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基于有限元分析和虚拟现实的桥梁垮塌场景模拟
时间:2014-12-02    评论:0
    来源:第三维度
    作者:许镇,任爱珠,张劲泉,吕建鸣,宋建永
    单位:清华大学
        交通运输部公路科学研究院

    摘要:为准确、真实、 完整的重现桥梁垮塌事故过程。 研究了结合有限元垮塌分析和虚拟现实技术的桥梁垮塌场景模拟方法。在MSC.Marc中完成了桥梁垮塌有限元分析。基于该有限元分析数据" 设计了桥梁垮塌场景模拟的系统架构" 并提出了一套基于图形引擎 OpenScenneGreph(OSG) 和物理引擎 PhysX 的桥梁垮塌动画和特效的技术流程" 在OSG平台上开发了基于有限元分析数据的桥梁垮塌场景模拟系统。以某石拱桥为例" 展示了基于本系统的桥梁垮塌过程以及碎块! 烟尘等效果" 并与有限元垮塌分析的图形结果进行了对比。结果表明:基于本系统的桥梁垮塌场景模拟具有与有限元模拟相同的准确性" 同时更具有真实感和丰富的场景内容。桥梁垮塌场景模拟准确而真实的还原了桥梁垮塌事故场景" 可以用于桥梁垮塌事故鉴定辅助分析。

    0 引言

    近些年来,国内外发生了多起桥梁垮塌事故,如 2008 年 8 月,在建的湖南凤凰大桥发生坍塌,造成 64 人死亡;2007 年 8 月,美国密西西比河 I-35W 钢桁架拱桥在交通晚高峰时发生垮塌,造成13人死亡,145人受伤。

    这些事故造成了重大的人员伤亡和财产损失,同时也引起了广大工程人员的关注与思考、科学、 高效、 准确的桥梁垮塌事故鉴定,对国家建设、 经济运行、 社会安定,具有非常重要的意义。

    美国 911事件中的世贸大厦垮塌事故鉴定过程中,大量使用了基于有限元法的计算机模拟技术。表明了基于有限元法的计算机模拟技术在结构垮塌事故鉴定调查具有可行性强、 高效、 准确等优点。

    桥梁事故鉴定需要通过计算机模拟技术,科学而准确地再现桥梁垮塌过程,有限元技术,在桥梁垮塌力学模拟上已经有不少成功的案例。在桥梁垮塌事故中,美国国家交通安全委员会对美国明尼苏达州密西西比河I-35W桥事故进行有限元建模分析,并根据影像资料和检测资料修正有限元模型,再现了桥梁倒塌过程,准确而高效地确定了桥梁垮塌的原因。I-35W事故的准确鉴定表明了有限元模拟技术在桥梁垮塌事故鉴定中具有重要的应用价值。

    基于有限元的桥梁垮塌模拟具有科学性。但是,一方面有限元模拟结果是抽象的、 简化的,缺乏真实感,另一方面有限元模拟不包含地形、 桥梁周边景物等信息,无法完整地还原事故垮塌场景。桥梁垮塌事故鉴定过程中,需要将准确而具有真实感的虚拟场景与真实场景对照,并尽可能真实地展现桥梁垮塌过程。虚拟现实技术可以通过纹理、 特效等手段充分展现垮塌过程的真实感,同时还可以包含地形、 地物等诸多场景要素,结合有限元的准确性,可以更加真实、 全面、 准确地再现桥梁垮塌过程,满足桥梁垮塌事故鉴定需要。

    此外,虚拟场景模拟还可以实现三维场景漫游等功能,以最大限度满足桥梁垮塌鉴定过程中观察和表现的需要。因此,有必要在桥梁垮塌有限元力学模拟的基础上,结合虚拟现实技术实现综合的桥梁垮塌场景模拟。

    目前,有限元与虚拟现实结合主要用于虚拟制造和虚拟医学手术等方面等,主要侧重于基于有限元提高虚拟现实系统的交互性能,如Nikitin 等人研究了实时虚拟环境下弹性体的模拟,提升了具有大量节点的有限元模型的渲染效率。

