置する。シミュレーションで用いる粒子を配置する領域は、予めユーザによって設定されて配置部12に記憶されている。配置部12は、対応する周期境界が隙間なく隣接するように複数のブロック20を組み合わせる。 The placement unit 12 is a placement means that places particles by combining multiple blocks 20 generated by the block generation unit 11 so that corresponding periodic boundaries are adjacent in space. The placement unit 12 inputs information indicating the blocks 20 from the block generation unit 11. Using the input information, the placement unit 12 combines and places blocks 20 containing particles in space so as to include an area where particles used in the simulation are to be placed. The area where particles used in the simulation are to be placed is set in advance by the user and stored in the placement unit 12. The placement unit 12 combines multiple blocks 20 so that corresponding periodic boundaries are adjacent with no gaps.
配置部12は、ブロック20を組み合わせたブロックの集合体30から、シミュレーションで用いる粒子を配置する位置ではない領域に配置された粒子を削除する。なお、当該領域ではない位置に配置された粒子がない場合には、粒子の削除は行われない。上記によって、空間における粒子の初期状態の配置40が行われる。 The placement unit 12 deletes particles that are placed in areas that are not positions where particles used in the simulation are to be placed from the block collection 30 formed by combining blocks 20. Note that if there are no particles placed in positions that are not in those areas, no particles are deleted. In this way, the initial state placement 40 of particles in space is performed.
配置部12による粒子の初期状態の配置40を行う前、又は行った後にブロック20自体又はブロック20の組み合わせの物性を算出し、ブロック20による粒子の配置がシミュレーションを行うのに適切なものであるかを確認してもよい。即ち、ブロック20の性能を検証してもよい。例えば、ブロック20自体又はブロック20の組み合わせの物性(力学特性)として、粒子の充填率、接続数、圧縮率又は破壊性状を算出してもよい。接続数は、粒子における他の粒子と接続している数である。破壊性状は、数値3軸圧縮実験によって行うことができる。これらの物性の算出は、従来の方法によって行うことができる。物性を算出する際のブロック20の組み合わせの形状は、物性を算出するための予め設定された形状であってもよい。例えば、数値3軸圧縮実験を行う場合には、円柱状の形状であってもよい。 Before or after the placement unit 12 places the particles in their initial state 40, the physical properties of the block 20 itself or the combination of blocks 20 may be calculated to confirm whether the particle placement by the block 20 is appropriate for performing a simulation. That is, the performance of the block 20 may be verified. For example, the particle packing ratio, number of connections, compressibility, or fracture properties may be calculated as the physical properties (mechanical properties) of the block 20 itself or the combination of blocks 20. The number of connections is the number of connections between particles and other particles. The fracture properties can be performed by a numerical triaxial compression experiment. These physical properties can be calculated by conventional methods. The shape of the combination of blocks 20 when calculating the physical properties may be a predetermined shape for calculating the physical properties. For example, when performing a numerical triaxial compression experiment, the shape may be cylindrical.
もし、算出された物性が適切なものでなかった場合、再度、ブロック生成部11によるブロック20の生成が行われてもよい。この場合、ブロック20を生成する際の条件を、生成されるブロック20に係る物性が異なるものとなるように変更する。ブロック20によって巨視的に均質な性状が得られる場合のみに、当該ブロック20を用いて粒子の配置40を行うこととしてもよい。 If the calculated physical properties are not appropriate, the block generator 11 may generate the block 20 again. In this case, the conditions for generating the block 20 are changed so that the physical properties of the generated block 20 are different. Particle arrangement 40 may be performed using the block 20 only if the block 20 can obtain macroscopically homogeneous properties.
