第12章：物理模拟与动力学

Haiyue2025/9/1大约 5 分钟

第12章：物理模拟与动力学

学习目标

理解刚体物理模拟
掌握柔体和布料模拟
学会流体模拟系统
掌握烟雾和火焰模拟
理解碰撞检测和约束系统

12.1 物理模拟基础

物理模拟概念

物理引擎：计算物体运动和交互的系统
时间步长：模拟计算的时间间隔
碰撞检测：判断物体是否相撞的算法
约束系统：限制物体运动的规则

Blender物理系统

属性面板 → 物理属性
- Rigid Body：刚体模拟
- Soft Body：柔体模拟
- Cloth：布料模拟
- Fluid：流体模拟
- Collision：碰撞检测

世界设置

场景属性 → 重力
- Gravity: [0, 0, -9.8] (标准重力)
- Units: 单位设置影响物理计算

12.2 刚体物理模拟

基本概念

Active（主动刚体）：参与物理计算的动态物体
Passive（被动刚体）：静态碰撞体，不受力影响
质心（Center of Mass）：物体重心位置

刚体设置

物理属性 → Rigid Body:
- Type: Active/Passive
- Shape: 碰撞形状
  - Box: 盒型（快速）
  - Sphere: 球型
  - Convex Hull: 凸包
  - Mesh: 精确网格（慢）
- Mass: 质量
- Friction: 摩擦力
- Bounciness: 弹性

约束系统

Fixed（固定）：完全固定两个物体
Point（点）：在点处连接，可自由旋转
Hinge（铰链）：沿一个轴旋转
Slider（滑块）：沿一个轴滑动
Spring（弹簧）：弹性连接

实例：多米诺骨牌

# 创建多米诺序列
import bpy
import bmesh

def create_domino_sequence(count=10, spacing=2.0):
    for i in range(count):
        # 创建立方体
        bpy.ops.mesh.primitive_cube_add(
            location=(i * spacing, 0, 1), 
            scale=(0.2, 1, 2)
        )
        
        # 设置刚体
        obj = bpy.context.active_object
        obj.rigid_body.type = 'ACTIVE'
        obj.rigid_body.mass = 1.0
        obj.rigid_body.friction = 0.5

12.3 柔体模拟

柔体原理

弹簧-质点模型：顶点作为质点，边作为弹簧
内力：维持形状的弹性力
外力：重力、风力等环境力

基本设置

物理属性 → Soft Body:
- Object → Mass: 质量
- Object → Friction: 摩擦系数
- Object → Speed: 运动阻尼

Goal:
- Strength: 目标强度
- Default: 默认权重

弹簧设置

Edges:
- Pull: 拉伸强度
- Push: 压缩强度
- Damping: 阻尼
- Plastic: 塑性变形
- Bending: 弯曲强度

自碰撞

Self Collision:
- Enable: 启用自碰撞
- Size: 碰撞球半径
- Stiffness: 碰撞强度

12.4 布料模拟

布料物理

织物结构：经纬线交织结构
拉伸阻力：防止过度拉伸
弯曲阻力：维持布料厚度感

基本设置

物理属性 → Cloth:
Physical Properties:
- Mass: 面密度
- Air Viscosity: 空气阻力
- Bending Stiffness: 弯曲刚度

Material:
- Structural: 结构强度
- Shear: 剪切强度
- Bending: 弯曲强度

布料预设

Cotton（棉布）：中等强度
Silk（丝绸）：柔软光滑
Denim（牛仔布）：厚重坚韧
Leather（皮革）：硬质材料
Rubber（橡胶）：高弹性

固定点设置

Shape → Pin Group:
1. 在编辑模式选择固定顶点
2. 创建顶点组
3. 在布料设置中指定Pin Group

风力效果

添加 → Force Field → Wind
- Strength: 风力强度
- Flow: 气流效果
- Noise: 湍流噪声

12.5 流体模拟

流体类型

Domain（域）：计算流体的空间范围
Flow（流）：产生或吸收流体的物体
Effector（效应器）：影响流体的物体

Mantaflow引擎

物理属性 → Fluid:
Type: Domain
Settings:
- Resolution: 计算精度
- Time Scale: 时间缩放
- CFL Number: 稳定性参数
- Gravity: 重力设置

