Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2020-07-06 608cbe1dd70feed73f702459c52876bf62f276b7
commit | author | age
7f6076 1 /* vim: set ts=4 sts=4 sw=4 noet : */
d7639a 2 #include<stdlib.h>
SP 3 #include "general.h"
4 #include "energy.h"
5 #include "vertex.h"
7d84ef 6 #include "bond.h"
d7639a 7 #include<math.h>
SP 8 #include<stdio.h>
a00f10 9
SP 10
11 /** @brief Wrapper that calculates energy of every vertex in vesicle
12  *  
13  *  Function calculated energy of every vertex in vesicle. It can be used in
14  *  initialization procedure or in recalculation of the energy after non-MCsweep *  operations. However, when random move of vertex or flip of random bond occur *  call to this function is not necessary nor recommended. 
15  *  @param *vesicle is a pointer to vesicle.
16  *  @returns TS_SUCCESS on success.
17 */
d7639a 18 ts_bool mean_curvature_and_energy(ts_vesicle *vesicle){
SP 19
f74313 20     ts_uint i;
d7639a 21     
f74313 22     ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
SP 23     ts_vertex **vtx=vlist->vtx;
d7639a 24
SP 25     for(i=0;i<vlist->n;i++){
f74313 26         energy_vertex(vtx[i]);
b01cc1 27         
d7639a 28     }
SP 29
30     return TS_SUCCESS;
31 }
32
a00f10 33 /** @brief Calculate energy of a bond (in models where energy is bond related)
SP 34  *
35  *  This function is experimental and currently only used in polymeres calculation (PEGs or polymeres inside the vesicle).
36  *
37  *  @param *bond is a pointer to a bond between two vertices in polymere
38  *  @param *poly is a pointer to polymere in which we calculate te energy of the bond
39  *  @returns TS_SUCCESS on successful calculation
40 */
fedf2b 41 inline ts_bool bond_energy(ts_bond *bond,ts_poly *poly){
304510 42 //TODO: This value to be changed and implemented in data structure:
M 43     ts_double d_relaxed=1.0;
44     bond->energy=poly->k*pow(bond->bond_length-d_relaxed,2);
fedf2b 45     return TS_SUCCESS;
M 46 };
47
e6efc6 48 /** @brief Calculation of the bending energy of the vertex.
a00f10 49  *  
e6efc6 50  *  Main function that calculates energy of the vertex \f$i\f$. Function returns \f$\frac{1}{2}(c_1+c_2-c)^2 s\f$, where \f$(c_1+c_2)/2\f$ is mean curvature,
SP 51  * \f$c/2\f$ is spontaneous curvature and \f$s\f$ is area per vertex \f$i\f$.
52  *
53  * Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.
a00f10 54  *  Firstly NNs that form two neighboring triangles are found (\f$j_m\f$, \f$j_p\f$ and common \f$j\f$). Later, the scalar product of vectors \f$x_1=(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$, \f$x_2=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot  (\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\f$  and \f$x_3=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$  are calculated. From these three vectors the \f$c_{tp}=\frac{1}{\tan(\varphi_p)}\f$ is calculated, where \f$\varphi_p\f$ is the inner angle at vertex \f$j_p\f$. The procedure is repeated for \f$j_m\f$ instead of \f$j_p\f$ resulting in \f$c_{tn}\f$.
SP 55  *  
854cb6 56 \begin{tikzpicture}{
a00f10 57 \coordinate[label=below:$i$] (i) at (2,0);
SP 58 \coordinate[label=left:$j_m$] (jm) at (0,3.7);
59 \coordinate[label=above:$j$] (j) at (2.5,6.4);
60 \coordinate[label=right:$j_p$] (jp) at (4,2.7);
d7639a 61
a00f10 62 \draw (i) -- (jm) -- (j) -- (jp) -- (i) -- (j);
SP 63
64 \begin{scope}
65 \path[clip] (jm)--(i)--(j);
66 \draw (jm) circle (0.8);
67 \node[right] at (jm) {$\varphi_m$};
68 \end{scope}
69
70 \begin{scope}
71 \path[clip] (jp)--(i)--(j);
72 \draw (jp) circle (0.8);
73 \node[left] at (jp) {$\varphi_p$};
74 \end{scope}
75
76 %%vertices
77 \draw [fill=gray] (i) circle (0.1);
78 \draw [fill=white] (j) circle (0.1);
79 \draw [fill=white] (jp) circle (0.1);
80 \draw [fill=white] (jm) circle (0.1);
81 %\node[draw,circle,fill=white] at (i) {};
854cb6 82 \end{tikzpicture}
a00f10 83
SP 84  * The curvature is then calculated as \f$\mathbf{h}=\frac{1}{2}\Sigma_{k=0}^{\mathrm{neigh\_no}} c_{tp}^{(k)}+c_{tm}^{(k)} (\mathbf{j_k}-\mathbf{i})\f$, where \f$c_{tp}^{(k)}+c_{tm}^k=2\sigma^{(k)}\f$ (length in dual lattice?) and the previous equation can be written as \f$\mathbf{h}=\Sigma_{k=0}^{\mathrm{neigh\_no}}\sigma^{(k)}\cdot(\mathbf{j}-\mathbf{i})\f$ (See Kroll, p. 384, eq 70).