配置部12が、上記のブロック20に係る物性の算出、及び算出された物性が適切かどうかの判断を行うこととしてもよい。この場合、配置部12は、これらを行うための情報(例えば、上記の判断を行うための判断基準)を予め記憶している。配置部12は、算出された物性が適切であると判断した場合、空間における粒子の初期状態の配置40を行う。配置部12は、算出された物性が適切でないと判断した場合、ブロック生成部11に改めて異なる条件でのブロック20の生成を指示する。この場合、配置部12は、どのようにブロック20の生成の条件を変更するか予め記憶している。 The placement unit 12 may calculate the physical properties of the above-mentioned block 20 and determine whether the calculated physical properties are appropriate. In this case, the placement unit 12 pre-stores information for performing these calculations (e.g., criteria for making the above-mentioned determination). If the placement unit 12 determines that the calculated physical properties are appropriate, it performs an initial state placement 40 of particles in space. If the placement unit 12 determines that the calculated physical properties are inappropriate, it instructs the block generation unit 11 to generate a new block 20 under different conditions. In this case, the placement unit 12 pre-stores how to change the conditions for generating the block 20.
配置部12によって生成された、空間における粒子の初期状態の配置40が用いられて粒子のシミュレーションが行われる。粒子配置システム10が、粒子のシミュレーションの機能を有しており、粒子のシミュレーションを行ってもよい。あるいは、粒子配置システム10以外のシステムにおいて、粒子のシミュレーションが行われてもよい。この場合、配置部12は、当該システムに空間における粒子の初期状態の配置40を示す情報を出力(送信)する。以上が、本実施形態に係る粒子配置システム10の機能である。 Particle simulation is performed using the initial particle arrangement 40 in space generated by the arrangement unit 12. The particle arrangement system 10 may have particle simulation functionality and perform particle simulation. Alternatively, particle simulation may be performed in a system other than the particle arrangement system 10. In this case, the arrangement unit 12 outputs (transmits) information indicating the initial particle arrangement 40 in space to that system. These are the functions of the particle arrangement system 10 according to this embodiment.
引き続いて、図4のフローチャートを用いて、本実施形態に係る粒子配置システム10で実行される処理(粒子配置システム10が行う動作方法)である粒子配置方法を説明する。 Next, we will explain the particle placement method, which is the processing executed by the particle placement system 10 according to this embodiment (the operating method performed by the particle placement system 10), using the flowchart in Figure 4.
本処理では、まず、ブロック生成部11によって、x,y方向を周期境界とすると共にz方向を周期境界としていない領域に粒子が充填される(S01、ブロック生成ステップ)。上述したように、この充填によって粒子は図3(a)に示す状態となる。続いて、ブロック生成部11によって、z方向を周期境界とするブロックが作成される(S02、ブロック生成ステップ)。この処理は、上述したように図3(a)及び図3(b)に示すようにz方向に連続する2つの部分領域23,24が設定されて、z方向の上側の部分領域23の粒子が、粒子が充填されている位置の下側に移動されることで行われる。 In this process, first, the block generator 11 fills particles into an area where the x and y directions are periodic boundaries but the z direction is not (S01, block generation step). As described above, this filling results in the particles being in the state shown in Figure 3(a). Next, the block generator 11 creates a block where the z direction is a periodic boundary (S02, block generation step). As described above, this process is performed by setting two continuous partial areas 23, 24 in the z direction as shown in Figures 3(a) and 3(b), and moving the particles in the upper partial area 23 in the z direction to below the position where the particles are filled.
続いて、ブロック生成部11によって、部分領域23に含まれる粒子を部分領域24側に近づけるシミュレーション、即ち、この時点のブロックをz方向に圧縮操作するシミュレーションが行われる(S03、ブロック生成ステップ)。この処理は、粒子が図3(b)に示す状態から図3(c)に示す状態にするように行われる。続いて、ブロック生成部11によって、ブロックに対して緩和計算の繰り返しが行われる(S04、ブロック生成ステップ)。緩和計算は、粒子の配置の均質化を行うものであり、上述したように図3(c)及び図3(d)に示すように行われる。上記の処理(S01~S04)によって、空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子を配置したブロック20が生成される。 Next, the block generator 11 performs a simulation to move the particles contained in subregion 23 closer to subregion 24, i.e., a simulation to compress the block at this point in the z direction (S03, block generation step). This process is performed so that the particles change from the state shown in FIG. 3(b) to the state shown in FIG. 3(c). Next, the block generator 11 repeats a relaxation calculation for the block (S04, block generation step). The relaxation calculation homogenizes the particle arrangement and is performed as described above, as shown in FIGS. 3(c) and 3(d). The above process (S01 to S04) generates a block 20 with a shape that can be combined in space without gaps, all boundaries of which are periodic, and particles arranged inside.
