專利名稱：基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)在橋梁工程應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
橋梁作為重要的生命線工程，其垮塌事故往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。橋梁垮塌有限元分析是橋梁垮塌事故鑒定中常用方法。在垮塌問題上，有限元分析常常會(huì)產(chǎn)生大量失效單元。然而，單元一旦失效，將不再參加后續(xù)的有限元計(jì)算，缺乏后續(xù)計(jì)算數(shù)據(jù)，在圖形上也會(huì)變得不可見。由于這些不可見的失效單元，橋梁的有限元分析結(jié)果是非常不完整的。橋梁垮塌事故鑒定中，模擬結(jié)果與真實(shí)事故場(chǎng)景的殘骸對(duì)照是檢查模擬是否符合實(shí)際的重要手段。但是，大量不可見的失效單元造成了有限元分析中殘骸圖形的嚴(yán)重不完整，無法用于殘骸對(duì)照。另外，有限元分析主要采用抽象的力學(xué)模型，模型真實(shí)感比較差，而且有限元分析結(jié)果也難以達(dá)到實(shí)時(shí)的渲染速度，影響對(duì)模擬結(jié)果的觀察。因此，橋梁垮塌的有限元分析有待于進(jìn)一步改善。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的旨在至少解決上述的技術(shù)缺陷之一。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例提出一種基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)，包括獲取模塊，用于通過有限元分析獲得橋梁垮塌的初步仿真數(shù)據(jù)，其中，所述初步仿真數(shù)據(jù)包括橋梁 模型數(shù)據(jù)、橋梁變形數(shù)據(jù)和失效單元數(shù)據(jù)；第一建立模塊，用于根據(jù)有限元分析中獲得的所述橋梁模型數(shù)據(jù)建立真實(shí)感的橋梁視景模型；第一生成模塊，用于在所述橋梁視景模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用橋梁變形數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中生成橋梁垮塌過程中的變形動(dòng)畫；獲取建立模塊，用于根據(jù)橋梁垮塌有限元分析獲得的所述失效單元數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中建立碎塊的圖形模型；第二建立模塊，用于根據(jù)所述碎塊的圖形模型，建立高效的碎塊的計(jì)算模型，其中，所述計(jì)算模型用來生成碎塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；第二生成模塊，用于通過碎塊圖形模型與計(jì)算模型的配合機(jī)制，在視景模擬環(huán)境中生成碎塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫；同步模塊，用于將橋梁變形動(dòng)畫和碎塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)完整的橋梁垮塌視景仿真。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)，橋梁垮塌視景仿真具有完整的碎塊信息，彌補(bǔ)了有限元分析中失效單元造成的圖形不完整，而且橋梁垮塌視景仿真過程具有良好的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例中，所述第一生成模塊具體包括環(huán)境單元，用于采用OSG圖形引擎作為視景仿真環(huán)境；更新單元，用于通過回調(diào)機(jī)制利用橋梁變形數(shù)據(jù)在每一幀都對(duì)橋梁視景模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新，從而形成橋梁垮塌過程中橋梁的變形動(dòng)畫。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例中，所述第二建立模塊具體包括計(jì)算單元，用于通過物理引擎PhysX計(jì)算碎塊圖形的運(yùn)動(dòng)；設(shè)定單元，用于設(shè)定一個(gè)基本網(wǎng)格，并將位于所述基本網(wǎng)格內(nèi)的碎塊圖形作為一個(gè)對(duì)應(yīng)的碎塊圖形聚類；建立單元，用于根據(jù)所述碎塊圖形聚類建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型，其中，所述碎塊計(jì)算模型的外形通過碎塊圖形聚類的包圍盒獲得。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例中，所述第二生成模塊具體包括第一建立單元，用于通過所述碎塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)建立Fragment類,其中，所述Fragment類包含碎塊圖形和對(duì)應(yīng)的碎塊計(jì)算模型；第二建立單元，用于建立Move-calIback類來設(shè)置Fragment類的回調(diào)機(jī)制,在回調(diào)中形成碎塊圖形模型和碎塊計(jì)算模型的配合機(jī)制，其中，所述配合機(jī)制在每一幀中獲得碎塊計(jì)算模型的實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)，并用所述計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)碎塊圖形的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新；生成單元，用于通過對(duì)所述碎塊計(jì)算模型的不斷更新碎塊圖形形成碎塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。本實(shí)用新型附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。

