Accurate frictional contact is critical in simulating the assembly of rod-like structures in the practical world, such as knots, hairs, flagella, and more. Due to their high geometric nonlinearity and elasticity, rod-on-rod contact remains a challenging problem tackled by researchers in both computational mechanics and computer graphics. Typically, frictional contact is regarded as constraints for the equations of motions of a system. Such constraints are often computed independently at every time step in a dynamic simulation, thus slowing down the simulation and possibly introducing numerical convergence issues. This paper proposes a fully implicit penalty-based frictional contact method, Implicit Contact Model (IMC), that efficiently and robustly captures accurate frictional contact responses. We showcase our algorithm's performance in achieving visually realistic results for the challenging and novel contact scenario of flagella bundling in fluid medium, a significant phenomenon in biology that motivates novel engineering applications in soft robotics. In addition to this, we offer a side-by-side comparison with Incremental Potential Contact (IPC), a state-of-the-art contact handling algorithm. We show that IMC possesses comparable performance to IPC while converging at a faster rate.


翻译:精确摩擦接触对于模拟实际世界中诸如结节、毛发、旗纹等类似棒状结构的组装至关重要。由于其高几何非线性和弹性,极速摩擦接触仍然是研究人员在计算机和计算机图形中处理的一个棘手问题。通常,摩擦接触被视为一个系统动作方程式的制约因素。这种限制通常在动态模拟的每个步骤中独立计算,从而减缓模拟,并可能引入数字趋同问题。本文建议一种完全隐含的惩罚性摩擦接触方法,即隐性接触模型(IMC),有效和有力地捕捉到准确的摩擦接触反应。我们展示了我们的算法在以具有挑战性和新颖的接触方式在流体介质上取得现实效果方面的表现,这是生物学中的一种重要现象,激发了软机器人的新工程应用。此外,我们提供了一种与递增潜力联系(IPC)的平行比较,即一种状态接触处理算法。我们表明,IMC在接近IPC的同时,其性能更快地与IPC相近。

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