液体模拟

Domain → Liquid:
- Viscosity: 粘度
- Surface Tension: 表面张力
- Density: 密度

Flow Object:
- Flow Type: Liquid
- Flow Behavior: Inflow/Outflow
- Initial Velocity: 初始速度

气体模拟（烟雾）

Domain → Gas:
- Density: 密度
- Temperature: 温度
- Vorticity: 涡流强度

Flow Object:
- Flow Type: Smoke/Fire/Both
- Density: 烟雾密度
- Temperature: 温度差

12.6 烟雾和火焰模拟

快速设置

Object → Quick Effects:
- Smoke: 烟雾效果
- Fire: 火焰效果
- Smoke + Fire: 组合效果

高级火焰设置

Flow Settings:
- Fuel: 燃料量
- Burn Rate: 燃烧速率
- Flame Smoke: 火焰产生的烟雾
- Temperature: 火焰温度

Domain Settings:
- Flame Vorticity: 火焰涡流
- Burning Rate: 燃烧速率
- Smoke Color: 烟雾颜色

材质设置

Shader Editor → Volume:
- Principled Volume: 主体积材质
- Density: 连接烟雾密度
- Color: 连接火焰颜色
- Temperature: 连接温度属性

12.7 碰撞系统

碰撞设置

物理属性 → Collision:
- Enabled: 启用碰撞
- Damping: 阻尼系数
- Thickness: 碰撞厚度
- Friction: 摩擦系数
- Permeability: 渗透性

碰撞形状优化

简单形状：Box、Sphere用于性能
精确形状：Mesh用于准确性
内外检测：Single Sided vs Double Sided

碰撞组

Relations:
- Collision Group: 碰撞组
- Absorb Group: 吸收组
用于控制哪些物体可以碰撞

12.8 约束与连接

刚体约束

添加 → Empty → 选择约束类型
Rigid Body Constraint:
- Type: 约束类型
- Object 1/2: 连接的物体
- Breaking Threshold: 断裂阈值

约束参数

Generic约束：
- Location: 位置限制
- Rotation: 旋转限制
- Springs: 弹簧设置
Motor约束：
- Target Velocity: 目标速度
- Max Impulse: 最大冲量

12.9 高级物理技巧

缓存管理

Cache:
- Start/End Frame: 缓存范围
- Disk Cache: 磁盘缓存
- Compression: 压缩选项

性能优化

降低分辨率：减少计算量
使用简化碰撞：Box代替Mesh
限制影响范围：设置Force Field距离
分层计算：将复杂场景分解

时间重映射

Scene → Time Remapping:
- Speed: 播放速度
- Frame Remapping: 帧重映射
用于创建慢动作或加速效果

12.10 实战案例

案例1：破碎效果

使用Cell Fracture插件分割物体
设置碎片为Active刚体
添加爆炸力场
调整质量和摩擦参数

案例2：布料下落

创建布料平面
设置Pin Group固定角落
添加碰撞地面
调整布料参数实现真实感

案例3：液体容器

创建容器（设为碰撞体）
设置液体域
添加液体流入物体
调整粘度和表面张力

实践练习

创建保龄球游戏场景
制作旗帜飘扬动画
模拟水杯倒水效果
设计爆炸破坏场景
制作烟雾上升动画

关键要点

物理模拟需要合理的世界设置和单位
刚体模拟适合硬质物体的碰撞
柔体模拟可以创造有机变形效果
布料模拟需要合适的固定点和参数
流体模拟分辨率影响真实感和性能
约束系统可以创造复杂的机械运动
缓存管理对于复杂模拟至关重要

下一章预告

下一章将学习节点系统与程序化工作流，包括着色器节点、几何节点和复合节点的高级应用。