85  *
86  * From the curvature the enery is calculated by equation \f$E=\frac{1}{2}\mathbf{h}\cdot\mathbf{h}\f$.
87  * @param *vtx is a pointer to vertex at which we want to calculate the energy
88  * @returns TS_SUCCESS on successful calculation.
89 */
d7639a 90 inline ts_bool energy_vertex(ts_vertex *vtx){
608cbe 91     ts_uint jj, i, j;
7d84ef 92     ts_double edge_vector_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
SP 93     ts_double edge_vector_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
94     ts_double edge_vector_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
95     ts_double edge_normal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
96     ts_double edge_normal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
97     ts_double edge_normal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
98     ts_double edge_binormal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
99     ts_double edge_binormal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
100     ts_double edge_binormal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
101     ts_double vertex_normal_x=0.0;
102     ts_double vertex_normal_y=0.0;
103     ts_double vertex_normal_z=0.0;
608cbe 104 //    ts_triangle *triedge[2]={NULL,NULL};
a63f17 105
608cbe 106     ts_uint nei,neip,neim;
SP 107     ts_vertex *it, *k, *kp,*km;
108     ts_triangle *lm=NULL, *lp=NULL;
7d84ef 109     ts_double sumnorm;
d7639a 110
7d84ef 111     // Here edge vector is calculated
SP 112 //    fprintf(stderr, "Vertex has neighbours=%d\n", vtx->neigh_no);
113     for(jj=0;jj<vtx->neigh_no;jj++){
114     edge_vector_x[jj]=vtx->neigh[jj]->x-vtx->x;
115     edge_vector_y[jj]=vtx->neigh[jj]->y-vtx->y;
116     edge_vector_z[jj]=vtx->neigh[jj]->z-vtx->z;
608cbe 117
SP 118
119     it=vtx;
120     k=vtx->neigh[jj];
121     nei=0;
122         for(i=0;i<it->neigh_no;i++){ // Finds the nn of it, that is k 
123             if(it->neigh[i]==k){
124                 nei=i;
125                 break;
126             }
127         }
128         neip=nei+1;  // I don't like it.. Smells like I must have it in correct order
129         neim=nei-1;
130         if(neip>=it->neigh_no) neip=0;
131         if((ts_int)neim<0) neim=it->neigh_no-1; /* casting is essential... If not
132 there the neim is never <0 !!! */
133   //  fprintf(stderr,"The numbers are: %u %u\n",neip, neim);
134         km=it->neigh[neim];  // We located km and kp
135         kp=it->neigh[neip];
136
137         if(km==NULL || kp==NULL){
138             fatal("In bondflip, cannot determine km and kp!",999);
139         }
140
141    for(i=0;i<it->tristar_no;i++){
142         for(j=0;j<k->tristar_no;j++){
143             if((it->tristar[i] == k->tristar[j])){ //ce gre za skupen trikotnik
144                 if((it->tristar[i]->vertex[0] == km || it->tristar[i]->vertex[1]
145 == km || it->tristar[i]->vertex[2]== km )){
146                 lm=it->tristar[i];
147          //       lmidx=i;
148                 }
149                 else
150                 {
151                 lp=it->tristar[i];
152          //       lpidx=i;
153                 }
154
155             }
156         }
157     }
158 if(lm==NULL || lp==NULL) fatal("ts_flip_bond: Cannot find triangles lm and lp!",999);
159
160
161 /*
7d84ef 162     // We find lm and lp from k->tristar !