本實(shí)用新型上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真方法的流程圖；圖2為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的碎塊圖形聚類與碎塊計(jì)算模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖；圖3為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的橋梁垮塌視景仿真過程示意圖；圖4為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的本實(shí)用新型的視景仿真結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比圖；圖5為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對(duì)本實(shí)用新型的限制。在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本實(shí)用新型的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。圖I為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真方法的流程圖。如圖I所示，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于有限元模擬的橋梁坍塌的視景仿真方法，包括以下步驟步驟SlOl，通過有限元分析獲得橋梁垮塌的初步仿真數(shù)據(jù)，其中，初步仿真數(shù)據(jù)包括橋梁模型數(shù)據(jù)、橋梁變形數(shù)據(jù)和失效單元數(shù)據(jù)。具體地，橋梁模型數(shù)據(jù)包括頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及單元數(shù)據(jù)(頂點(diǎn)的組織數(shù)據(jù))，而橋梁變形數(shù)據(jù)指垮塌過程中每一個(gè)有限元的時(shí)間步長(zhǎng)上所有頂點(diǎn)的位移情況，也就是頂點(diǎn)位移隨時(shí)間變化的信息。失效單元數(shù)據(jù)指每一 個(gè)有限元的時(shí)間步長(zhǎng)上失效單元的數(shù)據(jù)。[0022]步驟S102，根據(jù)有限元分析中獲得的橋梁模型數(shù)據(jù)建立真實(shí)感的橋梁視景模型。具體地，根據(jù)橋梁模型數(shù)據(jù)，在OSG圖形引擎中建立橋梁的視景模型。對(duì)橋梁的視景模型進(jìn)行紋理貼圖，增加模型的真實(shí)感。步驟S103，在橋梁視景模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用橋梁變形數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中生成橋梁垮塌過程中的變形動(dòng)畫。具體地，采用OSG圖形引擎作為視景仿真環(huán)境，然后通過回調(diào)機(jī)制利用橋梁變形數(shù)據(jù)在每一幀都對(duì)橋梁視景模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新，從而形成橋梁垮塌過程中橋梁的變形動(dòng)畫。步驟S104，根據(jù)橋梁垮塌有限元分析獲得的失效單元數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中建立碎塊的圖形模型。具體地，根據(jù)失效單元數(shù)據(jù)，獲得單元失效時(shí)刻時(shí)單元的位置和形狀數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)建立碎塊的圖形模擬。碎塊圖形模型采用與橋梁視景模型一致的紋理增加碎塊的真實(shí)感。碎塊圖形與失效單元具有相同的形狀，很好地代替了不可見的失效單元。步驟S105，根據(jù)碎塊的圖形模型，建立高效的碎塊的計(jì)算模型，其中，計(jì)算模型用來生成碎塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。具體地，通過物理引擎PhysX計(jì)算碎塊圖形的運(yùn)動(dòng)。然后，設(shè)定一個(gè)基本網(wǎng)格，并將位于基本網(wǎng)格內(nèi)的碎塊圖形作為一個(gè)對(duì)應(yīng)的碎塊圖形聚類，再根據(jù)碎塊圖形聚類建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型，其中，碎塊計(jì)算模型的外形通過碎塊圖形聚類的包圍盒獲得。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，本實(shí)用新型使用物理引擎PhysX計(jì)算碎塊圖形下落、碰撞等運(yùn)動(dòng)，以彌補(bǔ)失效單元運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的缺失。物理引擎是一種實(shí)時(shí)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序，專門用于計(jì)算視景仿真中多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的計(jì)算。
·[0031]橋梁垮塌模擬過程中，碎塊圖形數(shù)量巨大。如果每一個(gè)碎塊圖形，無論體積多小，都對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算模型來進(jìn)行精確的計(jì)算，那么計(jì)算量非常大，碎塊模擬的實(shí)時(shí)性可能難以保證。本實(shí)用新型將位置相近的碎塊圖形作為一個(gè)碎塊圖形聚類，一個(gè)聚類建立一個(gè)計(jì)算模型，以減少計(jì)算量，保證碎塊模擬的實(shí)時(shí)效率。具體如下本實(shí)用新型設(shè)定一個(gè)基本網(wǎng)格Basic Grid,位于Basic Grid網(wǎng)格內(nèi)的碎塊圖形將作為一個(gè)碎塊圖形聚類。Basic Grid的尺寸為相鄰碎塊圖形平均間距的2-3倍時(shí)一般可以滿足準(zhǔn)確度和渲染性能要求。為使物理角色數(shù)量盡量小,聚類問題轉(zhuǎn)化為用最少的Basic Grid包圍空間中所有的碎塊圖形。本實(shí)用新型對(duì)每一幀的碎塊圖形分別進(jìn)行聚類計(jì)算。假設(shè)當(dāng)前幀為tk，生成的碎塊圖形數(shù)量為n。以碎塊圖形下落主方向Z軸方向?yàn)槔僭O(shè)不同碎塊圖形間的相對(duì)