続いて、配置部12によって、ブロック生成部11によって生成されたブロック20が、空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせられて粒子が配置される(S05、配置ステップ)。上述したようにこの際、シミュレーションで用いる粒子を配置する領域ではない位置に配置された粒子は削除されてもよい。生成された粒子の初期状態の配置40は、粒子のシミュレーションに用いられる。以上が、本実施形態に係る粒子配置システム10で実行される処理である。 Then, the placement unit 12 places particles by combining multiple blocks 20 generated by the block generation unit 11 so that corresponding periodic boundaries are adjacent in space (S05, placement step). As described above, at this time, particles placed in positions that are not in the area where particles used in the simulation are to be placed may be deleted. The generated initial particle placement 40 is used in the particle simulation. The above is the processing executed by the particle placement system 10 according to this embodiment.
本実施形態では、全ての境界が周期境界であると共に、内部に粒子が配置されたブロック20が組み合わせられることで粒子が配置される。従って、粒子の数が多くなっても、粒子を配置する領域にブロックを組み合わせていくことで粒子を配置することができる。ブロック20の組み合わせの処理は単純な処理であるため、計算コストが小さい。また、ブロックの作成時に扱われる粒子の数は、配置する粒子の数と比べて小さくすることができる。従って、ブロック20の作成の計算コストも、従来の粒子の配置と比べると小さい。従って、本実施形態によれば、シミュレーション対象となる粒子の数が多くなった場合であっても、粒子の配置の計算コストを抑えることができると共に適切に粒子を配置することができる。 In this embodiment, all boundaries are periodic boundaries, and particles are arranged by combining blocks 20, inside which particles are arranged. Therefore, even if the number of particles is large, particles can be arranged by combining blocks in the area where the particles are to be arranged. Because the process of combining blocks 20 is simple, the computational cost is low. Furthermore, the number of particles handled when creating a block can be made small compared to the number of particles to be arranged. Therefore, the computational cost of creating blocks 20 is also small compared to conventional particle arrangements. Therefore, according to this embodiment, even if the number of particles to be simulated is large, the computational cost of particle arrangement can be reduced and the particles can be arranged appropriately.
また、本実施形態のように、予め設定された一方向以外の境界(例えば、x方向及びy方向の面21)を周期境界とした領域の内部に粒子を配置し、当該領域において当該一方向(例えば、z方向)に厚みを有する部分領域23を設定し、当該部分領域に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ移動させて、当該部分領域23の境界を周期境界としてブロックを生成してもよい。また、その際、粒子に一方向の力(例えば、重力)を加えて移動させることで、領域の内部に粒子を配置してもよい。この構成によれば、全ての境界が周期境界であるブロックを容易かつ適切に生成することができる。その結果、容易かつ確実に粒子を配置することができる。 Also, as in this embodiment, particles may be placed inside a region whose boundaries in a direction other than a predetermined one (e.g., surfaces 21 in the x and y directions) are periodic boundaries, a partial region 23 having a thickness in that one direction (e.g., the z direction) may be set in that region, and the particles contained in that partial region 23 may be moved while maintaining a fixed positional relationship to generate a block with the boundary of that partial region 23 as a periodic boundary. Furthermore, in this case, the particles may be placed inside the region by applying a force in one direction (e.g., gravity) to the particles to move them. With this configuration, blocks whose boundaries are all periodic boundaries can be easily and appropriately generated. As a result, particles can be placed easily and reliably.
但し、全ての境界が周期境界であるブロックは、必ずしも上記のように生成される必要はなく、他の方法で生成されてもよい。また、上記の領域の内部に粒子を配置する際には、粒子に一方向の力を加えて移動させる方法を必ずしも用いる必要はなく、例えば、領域内にランダムに粒子を発生させる方法が用いられてもよい。 However, blocks in which all boundaries are periodic do not necessarily have to be generated in the manner described above, and may be generated using other methods. Furthermore, when placing particles within the above-described region, it is not necessary to use a method of applying a unidirectional force to the particles to move them; for example, a method of randomly generating particles within the region may also be used.