SP 163     cnt=0;
164         for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){
165             for(j=0;j<vtx->neigh[jj]->tristar_no;j++){
166                     if((vtx->tristar[i] == vtx->neigh[jj]->tristar[j])){ //ce gre za skupen trikotnik
167                         triedge[cnt]=vtx->tristar[i];
168                 cnt++;
169                     }
170             }
171         }
172     if(cnt!=2) fatal("ts_energy_vertex: both triangles not found!", 133);
608cbe 173 */
d7639a 174
608cbe 175     sumnorm=sqrt( pow((lm->xnorm + lp->xnorm),2) + pow((lm->ynorm + lp->ynorm), 2) + pow((lm->znorm + lp->znorm), 2));
SP 176
177     edge_normal_x[jj]=(lm->xnorm+ lp->xnorm)/sumnorm;
178     edge_normal_y[jj]=(lm->ynorm+ lp->ynorm)/sumnorm;
179     edge_normal_z[jj]=(lm->znorm+ lp->znorm)/sumnorm;
7d84ef 180
SP 181
182     edge_binormal_x[jj]=(edge_normal_y[jj]*edge_vector_z[jj])-(edge_normal_z[jj]*edge_vector_y[jj]);
183     edge_binormal_y[jj]=-(edge_normal_x[jj]*edge_vector_z[jj])+(edge_normal_z[jj]*edge_vector_x[jj]);
184     edge_binormal_z[jj]=(edge_normal_x[jj]*edge_vector_y[jj])-(edge_normal_y[jj]*edge_vector_x[jj]);
185
608cbe 186     printf("(%f %f %f); (%f %f %f); (%f %f %f)\n", edge_vector_x[jj], edge_vector_y[jj], edge_vector_z[jj], edge_normal_x[jj], edge_normal_y[jj], edge_normal_z[jj], edge_binormal_x[jj], edge_binormal_y[jj], edge_binormal_z[jj]);
7d84ef 187
SP 188     }
189     for(i=0; i<vtx->tristar_no; i++){
190         vertex_normal_x=vertex_normal_x + vtx->tristar[i]->xnorm*vtx->tristar[i]->area;
191         vertex_normal_y=vertex_normal_y + vtx->tristar[i]->ynorm*vtx->tristar[i]->area;
192         vertex_normal_z=vertex_normal_z + vtx->tristar[i]->znorm*vtx->tristar[i]->area;
193     }
194     printf("(%f %f %f)\n", vertex_normal_x, vertex_normal_y, vertex_normal_z);
195     vtx->energy=0.0;
196     return TS_SUCCESS;
d7639a 197 }
e5858f 198
SP 199 ts_bool sweep_attraction_bond_energy(ts_vesicle *vesicle){
200     int i;
201     for(i=0;i<vesicle->blist->n;i++){
202         attraction_bond_energy(vesicle->blist->bond[i], vesicle->tape->w);
203     }
204     return TS_SUCCESS;
205 }
206
207
208 inline ts_bool attraction_bond_energy(ts_bond *bond, ts_double w){
209
210     if(fabs(bond->vtx1->c)>1e-16 && fabs(bond->vtx2->c)>1e-16){
032273 211         bond->energy=-w;
e5858f 212     }
SP 213     else {
214         bond->energy=0.0;
215     }
216     return TS_SUCCESS;
217 }
250de4 218
SP 219 ts_double direct_force_energy(ts_vesicle *vesicle, ts_vertex *vtx, ts_vertex *vtx_old){
220     if(fabs(vtx->c)<1e-15) return 0.0;
221 //    printf("was here");
222     if(fabs(vesicle->tape->F)<1e-15) return 0.0;
223
224     ts_double norml,ddp=0.0;
225     ts_uint i;
226     ts_double xnorm=0.0,ynorm=0.0,znorm=0.0;
02d65c 227     /*find normal of the vertex as sum of all the normals of the triangles surrounding it. */
250de4 228     for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){
02d65c 229             xnorm+=vtx->tristar[i]->xnorm;
MF 230             ynorm+=vtx->tristar[i]->ynorm;
231             znorm+=vtx->tristar[i]->znorm;
250de4 232     }
SP 233     /*normalize*/
234     norml=sqrt(xnorm*xnorm+ynorm*ynorm+znorm*znorm);
235     xnorm/=norml;
236     ynorm/=norml;
237     znorm/=norml;
238     /*calculate ddp, perpendicular displacement*/
c372c1 239     ddp=xnorm*(vtx->x-vtx_old->x)+ynorm*(vtx->y-vtx_old->y)+znorm*(vtx->z-vtx_old->z);
250de4 240     /*calculate dE*/
SP 241 //    printf("ddp=%e",ddp);
242     return vesicle->tape->F*ddp;        
243     
244 }
7ec6fb 245
SP 246 void stretchenergy(ts_vesicle *vesicle, ts_triangle *triangle){
04694f 247     triangle->energy=vesicle->tape->xkA0/2.0*pow((triangle->area/vesicle->tlist->a0-1.0),2);
7ec6fb 248 }