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距離將」"如以下公式所示方法進(jìn)行歸一化處理。d:J 二 ’— z,
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i=l，2，…，n，j=l，2，…，n，其中，該公式表示與碎塊圖形i相對(duì)距離在BasicGrid高度h范圍內(nèi)d 1灼為1，否則都為O。由<可以得到歸一化的相對(duì)距離矩陣Dz，如下式所示
權(quán)利要求1.一種基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)，包括 獲取模塊，用于通過有限元分析獲得橋梁垮塌的初步仿真數(shù)據(jù)，其中，所述初步仿真數(shù)據(jù)包括橋梁模型數(shù)據(jù)、橋梁變形數(shù)據(jù)和失效單元數(shù)據(jù)； 第一建立模塊，用于根據(jù)有限元分析中獲得的所述橋梁模型數(shù)據(jù)建立真實(shí)感的橋梁視景模型； 第一生成模塊，用于在所述橋梁視景模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用橋梁變形數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中生成橋梁垮塌過程中的變形動(dòng)畫； 獲取建立模塊，用于根據(jù)橋梁垮塌有限元分析獲得的所述失效單元數(shù)據(jù)，在視景仿真環(huán)境中建立碎塊的圖形模型； 第二建立模塊，用于根據(jù)所述碎塊的圖形模型，建立高效的碎塊的計(jì)算模型，其中，所述計(jì)算模型用來生成碎塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)； 第二生成模塊，用于通過碎塊圖形模型與計(jì)算模型的配合機(jī)制，在視景模擬環(huán)境中生成碎塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫；以及 同步模塊，用于將橋梁變形動(dòng)畫和碎塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)完整的橋梁垮塌視景仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所 述第一生成模塊具體包括 環(huán)境單元，用于采用OSG圖形引擎作為視景仿真環(huán)境； 更新單元，用于通過回調(diào)機(jī)制利用橋梁變形數(shù)據(jù)在每一幀都對(duì)橋梁視景模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新，從而形成橋梁垮塌過程中橋梁的變形動(dòng)畫。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述第二建立模塊具體包括 計(jì)算單元，用于通過物理引擎PhysX計(jì)算碎塊圖形的運(yùn)動(dòng)； 設(shè)定單元，用于設(shè)定一個(gè)基本網(wǎng)格，并將位于所述基本網(wǎng)格內(nèi)的碎塊圖形作為一個(gè)對(duì)應(yīng)的碎塊圖形聚類；以及 建立單元，用于根據(jù)所述碎塊圖形聚類建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型，其中，所述碎塊計(jì)算模型的外形通過碎塊圖形聚類的包圍盒獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述第二生成模塊具體包括 第一建立單元，用于通過所述碎塊運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)建立Fragment類,其中，所述Fragment類包含碎塊圖形和對(duì)應(yīng)的碎塊計(jì)算模型； 第二建立單兀，用于建立Move-calIback類來設(shè)置Fragment類的回調(diào)機(jī)制,在回調(diào)中形成碎塊圖形模型和碎塊計(jì)算模型的配合機(jī)制，其中，所述配合機(jī)制在每一幀中獲得碎塊計(jì)算模型的實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)，并用所述計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)碎塊圖形的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更新；以及生成單元，用于通過對(duì)所述碎塊計(jì)算模型的不斷更新碎塊圖形形成碎塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種基于有限元分析的橋梁垮塌的視景仿真系統(tǒng)。包括獲取模塊用于通過有限元分析獲得橋梁垮塌的橋梁模型數(shù)據(jù)、橋梁變形數(shù)據(jù)和失效單元數(shù)據(jù)；第一建立模塊用于根據(jù)橋梁模型數(shù)據(jù)建立真實(shí)感的橋梁視景模型；第一生成模塊用于利用橋梁變形數(shù)據(jù)在視景仿真環(huán)境中生成橋梁垮塌過程中的變形動(dòng)畫；獲取建立模塊用于根據(jù)失效單元數(shù)據(jù)建立碎塊的圖形模型；第二建立模塊用于根據(jù)碎塊的圖形模型建立高效的碎塊的計(jì)算模型；第二生成模塊用于通過碎塊圖形模型與計(jì)算模型的配合機(jī)制生成碎塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫；同步模塊用于將橋梁變形動(dòng)畫和碎塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫進(jìn)行同步。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)具有完整的碎塊信息使視景仿真過程具有良好的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G06T13/20GK203102375SQ20132005046
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者許鎮(zhèn), 陸新征, 任愛珠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)