    在土木建筑领域, 对有限元的可视化后处理技术研究较多。如陈俊涛等开发的地下结构有限元图形系统,表现应力云图等有限元计算结果。以上研究在提高虚拟现实系统交互性、 模型渲染效率和有限元模型的表现技术上都有一定突破,但都不侧重于提高有限元模拟结果的真实感。

    本文旨在通过有限元和虚拟现实技术真实地、准确地、 完整地再现桥梁垮塌过程。本文基于有限元软件MSC.Marc的模拟数据提出了桥梁垮塌场景模拟系统的架构,设计了基于图形平台 OpenScenneGreph(OSG) 和物理引擎 PhysX的桥梁垮塌场景模拟实现方法。在此基础上开发了基于有限元数据的桥梁垮塌场景模拟系统,并对一个石拱桥的垮塌算例进行了场景模拟。

    1 系统架构

    桥梁垮塌事故鉴定不仅需要逼真的桥梁垮塌过程的场景模拟,而且还需要具有一定的场景交互操作功能和良好的使用界面,以辅助桥梁垮塌事故分析。为此,本文将桥梁垮塌场景模拟系统分为界面层、 功能层、 实现层、 模型层、 数据层、 支撑层及一个外部层,系统架构见图1。


 图1 桥梁垮塌场景模拟系统架构

    其中,有限元模拟作为外部层,主要获得通过有限元软件 MSC.Marc等力学模拟得到的桥梁倒塌计算结果,包括节点坐标、单元拓扑关系、 节点的位移时程等。这些有限元数据与纹理数据、 地形数据等共同构成系统的数据层。

    系统的运行流程是在模型层实现桥梁模型和地形模型的建模,在实现层中完成系统垮塌动画、 特效、漫游等核心功能,然后在功能层将虚拟环境下的桥梁垮塌模拟进行展示,同时提供模拟控制等交互功能。最后,将系统功能都封装到使用界面上,便于用户可视化操作。基于图 & 中的系统架构,该系统除了具有桥梁垮塌模拟的功能外,还提供了良好交互性能,为桥梁垮塌事故辅助分析提供了必要的工具。本文重点对桥梁垮塌场景模拟系统中最为核心的垮塌动画和特效实现进行论述,系统相关开发工作不在本文中展开。

    2 有限元数据

    在桥梁垮塌有限元模拟的数据文件中,涉及虚拟场景表现主要包括节点、 单元、 位移数据和生死单元数据,见表1。


表 1 涉及虚拟场景模拟的有限元数据

    由于垮塌过程中存在破裂、 脱离等非连续现象,有限元法常会使用‘生死单元’ 技术来模拟这些非连续现象,即一些变形或应力大的单元将会被‘杀死。

    根据有限元数据建立桥梁场景模型需要考虑渲染效率、 动画控制和纹理设置等问题。由于有限元数据量都很大,建模过程中应合理的降低几何对象的数量,以减少渲染工作量,同时,应该保证每一个节点和单元都是可以动态修改,以模拟节点位移和‘生死单元’。此外,为满足真实感要求,不同构件需要设置不同的纹理。

    3 场景模拟实现

    基于有限元桥梁垮塌虚拟场景模拟包括垮塌动画、 碎块模拟和烟尘模拟 F 部分。垮塌动画指根据有限元的数据实现桥梁几何对象的变形和位移,以表现垮塌过程。碎块模拟是针对有限元采用‘生死单元’ 技术后的补充,即将这些被‘杀死’ 的单元在图形上表现为可以脱离桥体独立运动的碎块,需要模拟这些碎块运动及碰撞效果。烟尘模拟指桥体及碎块与地面接触后产生的烟尘效果。

    OSG是一个开源的功能强大的高级图形引擎,本文选择 OSG 作为模拟的图形平台。在 OSG 中,实现动画的方法很多。

    但是对于数量巨大的有限元位移数据,最准确而高效的方法是直接更新桥梁模型的几何顶点坐标。本文利用 OSG 几何对象的更新回调机制来实现桥梁的垮塌动画。有限元模拟结果给出 了 每个时间步上所有节点的位移,通 过setUpdateCallBack()将这些位移传递给几何对象的更新回调类。重载几何对象的更新回调类的虚函数Update(),可以使几何对象的顶点在每一帧对特定时间步的位移数据更新,产生变形和位移效果。当更新对调达到最大时间步时,结束或重新开始新一轮的垮塌动画。