また、本実施形態のように、ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行ってもよい。具体的には、均質化の処理として、ブロックにおける予め設定された一方向(例えば、z方向)の所定の位置付近の粒子の位置を固定し、位置が固定されていない粒子の移動のシミュレーション(緩和計算)を当該所定の位置を変えながら繰り返し行ってもよい。この構成によれば、個々のブロック20における粒子の配置の偏りを抑えることができ、均質化された粒子の配置とすることができる。但し、均質化の処理は必ずしも行われる必要はない。また、均質化の処理を行う場合も上記以外の方法で行われてもよい。 Furthermore, as in this embodiment, a process for homogenizing the particle arrangement within a block may be performed. Specifically, the homogenization process may involve fixing the positions of particles near a predetermined position in one preset direction in the block (e.g., the z direction), and repeatedly simulating the movement of particles whose positions are not fixed (relaxation calculation) while changing the predetermined position. With this configuration, it is possible to reduce bias in the particle arrangement within each block 20, resulting in a homogenized particle arrangement. However, the homogenization process does not necessarily have to be performed. Furthermore, even if the homogenization process is performed, it may be performed using a method other than the above.
なお、上述した実施形態では、粒子が配置される空間は3次元の空間としたが、3次元以外の空間、例えば、2次元の空間であってもよい。その場合、粒子の配置に用いられるブロック20は、粒子が配置される空間に応じた次元の形状であればよい。 In the above-described embodiment, the space in which the particles are arranged is a three-dimensional space, but it may also be a space other than three-dimensional, for example, a two-dimensional space. In this case, the block 20 used to arrange the particles only needs to have a dimensional shape corresponding to the space in which the particles are arranged.
引き続いて、上述した一連の粒子配置システム10による処理を実行させるための粒子配置プログラムを説明する。図5に示すように、粒子配置プログラム100は、コンピュータに挿入されてアクセスされる、あるいはコンピュータが備える、コンピュータ読み取り可能な記録媒体110に形成されたプログラム格納領域111内に格納される。記録媒体110は、非一時的な記録媒体であってもよい。 Next, we will explain the particle placement program for executing the above-mentioned series of processes by the particle placement system 10. As shown in FIG. 5, the particle placement program 100 is stored in a program storage area 111 formed on a computer-readable recording medium 110 that is inserted into a computer and accessed, or that is provided on the computer. The recording medium 110 may also be a non-transitory recording medium.
粒子配置プログラム100は、ブロック生成モジュール101と、配置モジュール102とを備えて構成される。ブロック生成モジュール101と、配置モジュール102とを実行させることにより実現される機能は、上述した粒子配置システム10のブロック生成部11と、配置部12との機能とそれぞれ同様である。 The particle placement program 100 is composed of a block generation module 101 and a placement module 102. The functions realized by executing the block generation module 101 and the placement module 102 are similar to the functions of the block generation unit 11 and the placement unit 12 of the particle placement system 10 described above.
なお、粒子配置プログラム100は、その一部又は全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、他の機器により受信されて記録(インストールを含む)される構成としてもよい。また、粒子配置プログラム100の各モジュールは、1つのコンピュータでなく、複数のコンピュータのいずれかにインストールされてもよい。その場合、当該複数のコンピュータによるコンピュータシステムよって上述した一連の処理が行われる。 The particle placement program 100 may be configured so that part or all of it is transmitted via a transmission medium such as a communication line, and is received and recorded (including installed) by another device. Furthermore, each module of the particle placement program 100 may be installed on one of multiple computers, rather than on a single computer. In this case, the above-described series of processes is performed by a computer system consisting of the multiple computers.
10…粒子配置システム、11…ブロック生成部、12…配置部、100…粒子配置プログラム、101…ブロック生成モジュール、102…配置モジュール、110…記録媒体、111…プログラム格納領域。 10...particle placement system, 11...block generation unit, 12...placement unit, 100...particle placement program, 101...block generation module, 102...placement module, 110...recording medium, 111...program storage area.
