/// <summary>
/// 最上位ウインドウを作成
/// </summary>
public MainWindow(DemComputerCpu computer)
{
// コンポーネント初期化
InitializeComponent();
// ポイントスプライトプログラムを作成
this.programPoint = new Program(
this.Viewport,
Properties.Resources.point_vertex,
Properties.Resources.point_geometry,
Properties.Resources.point_fragment);
// ビューポートにプログラムを追加
this.Viewport.Programs.Add(this.programPoint);
// 点の大きさを変更可能に設定
this.programPoint.Enable(EnableCap.ProgramPointSize);
// ポイントスプライト用
this.programPoint.Enable(EnableCap.PointSprite);
// パラメーター再設定
Action setParameters = () =>
{
// 視野変換および投影変換行列を設定
this.programPoint.SetUniform("view", this.Viewport.View);
this.programPoint.SetUniform("projection", this.Viewport.Projection);
// 表示する大きさ（拡大率）を設定
this.programPoint.SetUniform("size", (float)this.Viewport.Camera.R);
// カメラの位置を設定
this.programPoint.SetUniform("cameraPosition", this.Viewport.Camera.Position);
};
// ウインドウが読みこまれたら
this.Loaded += (sender, e) =>
{
// 真上からの平行光線を設定
this.programPoint.SetUniform("sunLight", new Vector3(0, 0, -0.6f));
// 環境光強度を割り当て
this.programPoint.SetUniform("ambient", 0.1f);
// カメラからの光源の強度を割り当て
this.programPoint.SetUniform("cameraLight", 0.3f);
};
// 再描画時に
this.Viewport.Invalidated += (sender, e) =>
{
// パラメーター再設定
setParameters();
};
// カメラが動いたら
this.Viewport.Camera.Changed += (sender, e) =>
{
// パラメーター再設定
setParameters();
};
// 終了時に
this.Closed += (sender, e) =>
{
// プログラムを削除
this.programPoint.Dispose();
};
// 描画中かどうか
bool isRendering = false;
// 出力用粒子配列を初期化
var outputParticles = new OutputParticle[0];
// 描画処理
Timer renderer = new Timer((TimerCallback)((state) =>
{
// 描画中でなければ
if(!isRendering)
{
// 描画開始
isRendering = true;
// 計算空間画面に
this.Viewport.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 現在の粒子を取得
var thisParticles = computer.GetParticles();
// 出力用と粒子数が違えば
if(outputParticles.Length != thisParticles.Length)
{
// 出力用粒子群を再生成
outputParticles = new OutputParticle[thisParticles.Length];
// 動的バッファーを作成
particlesBuffer = Buffer.CreateDynamic<OutputParticle>(
this.Viewport, BeginMode.Points,
outputParticles.Length,
MainWindow.CreatePointsIndices(outputParticles.Length));
// ポイントスプライトプログラムにバッファーを割り当て
programPoint.AttachBuffer(particlesBuffer,
new[]
{
new VertexAttribution("particleX", VertexAttribPointerType.Float, 3, 0),
new VertexAttribution("particleD", VertexAttribPointerType.Float, 1, Vector3.SizeInBytes),
new VertexAttribution("particleColor", VertexAttribPointerType.Float, 4, Vector3.SizeInBytes + sizeof(float)),
});
}
// すべての粒子を
int i = 0;
foreach(var particle in thisParticles)
{
// 出力用粒子に変換
outputParticles[i++] = new OutputParticle((OpenTK.Vector3)particle.X, (float)particle.D, particle.Material.Color);
}
// 出力粒子を書き込み
particlesBuffer.WriteData(outputParticles);
// 再描画
this.Viewport.Invalidate();
// 処理完了
isRendering = false;
}));
}
// 時刻表示パネルに
this.TimePanel.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 時刻・タイムステップ数・時間刻みを表示
this.TBox.Text = computer.T.ToString("G5");