    当单元被‘杀死’ 时,有限元提供的这些‘杀死单元’ 的位移结果不具有参考价值,因此需要重新计算‘杀死单元’ 的运动情况。‘杀死单元’ 是图形上的碎块,运动过程中会出现碎块间及碎块与地面的碰撞,并最终会堆砌在一起。这些运动过程相当复杂,因此需要专门的物理引擎进行模拟。本文选择 PhysX 作为物理引擎来模拟碎块的运动,这是一款功能强大的物理引擎,可以采用显卡的 RSU提高物理计算速度。

    OSG在图形空间中展示几何对象的空间运动,而 PhysX 在物理空间计算物体的运动情况,两者是独立的。将 OSG 与 PhysX 绑定的基本方法是提取 PhysX 的运动数据实时更新到 OSG 动画中。对于碎块模拟而言,需要基于 OSG 的 MatrixTransform类建立一个Fragment类,它包含‘杀死单元’ 的几何对象及该几何对象相应的物理角色。在 OSG  中MatrixTransform类可以实现几何对象的刚体位移,而在 PhysX 中,物理角色的下落、 碰撞等运动都可以被快速模拟,并可以提供每一个时间步的空间运动数据。因此,需要设置 Fragment的回调函数,将物理角色的运动数据对碎块的空间运动矩阵进行设置,从而实现碎块的各种运动效果。当物理角色的运动速度小于一定值时,PhysX 会将这个角色休眠,不再进行物理计算。在 OSG 的图形效果上表现为运动停止。

    烟尘效果的模拟是通过 OSG 中的粒子系统实现的。当碎块或者桥体接触地面后,在 OSG 中启动粒子系统,产生烟尘效果。粒子系统会自动更新模拟烟尘的运动,当粒子系统达到生命期时,粒子系统不再更新,烟尘效果会消失。

    为了不破坏桥梁场景模型与有限元的对应关系,‘杀死单元’在 OSG 环境中并未被删除,只是图形上不可见。同时,新建‘杀死单元’的几何对象,并与 PhysX 物理角色进行绑定来模拟碎块的运动。

    为了不因新建几何对象影响模拟的实时性,可以在OSG和 PhysX 中预先建好碎块几何对象和物理角色。

    同样,粒子系统也可以预先建立。综上所述,每个几何单元的模拟实现流程见图2。


图 2 桥梁几何单元虚拟场景模拟流程

    4 实例应用

    本文的算例为某一4 跨石拱桥,在MSC.Marc中进行桥梁垮塌模拟,使用了‘生死单元法’模拟破碎或脱落的单元。该有限元模型全部使用六面体单元,共 60320个, 节点数量为83846个,模拟时间为9.6s。本文实现的桥梁垮塌动画与有限元模拟结果对比如图3所示。


 图3 有限元模拟结果与本文垮塌动画结果对比

    通过对比可以看出本文的桥梁垮塌动画可以准确地表现有限元模拟结果。基于 PhysX 的碎块效果和应用粒子系统生成的烟尘效果共同构成了桥梁垮塌的特效,如图4 所示,特效的引入大大增加了桥梁垮塌过程的真实感。


图4 包含特效桥梁垮塌场景模拟

    同时,本文还将地形、 河流、 天空等场景要素加入的桥梁垮塌模拟过程,实现了准确的、 具有真实感的、 完整的桥梁垮塌虚拟场景模拟,如图5所示。


图5 完整的桥梁垮塌场景

    5 结论

    (1)通过与有限元结果对比,通过本文方法实现的桥梁垮塌动画可以准确反映有限元模拟结果。

    (2)通过文中特效技术和引入场景要素,桥梁垮塌虚拟场景模拟比有限元模拟结果更加具有真实感和完整性。

    (3) 桥梁垮塌虚拟场景模拟可以准确、 真实、完整地再现垮塌事故过程,因此能够更好地辅助桥梁垮塌事故鉴定。

    参考文献:(略)

标签:有限元桥梁垮塌OSG
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