Claims (7)
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
を備え、
前記ブロック生成手段は、
内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において前記一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、前記領域の前記一方向の一端に、前記2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、
前記2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、前記他方の部分領域の前記接していた面を前記領域の前記一方向の他端とすることで、前記ブロックを生成する粒子配置システム。 A particle placement system for placing particles to be simulated in a simulation space,
a block generating means for generating a block having a shape that can be combined with a plurality of other shapes without gaps in the space, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
Equipped with
The block generation means
In a region in which particles are arranged and in which boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, two partial regions are set that have a thickness in the one direction and are continuous in the one direction;
a particle included in one of the two partial regions is moved to one end of the region in the one direction while fixing the positional relationship, so that the surface where the two partial regions were in contact with each other faces outward;
A particle placement system that generates the block by removing particles that are outside the other of the two partial regions and making the contacting surface of the other partial region the other end of the region in the one direction .
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
を備え、
前記ブロック生成手段は、前記ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行い、
前記ブロック生成手段は、前記均質化の処理として、
内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれ前記ブロックの前記一方向の一端及び他端に位置するように、前記粒子間の位置関係を固定したまま、前記ブロックの粒子全体を前記一方向に移動させ、
前記一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として前記2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、
以上の処理を前記2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う粒子配置システム。 A particle placement system for placing particles to be simulated in a simulation space,
a block generating means for generating a block having a shape that can be combined with a plurality of other shapes without gaps in the space, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
Equipped with
the block generation means performs a process of homogenizing the arrangement of particles within the block;
The block generation means performs the homogenization process by
In a block in which particles are arranged and whose boundary is a periodic boundary, two partial regions are set that have a thickness in one direction and are continuous in the one direction,
moving all of the particles of the block in the one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are positioned at one end and the other end of the block in the one direction,
a simulation of the movement of particles in a region sandwiched between the two partial regions, in which the positional relationships of the particles included in the two partial regions moved to the one end and the other end are fixed with respect to the respective partial regions, and the other particles are allowed to move freely;
The particle placement system repeats the above process while changing the positions of the two partial regions .
前記粒子配置システムが、前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成ステップと、
前記粒子配置システムが、前記ブロック生成ステップにおいて生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置ステップと、
を実行し、
前記ブロック生成ステップにおいて、
内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において前記一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、前記領域の前記一方向の一端に、前記2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、
前記2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、前記他方の部分領域の前記接していた面を前記領域の前記一方向の他端とすることで、前記ブロックを生成する粒子配置方法。 A particle placement method in which a particle placement system places simulation target particles in a simulation space, the method comprising:
a block generation step in which the particle arrangement system generates a block having a shape that can be combined with a plurality of other blocks in the space without gaps, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement step in which the particle arrangement system arranges particles by combining a plurality of blocks generated in the block generation step so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
Run
In the block generation step,
In a region in which particles are arranged and in which boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, two partial regions are set that have a thickness in the one direction and are continuous in the one direction;
a particle included in one of the two partial regions is moved to one end of the region in the one direction while fixing the positional relationship, so that the surface where the two partial regions were in contact with each other faces outward;
A particle placement method for generating the block by removing particles that are outside the other of the two partial regions and making the contacting surface of the other partial region the other end of the region in the one direction .
前記粒子配置システムが、前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成ステップと、
前記粒子配置システムが、前記ブロック生成ステップにおいて生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置ステップと、
を実行し、
前記ブロック生成ステップにおいて、前記ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行い、
前記ブロック生成ステップにおいて、前記均質化の処理として、
内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれ前記ブロックの前記一方向の一端及び他端に位置するように、前記粒子間の位置関係を固定したまま、前記ブロックの粒子全体を前記一方向に移動させ、
前記一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として前記2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、
以上の処理を前記2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う粒子配置方法。 A particle placement method in which a particle placement system places simulation target particles in a simulation space, the method comprising:
a block generation step in which the particle arrangement system generates a block having a shape that can be combined with a plurality of other blocks in the space without gaps, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement step in which the particle arrangement system arranges particles by combining a plurality of blocks generated in the block generation step so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
Run
In the block generation step, a process of homogenizing particle arrangement within the block is performed;
In the block generation step, the homogenization process is
In a block in which particles are arranged and whose boundary is a periodic boundary, two partial regions are set that have a thickness in one direction and are continuous in the one direction,
moving all of the particles of the block in the one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are positioned at one end and the other end of the block in the one direction,
a simulation of the movement of particles in a region sandwiched between the two partial regions, in which the positional relationships of the particles included in the two partial regions moved to the one end and the other end are fixed with respect to the respective partial regions, and the other particles are allowed to move freely;
The particle placement method repeats the above process while changing the positions of the two partial regions .