this.StepsBox.Text = computer.TimeStep.ToString();
this.DtBox.Text = computer.Dt.ToString("e");
// 粒子数を表示
this.ParticleCountBox.Text = computer.ParticleCount.ToString();
}));
}));
// 描画を開始
renderer.Change(0, fps);
// 前の時刻と時間ステップ
double oldT = 0;
double oldTimeStep = 0;
var oldRealT = DateTime.Now;
var initialT = DateTime.Now;
// 速度計測
Timer speedMeasure = new Timer((TimerCallback)((state) =>
{
// 速度表示パネルに
this.TimePanel.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 時間ステップを取得
var thisTimeStep = computer.TimeStep;
var thisRealT = DateTime.Now;
// 時間ステップが進んでいれば
if(thisTimeStep != oldTimeStep)
{
// 時刻を取得
var thisT = computer.T;
// 経過時間を秒で計算
double interval = (double)(thisRealT - oldRealT).TotalSeconds;
// 各データを表示
this.StepPerRealBox.Text = (interval / (thisTimeStep - oldTimeStep)).ToString("G5");
this.StepPerRealPerParticleBox.Text = (interval / (thisTimeStep - oldTimeStep) / computer.ParticleCount).ToString("G5");
this.ComputationalPerRealBox.Text = (interval / (thisT - oldT)).ToString("G5");
// 前の時刻と時間ステップを設定
oldT = thisT;
oldTimeStep = thisTimeStep;
oldRealT = thisRealT;
}
// 現在時刻を表示
this.RealTimeBox.Text = (thisRealT - initialT).ToString(@"d\.hh\:mm\:ss");
}));
}));
// 1秒感覚で速度計測を開始
speedMeasure.Change(0, 1000);
}
/// <summary>
/// 最上位ウインドウを作成
/// </summary>
public MainWindow(DemComputerCpu computer)
{
// コンポーネント初期化
InitializeComponent();
// ポイントスプライトプログラムを作成
this.programPoint = new Program(
this.Viewport,
Properties.Resources.point_vertex,
Properties.Resources.point_geometry,
Properties.Resources.point_fragment);
// ビューポートにプログラムを追加
this.Viewport.Programs.Add(this.programPoint);
// 点の大きさを変更可能に設定
this.programPoint.Enable(EnableCap.ProgramPointSize);
// ポイントスプライト用
this.programPoint.Enable(EnableCap.PointSprite);
// パラメーター再設定
Action setParameters = () =>
{
// 視野変換および投影変換行列を設定
this.programPoint.SetUniform("view", this.Viewport.View);
this.programPoint.SetUniform("projection", this.Viewport.Projection);
// 表示する大きさ（拡大率）を設定
this.programPoint.SetUniform("size", (float)this.Viewport.Camera.R);
// カメラの位置を設定
this.programPoint.SetUniform("cameraPosition", this.Viewport.Camera.Position);
};
// ウインドウが読みこまれたら
this.Loaded += (sender, e) =>
{
// 真上からの平行光線を設定
this.programPoint.SetUniform("sunLight", new Vector3(0, 0, -0.6f));
// 環境光強度を割り当て
this.programPoint.SetUniform("ambient", 0.1f);
// カメラからの光源の強度を割り当て
this.programPoint.SetUniform("cameraLight", 0.3f);
};
// 再描画時に
this.Viewport.Invalidated += (sender, e) =>
{
// パラメーター再設定
setParameters();
};
// カメラが動いたら
this.Viewport.Camera.Changed += (sender, e) =>
{
// パラメーター再設定
setParameters();
};
// 終了時に
this.Closed += (sender, e) =>
{
// プログラムを削除
this.programPoint.Dispose();
};
// 描画中かどうか
bool isRendering = false;
// 出力用粒子配列を初期化
var outputParticles = new OutputParticle[0];
// 描画処理
Timer renderer = new Timer((TimerCallback)((state) =>
{
// 描画中でなければ
if (!isRendering)
{
// 描画開始
isRendering = true;
// 計算空間画面に
this.Viewport.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 現在の粒子を取得
