Penetration-free Solid-Fluid Interaction on Shells and Rods
作者: Jinyuan Liu, Yuchen Sun, Yin Yang, Chenfanfu Jiang, Minchen Li, Bo Zhu
分类: cs.GR
发布日期: 2025-05-18
💡 一句话要点
提出无穿透流体与薄弹性固体相互作用的模拟方法
🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics) 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 流体模拟 固体力学 优化系统 位置约束 物理一致性 计算机动画 虚拟现实
📋 核心要点
- 现有方法在流体与薄弹性固体相互作用的模拟中，往往无法有效避免穿透现象，导致不真实的物理表现。
- 本文提出了一种基于优化系统的无穿透流体与固体相互作用模拟方法，显式处理位置约束以确保流体不压缩性和固体弹性势能最小化。
- 通过整合多种物理因素，本文的方法能够稳健地模拟流体与低维物体的多种交互过程，展现出较高的灵活性和准确性。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种新颖的方法，用于模拟流体与薄弹性固体之间的相互作用，确保无穿透现象。该方法基于增强了障碍物的优化系统，旨在找到一种配置，确保流体的不压缩性和固体的弹性势能最小化。与以往主要关注流体-固体界面速度一致性的方法不同，我们展示了显式解决位置约束的有效性和灵活性，包括固体位置的显式表示和流体水平集界面的隐式表示。为保持流体体积，我们提出了一种简单而高效的方法来调整相关的水平集值。此外，我们开发了一种距离度量，能够测量隐式表示的表面与任意维度的拉格朗日物体之间的分离。通过将惯性、固体弹性势能、阻尼、障碍势能和流体不压缩性整合到一个统一系统中，我们能够稳健地模拟涉及流体与低维物体（如壳体和杆）相互作用的广泛过程。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决流体与薄弹性固体相互作用模拟中的穿透问题，现有方法多集中于速度一致性，未能有效处理位置约束，导致模拟结果不够真实。
核心思路：论文提出了一种优化系统，通过引入障碍物来显式解决位置约束，确保流体的不压缩性和固体的弹性势能最小化，从而避免穿透现象。
技术框架：整体架构包括流体和固体的物理模型，优化系统，障碍物处理模块，以及流体体积保持机制。通过这些模块的协同工作，实现了流体与固体的稳定交互模拟。
关键创新：最重要的技术创新在于显式处理位置约束的能力，允许流体和固体之间的相互作用更加真实，克服了传统方法的局限性。
关键设计：在参数设置上，采用了适应性调整的水平集值来保持流体体积，并设计了一种新的距离度量，用于测量隐式表面与拉格朗日物体之间的分离，确保了模拟的准确性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，本文方法在流体与薄弹性固体相互作用的模拟中，较传统方法在避免穿透和保持物理一致性方面有显著提升，具体性能数据未提供，但整体表现更为稳健和灵活。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括计算机动画、游戏开发、虚拟现实以及工程模拟等。通过提供更真实的流体与固体相互作用模拟，能够提升用户体验和设计效率，具有广泛的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
We introduce a novel approach to simulate the interaction between fluids and thin elastic solids without any penetration. Our approach is centered around an optimization system augmented with barriers, which aims to find a configuration that ensures the absence of penetration while enforcing incompressibility for the fluids and minimizing elastic potentials for the solids. Unlike previous methods that primarily focus on velocity coherence at the fluid-solid interfaces, we demonstrate the effectiveness and flexibility of explicitly resolving positional constraints, including both explicit representation of solid positions and the implicit representation of fluid level-set interface. To preserve the volume of the fluid, we propose a simple yet efficient approach that adjusts the associated level-set values. Additionally, we develop a distance metric capable of measuring the separation between an implicitly represented surface and a Lagrangian object of arbitrary codimension. By integrating the inertia, solid elastic potential, damping, barrier potential, and fluid incompressibility within a unified system, we are able to robustly simulate a wide range of processes involving fluid interactions with lower-dimensional objects such as shells and rods. These processes include topology changes, bouncing, splashing, sliding, rolling, floating, and more.