当該コンピュータを、
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
として機能させ、
前記ブロック生成手段は、
内部に粒子が配置され予め設定された一方向以外の境界を周期境界とした領域において前記一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域の一方に含まれる粒子を、位置関係を固定しつつ、前記領域の前記一方向の一端に、前記2つの部分領域同士が接していた面が外側になるように移動させ、
前記2つの部分領域の他方よりも外側の粒子を除去して、前記他方の部分領域の前記接していた面を前記領域の前記一方向の他端とすることで、前記ブロックを生成する粒子配置プログラム。 A particle placement program that causes a computer to operate as a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space,
The computer,
a block generating means for generating a block having a shape that can be combined with a plurality of other shapes without gaps in the space, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
It functions as
The block generation means
In a region in which particles are arranged and in which boundaries other than a predetermined one direction are periodic boundaries, two partial regions are set that have a thickness in the one direction and are continuous in the one direction;
a particle included in one of the two partial regions is moved to one end of the region in the one direction while fixing the positional relationship, so that the surface where the two partial regions were in contact with each other faces outward;
a particle placement program that generates the block by removing particles that are outside the other of the two partial regions and setting the contacting surface of the other partial region as the other end of the region in the one direction .
当該コンピュータを、
前記空間において隙間なく複数組み合わせることができる形状、かつ全ての境界が周期境界であると共に、内部に前記粒子を配置したブロックを生成するブロック生成手段と、
前記ブロック生成手段によって生成されたブロックを、前記空間において互いに対応する周期境界が隣接するように複数組み合わせることで粒子を配置する配置手段と、
として機能させ、
前記ブロック生成手段は、前記ブロックの内部における粒子の配置の均質化の処理を行い、
前記ブロック生成手段は、前記均質化の処理として、
内部に粒子が配置され境界を周期境界としたブロックにおいて、一方向に厚みを有し当該一方向に連続した2つの部分領域を設定し、
当該2つの部分領域に含まれる粒子が、それぞれ前記ブロックの前記一方向の一端及び他端に位置するように、前記粒子間の位置関係を固定したまま、前記ブロックの粒子全体を前記一方向に移動させ、
前記一端及び他端に移動させた2つの部分領域に含まれる粒子の当該各部分領域に対する位置関係を固定し、それ以外の粒子を自由に移動できる状態として前記2つの部分領域に挟まれた領域にある粒子の移動のシミュレーションを行い、
以上の処理を前記2つの部分領域の位置を変えながら繰り返し行う粒子配置プログラム。 A particle placement program that causes a computer to operate as a particle placement system that places particles to be simulated in a simulation space,
The computer,
a block generating means for generating a block having a shape that can be combined with a plurality of other shapes without gaps in the space, all of whose boundaries are periodic boundaries, and in which the particles are arranged;
an arrangement means for arranging particles by combining a plurality of blocks generated by the block generation means so that corresponding periodic boundaries are adjacent to each other in the space;
It functions as
the block generation means performs a process of homogenizing the arrangement of particles within the block;
The block generation means performs the homogenization process by
In a block in which particles are arranged and whose boundary is a periodic boundary, two partial regions are set that have a thickness in one direction and are continuous in the one direction,
moving all of the particles of the block in the one direction while keeping the positional relationship between the particles fixed so that the particles included in the two partial regions are positioned at one end and the other end of the block in the one direction,
a simulation of the movement of particles in a region sandwiched between the two partial regions, in which the positional relationships of the particles included in the two partial regions moved to the one end and the other end are fixed with respect to the respective partial regions, and the other particles are allowed to move freely;
A particle placement program that repeats the above process while changing the positions of the two partial regions .
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