var thisParticles = computer.GetParticles();
// 出力用と粒子数が違えば
if (outputParticles.Length != thisParticles.Length)
{
// 出力用粒子群を再生成
outputParticles = new OutputParticle[thisParticles.Length];
// 動的バッファーを作成
particlesBuffer = Buffer.CreateDynamic <OutputParticle>(
this.Viewport, BeginMode.Points,
outputParticles.Length,
MainWindow.CreatePointsIndices(outputParticles.Length));
// ポイントスプライトプログラムにバッファーを割り当て
programPoint.AttachBuffer(particlesBuffer,
new[]
{
new VertexAttribution("particleX", VertexAttribPointerType.Float, 3, 0),
new VertexAttribution("particleD", VertexAttribPointerType.Float, 1, Vector3.SizeInBytes),
new VertexAttribution("particleColor", VertexAttribPointerType.Float, 4, Vector3.SizeInBytes + sizeof(float)),
});
}
// すべての粒子を
int i = 0;
foreach (var particle in thisParticles)
{
// 出力用粒子に変換
outputParticles[i++] = new OutputParticle((OpenTK.Vector3)particle.X, (float)particle.D, particle.Material.Color);
}
// 出力粒子を書き込み
particlesBuffer.WriteData(outputParticles);
// 再描画
this.Viewport.Invalidate();
// 処理完了
isRendering = false;
}));
}
// 時刻表示パネルに
this.TimePanel.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 時刻・タイムステップ数・時間刻みを表示
this.TBox.Text = computer.T.ToString("G5");
this.StepsBox.Text = computer.TimeStep.ToString();
this.DtBox.Text = computer.Dt.ToString("e");
// 粒子数を表示
this.ParticleCountBox.Text = computer.ParticleCount.ToString();
}));
}));
// 描画を開始
renderer.Change(0, fps);
// 前の時刻と時間ステップ
double oldT = 0;
double oldTimeStep = 0;
var oldRealT = DateTime.Now;
var initialT = DateTime.Now;
// 速度計測
Timer speedMeasure = new Timer((TimerCallback)((state) =>
{
// 速度表示パネルに
this.TimePanel.Dispatcher.BeginInvoke((Action)(() =>
{
// 時間ステップを取得
var thisTimeStep = computer.TimeStep;
var thisRealT = DateTime.Now;
// 時間ステップが進んでいれば
if (thisTimeStep != oldTimeStep)
{
// 時刻を取得
var thisT = computer.T;
// 経過時間を秒で計算
double interval = (double)(thisRealT - oldRealT).TotalSeconds;
// 各データを表示
this.StepPerRealBox.Text = (interval / (thisTimeStep - oldTimeStep)).ToString("G5");
this.StepPerRealPerParticleBox.Text = (interval / (thisTimeStep - oldTimeStep) / computer.ParticleCount).ToString("G5");
this.ComputationalPerRealBox.Text = (interval / (thisT - oldT)).ToString("G5");
// 前の時刻と時間ステップを設定
oldT = thisT;
oldTimeStep = thisTimeStep;
oldRealT = thisRealT;
}
// 現在時刻を表示
this.RealTimeBox.Text = (thisRealT - initialT).ToString(@"d\.hh\:mm\:ss");
}));
}));
// 1秒感覚で速度計測を開始
speedMeasure.Change(0, 1000);
}
/// <summary>
/// メインクラスを開始
/// </summary>
public CpuDemMain()
{
// 時間刻み
const double maxDt = 0.01;
// 粒子の大きさ
const double diameter = 50e-3;
const double diameterWall = diameter * 0.8;
const double length0 = diameter * 1.001;
const double length0Wall = diameterWall * 0.75;
// 計算領域
const double sizeX = 4500e-3;
const double sizeZ = 2200e-3;
const double extraSize = diameter;
// 物性値
const double rho = 2.7e3;
const double E = 30e6;
const double nu = 0.2;
// 重力加速度
Vector g = new Vector(0, 0, -9.8);
