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relax_dynamics

对应实现文件：

  • src/shared/particle_dynamics/relax_dynamics/relax_stepping.h

  • src/shared/particle_dynamics/relax_dynamics/relax_stepping.hpp

  • src/shared/particle_dynamics/relax_dynamics/relax_stepping.cpp

本模块的目标：在“粒子松弛（particle relaxation）”过程中，通过迭代更新粒子位置，使分布满足零阶一致性并贴合几何/边界。

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1. 核心数据（变量注册/读写）

RelaxationResidual<Base, ...> 在构造中绑定/注册了关键粒子变量（见 .hpp）：

  • 读取：Position、VolumetricMeasure

  • 注册写入：ZeroOrderResidual（零阶残差，Vecd）、ParticleKineticEnergy（Real）

  • 依赖：SPHAdaptation、Kernel

注意：VolumetricMeasure 表示粒子体积度量（在 2D/3D 通常是面积/体积）；ZeroOrderResidual 是本模块中所有“位移更新”的驱动力。

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2. 类/模板总体结构

该文件的主要结构可以分为三层：

  1. 残差计算器：RelaxationResidual<...> 的不同特化（Inner/Contact/LevelSet/Implicit）。

  2. 单步推进器（Step）：RelaxationStep<TResidual> / RelaxationStepImplicit<TResidual>，组织一次松弛迭代包含的子步骤。

  3. 辅助 Dynamics：RelaxationScaling、PositionRelaxation、UpdateSmoothingLengthRatioByShape。

另外 Explicit / Implicit 在本文件中作为标签类型（tag type）存在：

  • Inner<Implicit>、Inner<LevelSetCorrection, Implicit> 通过 Implicit 标签选择“隐式版本残差/更新”。

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3. 继承关系图（从基类到具体特化）

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3.1 RelaxationResidual 族

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3.2 Step 族

关键差异：

  • RelaxationStep（显式风格）先 relaxation_residual_.exec() 再用 PositionRelaxation 显式更新位置。

  • RelaxationStepImplicit（隐式风格）把“位置更新”合并到 RelaxationResidual<Inner<Implicit...>> 内部（updateStates 会直接改 pos_），因此 exec 不再调用 position_relaxation_。

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4. 各个类的职责与适用范围

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4.1 RelaxationResidual<Base, DataDelegationType>（共同基类）

职责：

  • 统一完成变量绑定、Kernel/Adaptation 访问、数据委托（inner/contact configuration 的访问）。

  • 不直接提供 interaction()，由具体特化实现。

适用：所有松弛残差实现的“骨架”。

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4.2 RelaxationResidual<Inner<>>（最基本的 inner 残差）

职责：

  • 对每个粒子 i，遍历 inner_configuration_[i]，累加零阶残差：

    • 本质上是对邻域核梯度项的离散求和（见 .cpp）。

  • residual_[i] 输出到 ZeroOrderResidual。

  • 持有 relax_shape_：默认用 sph_body_->getInitialShape()；也可通过 sub_shape_name 指定 ComplexShape 的子形状。

适用：

  • 单一 body 的“内部一致性”松弛。

  • 不考虑边界 level set 修正，也不做隐式耦合更新。

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4.3 RelaxationResidual<Inner<LevelSetCorrection>>（inner + level set 边界修正）

继承：RelaxationResidual<Inner<>>

职责：

  • 先调用基础 Inner<> 残差。

  • 再叠加 level set 的核梯度积分项修正：

    • residual_[i] -= 2 * level_set_shape_.computeKernelGradientIntegral(...)

  • 通过 DynamicCast<LevelSetShape>(..., getRelaxShape()) 获取 level_set_shape_。

适用：

  • 当松弛目标形状是 LevelSetShape（或可被动态转换为 LevelSetShape）时，用于更稳健的边界/表面处理。

注意事项：

  • 如果 getRelaxShape() 不是 LevelSetShape，动态转换会失败（通常意味着配置/形状选择不对）。

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4.4 RelaxationResidual<Inner<Implicit>>（隐式版本 inner 松弛）

继承：RelaxationResidual<Inner<>>

职责：

  • 计算一个局部线性/二次形式的误差与参数矩阵：

    • computeErrorAndParameters() 构造 error_、a_、c_。

  • updateStates() 解一个小型线性系统并同时更新：

    • pos_[i] += a_ * k

    • 邻居 pos_[j] -= b * k

  • 输出残差：residual_[i] = -error / dt^2，并记录 ParticleKineticEnergy = |residual|。

适用：

  • 想要更“耦合/隐式”的位置调整（一次 interaction 会同时动到 i 和其邻居 j），减少显式更新可能带来的不稳定。

  • 通常配合 RelaxationStepImplicit 使用（见 4.8）。

注意事项：

  • 该实现包含 parameter_l.inverse()；当局部矩阵病态时可能数值敏感。

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4.5 RelaxationResidual<Inner<LevelSetCorrection, Implicit>>（隐式 + level set 修正）

继承：RelaxationResidual<Inner<Implicit>>

职责：

  • 在隐式 computeErrorAndParameters() 的基础上，加入 level set 的积分/梯度/二阶梯度项，并引入 overlap（核积分）做耦合系数：

    • error_ += ... * (1 + overlap)

    • a_ -= ... * (1 + overlap)

适用：

  • 既希望隐式耦合更新，又希望边界用 level set 更准确/更稳定。

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4.6 RelaxationResidual<Contact<>>（contact 残差）