// 立方体配列を初期化
var computer = new DemComputerCpu(maxDt, g);
// 材質を生成
var materials = new []
{
// 移動粒子
new Material(0, rho, E, nu, new Color4(50, 50, 255, 255)),
// 壁
new Material(1, rho, E, nu, new Color4(200, 200, 200, 255))
};
ulong particleID = 0;
// 領域内に
for (double x = 0; x < sizeX; x += length0)
{
for (double z = 0; z < sizeZ; z += length0)
{
// 移動粒子作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameter * (0.4 + 0.6 * z / sizeZ), materials[0], ParticleType.FreeMovable)
{
X = new Vector(x, 0, z)
});
}
}
// 床の部分に
for (double x = -extraSize; x < sizeX + extraSize; x += length0Wall)
{
// 作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(x, 0, -extraSize)
});
}
// 壁の部分に
for (double z = -extraSize; z < sizeZ + extraSize; z += length0Wall)
{
// 作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(-extraSize, 0, z)
});
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(sizeX + extraSize, 0, z)
});
}
// 計算中かどうか
bool isComputing = true;
// 個別要素法の自動実行スレッドを生成
Thread demWorker = new Thread((ThreadStart)(() =>
{
// 計算中の間
while (isComputing)
{
// 次ステップに進める
computer.Next();
}
}));
// アプリケーションの終了時に
this.Exit += (sender, e) =>
{
// 計算終了
isComputing = false;
// 実行中断
demWorker.Abort();
};
// 自動実行スレッド開始
demWorker.Start();
// 最上位ウインドウを作成して設定
MainWindow mainWindow = new MainWindow(computer);
base.MainWindow = mainWindow;
// ウインドウ表示
base.MainWindow.Show();
}
/// <summary>
/// メインクラスを開始
/// </summary>
public CpuDemMain()
{
// 時間刻み
const double maxDt = 0.01;
// 粒子の大きさ
const double diameter = 50e-3;
const double diameterWall = diameter * 0.8;
const double length0 = diameter * 1.001;
const double length0Wall = diameterWall * 0.75;
// 計算領域
const double sizeX = 4500e-3;
const double sizeZ = 2200e-3;
const double extraSize = diameter;
// 物性値
const double rho = 2.7e3;
const double E = 30e6;
const double nu = 0.2;
// 重力加速度
Vector g = new Vector(0, 0, -9.8);
// 立方体配列を初期化
var computer = new DemComputerCpu(maxDt, g);
// 材質を生成
var materials = new []
{
// 移動粒子
new Material(0, rho, E, nu, new Color4( 50, 50, 255, 255)),
// 壁
new Material(1, rho, E, nu, new Color4(200, 200, 200, 255))
};
ulong particleID = 0;
// 領域内に
for(double x = 0; x < sizeX; x += length0)
{
for(double z = 0; z < sizeZ; z += length0)
{
// 移動粒子作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameter * (0.4 + 0.6 * z / sizeZ), materials[0], ParticleType.FreeMovable)
{
X = new Vector(x, 0, z)
});
}
}
// 床の部分に
for(double x = -extraSize; x < sizeX + extraSize; x += length0Wall)
{
// 作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(x, 0, -extraSize)
});
}
// 壁の部分に
for(double z = -extraSize; z < sizeZ + extraSize; z += length0Wall)
{
// 作成して追加
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(-extraSize, 0, z)
});
computer.AddParticle(new Particle(particleID++, diameterWall, materials[1], ParticleType.Fixed)
{
X = new Vector(sizeX+extraSize, 0, z)
});
}
// 計算中かどうか
bool isComputing = true;
// 個別要素法の自動実行スレッドを生成
Thread demWorker = new Thread((ThreadStart)(() =>
{
// 計算中の間
while(isComputing)
{
// 次ステップに進める
computer.Next();
}
}));
// アプリケーションの終了時に
this.Exit += (sender, e) =>
{
// 計算終了
isComputing = false;
// 実行中断
demWorker.Abort();
};
// 自動実行スレッド開始
demWorker.Start();
// 最上位ウインドウを作成して設定
MainWindow mainWindow = new MainWindow(computer);
base.MainWindow = mainWindow;
// ウインドウ表示
base.MainWindow.Show();
}
/// <summary>
/// 計算を1ステップ進める
/// </summary>
public void Next()
{
// 準備処理
this.prepare();
// 各粒子について
this.EachParticle((particle, i) =>
{
// 重力加速度に設定
particle.A = this.G;
});
// 各粒子について
this.EachParticle(0, this.ParticleCount - 1, (thisParticle, i) =>
{
// 自分の質量を計算
double thisM = thisParticle.M;
// 自分より後ろの番号の粒子について
this.EachParticle(i + 1, this.ParticleCount, (anotherParticle, j) =>
{
// 粒子間の距離を計算
double interparticleDistance = (thisParticle.X - anotherParticle.X).Length - (thisParticle.D + anotherParticle.D) / 2;
// 距離が負なら
if (interparticleDistance < 0)
{
// 変位を計算
double delta = -interparticleDistance;
// 各平均値を計算
// * ヤング係数（調和平均）
// * ポアソン比（調和平均）
// * 質量（相加平均）
double E = DemComputerCpu.HermonicMean(thisParticle.Material.E, anotherParticle.Material.E);
double Nu = DemComputerCpu.HermonicMean(thisParticle.Material.Nu, anotherParticle.Material.Nu);
double M = (thisParticle.M + anotherParticle.M) / 2;
// 逓減率
double s0 = 1.0 / 2 / (1 + Nu);
// ヘルツ理論および1次元臨界減衰条件から、バネ・ダッシュポットの係数を設定：
// * 法線方向バネ：kn = √δ * 2/3 * E/(1-ν^2)*√(d1*d2/2(d1 + d2))
// * 接線方向バネ：ks = kn・s0
// * 法線方向ダッシュポット：cn = 2√(M・kn)
// * 接線方向ダッシュポット：cs = cn/√s0
double k_n = System.Math.Sqrt(System.Math.Abs(delta)) * 2.0f / 3 * E / (1 - Nu * Nu) * System.Math.Sqrt(thisParticle.D * anotherParticle.D / 2 / (thisParticle.D + anotherParticle.D));
double k_s = System.Math.Abs(k_n) * s0;
double c_n = 1000 * 2 * System.Math.Sqrt(M * System.Math.Abs(k_n));
double c_s = c_n * System.Math.Sqrt(s0);
// 粒子2から粒子1を向く法線方向単位ベクトルを計算
Vector n = (thisParticle.X - anotherParticle.X);
// 相対速度を計算
Vector deltaU = anotherParticle.U - thisParticle.U; // +cross(thisOmega, thisD * norm) + cross(anotherOmega, anotherD * norm);
Vector u_n = deltaU.Dot(n) * n;
// 法線・接線方向の各バネ・ダッシュポット力を計算
// * 法線方向バネ：en = kn・δ
// * 接線方向バネ：es = ks・δs
// * 法線方向ダッシュポット：dn = cn・法線方向の相対速度
// * 接線方向ダッシュポット：ds = cs・接線方向の相対速度
// * 接線方向バネ：
Vector e_n = k_n * delta * n;
Vector d_n = c_n * u_n;
// 粒子間力を計算
Vector force = e_n + d_n;
// 粒子間力を更新
thisParticle.A += force / thisM;
anotherParticle.A += -force / anotherParticle.M;
}
});
});
// 時間刻みを設定
double dt = this.MaxDt;
// 各粒子について
this.EachParticle((particle, i) =>
{
// 大きさがゼロでなければ
if (!particle.U.IsZero)
{
// クーラン数から計算した時間刻みを設定
dt = System.Math.Min(dt, 0.02 * particle.D / particle.U.Length);
}
});
// 各粒子について
this.EachParticle((particle, i) =>
{
// 移動粒子なら
if (particle.Type == ParticleType.FreeMovable)
{
// 等加速度直線運動
particle.X += particle.U * dt + particle.A * dt * dt / 2;
particle.U += particle.A * dt;
}
});
// 時刻を進める
this.Dt = dt;
this.T += dt;
this.TimeStep++;
}