继承：RelaxationResidual<Base, DataDelegateContact>

职责：

  • 遍历每个接触体 k 的 contact neighborhood，累加来自外部 body 的残差贡献。

  • 为每个接触体注册其 VolumetricMeasure（contact_Vol_），用于体积权重。

适用：

  • 多 body 之间需要保持间距/避免互相穿插的松弛。

  • 通常不会单独使用，而是与 Inner<> 组合成 Complex 交互（见 4.9）。

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4.7 RelaxationScaling（步长/尺度估计）

继承：LocalDynamicsReduce<ReduceMax>

职责：

  • reduce() 返回 |residual[i]|。

  • 通过 ReduceMax 得到全局最大残差后，输出一个缩放：

    • scaling = 0.0625 * h_ref / (maxResidual + TinyReal)

适用：

  • 显式 step：把“残差幅度”转成稳定的位移尺度。

  • 隐式 step：用于计算 sqrt(scaling) 并截断到 0.01（见 .hpp 的 RelaxationStepImplicit::exec）。

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4.8 PositionRelaxation（显式位置更新器）

继承：LocalDynamics

职责：

  • 位置显式更新：

    • pos[i] += residual[i] * scaling * 0.5 / SmoothingLengthRatio(i)

适用：

  • 仅在 RelaxationStep（显式风格）中使用。

  • 隐式步中通常不使用（因为隐式 residual 已直接更新 pos）。

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4.9 UpdateSmoothingLengthRatioByShape（按形状自适应粒子尺度/体积）

继承：LocalDynamics

职责：

  • 根据 AdaptiveByShape::getLocalSpacing(target_shape, pos[i]) 更新：

    • SmoothingLengthRatio = reference_spacing / local_spacing

    • VolumetricMeasure = local_spacing^Dimensions

适用：

  • 当目标形状不同区域需要不同粒子分辨率（局部加密/稀疏）时。

  • 它不在 RelaxationStep 内部自动调用，通常由上层流程在松弛迭代前/迭代中按需调用。

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5. Step 执行流程与“什么时候用哪种 Step”

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5.1 RelaxationStep<TResidual>（显式松弛一步）

执行流程（.hpp）：

  1. real_body_.updateCellLinkedList()

  2. 对所有 body relation：updateConfiguration()

  3. relaxation_residual_.exec()（计算 ZeroOrderResidual）

  4. scaling = relaxation_scaling_.exec()（取 max |residual| 计算尺度）

  5. position_relaxation_.exec(scaling)（显式更新 pos）

  6. surface_bounding_.exec()（几何边界约束/投影/限制）

适用：

  • 想要“逻辑简单、行为直观”的松弛迭代。

  • 通常作为默认选择；若发现显式更新收敛慢/不稳，再考虑隐式。

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5.2 RelaxationStepImplicit<TResidual>（隐式松弛一步）

执行流程（.hpp）：

  1. scaling = min(sqrt(relaxation_scaling_.exec()), 0.01)

  2. relaxation_residual_.exec(scaling)（隐式 residual 内部会直接改 pos）

  3. real_body_.updateCellLinkedList()

  4. 对所有 body relation：updateConfiguration()

  5. surface_bounding_.exec()

适用：

  • 使用 RelaxationResidual<Inner<Implicit...>> 时的推荐 step。

  • 希望每步更新更“耦合”，减少显式算法可能出现的局部振荡。

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6. 常用类型别名（可直接选用的组合）

本文件尾部提供了常用别名：

  • RelaxationStepInner：RelaxationStep<RelaxationResidual<Inner<>>>

    • 单 body、无 level set、显式。

  • RelaxationStepLevelSetCorrectionInner：RelaxationStep<RelaxationResidual<Inner<LevelSetCorrection>>>

    • 单 body、有 level set 边界修正、显式。

  • RelaxationStepComplex：RelaxationStep<ComplexInteraction<RelaxationResidual<Inner<>, Contact<>>>>

    • inner + contact，多 body 接触参与、显式。

  • RelaxationStepLevelSetCorrectionComplex：RelaxationStep<ComplexInteraction<RelaxationResidual<Inner<LevelSetCorrection>, Contact<>>>>

    • inner（带 level set） + contact，多 body、显式。

  • RelaxationStepInnerImplicit：RelaxationStepImplicit<RelaxationResidual<Inner<Implicit>>>

    • 单 body、隐式。

  • RelaxationStepLevelSetCorrectionInnerImplicit：RelaxationStepImplicit<RelaxationResidual<Inner<LevelSetCorrection, Implicit>>>

    • 单 body、隐式 + level set 修正。

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7. 选型建议（经验规则）

  • 只做单体几何贴合、快速得到均匀分布：优先 RelaxationStepInner。

  • 边界附近出现“贴不住/穿透/分布失真”：用 RelaxationStepLevelSetCorrectionInner（前提：shape 是 LevelSet）。

  • 多 body 之间需要避免互相侵入：用 RelaxationStepComplex 或其 level set 版本。

  • 显式更新出现不稳定或收敛慢：尝试 RelaxationStepInnerImplicit（或带 level set 的隐式版本）。

圆柱壁面松弛收敛速度：RelaxationStepLevelSetCorrectionInnerImplicit > RelaxationStepLevelSetCorrectionInner > RelaxationStepInnerImplicit > RelaxationStepInner。

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