PDF《场景模拟初探》

2010 年全国桥梁学术会议论文集,2010.

11,南京: 921-927

1 基于有限元和虚拟现实的桥梁垮塌事故 场景模拟初探 许镇,卢啸,陆新征 (清华大学土木工程系, 土木工程安全与耐久教育部重点试验室,北京 100084) 【摘要】为准确认定桥梁垮塌事故责任,需要科学而真实的重现垮塌的事故过程.有限元分析可以保证事 故过程力学模拟的科学性,而基于虚拟现实的场景模拟可提供具有充分真实感的图像.本文在有限元软件 MSC.Marc 中对某一桥梁因车辆超载导致垮塌的过程进行了模拟.基于 MSC.Marc 的模拟结果,提出了在 图形引擎 OSG(Open Scene Graph)中实现了桥梁垮塌真实感场景动画的方法. 该方法使场景模拟中桥梁垮塌 过程与有限元结果一致,保证了模拟的科学性.同时,本文开发了 OSG 环境下的桥梁垮塌场景漫游系统. 该系统基于桥梁垮塌场景模型构建了具有真实感和科学性的桥梁垮塌场景,更加准确而逼真的还原了桥梁 垮塌事故过程.文中工作为实现基于有限元和虚拟现实的场景模拟的提供参考,同时也为桥梁垮塌事故鉴 定提供技术支持. 【关键词】桥梁 垮塌 有限元 虚拟现实 场景模拟 1.引言 近些年来,国内外发生了多起桥梁垮塌事故[1][2] ,如2006 年5月16 日,甘肃岷县北门 洮河大桥(双曲石拱桥)突然全部垮塌;

2007 年8月,在建的湖南凤凰大桥发生坍塌,造成

62 人死亡;

2007 年8月1日, 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 事件中世贸大厦及 Khobar Towers 的事故鉴定过程中使用了大量计算机模拟 技术[3][4] ,已经表明基于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.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,准确而高效的确定了桥梁垮塌的原因[5] .I-35W 事故的准确鉴定表明了计算机 模拟技术在桥梁垮塌事故鉴定中的具有重要的应用价值. 桥梁事故鉴定需要通过计算机模拟技术科学而真实的再现桥梁垮塌过程. 有限元技术已 经在桥梁垮塌力学模拟上已经有不少成功的案例[6][7][8] ,有限元技术可以保证垮塌模拟具有 科学性,但是有限元模拟结果较为抽象,缺乏真实感,特别是非力学专业的人员理解有一定 困难.因此,有必要将虚拟现实技术与有限元结合,实现具有科学性和真实感的桥梁垮塌场 景模拟,以更加准确而逼真的还原桥梁垮塌过程,用于桥梁垮塌事故分析与结果展示. 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[9][10], 主要侧 重于基于有限元提高虚拟现实系统的交互性能.在土木建筑领域,Igor 等人研究了实时虚拟 环境下弹性体的模拟,提升了具有大量结点的有限元模型的渲染效率[11].此外,对有限元 的可视化后处理技术研究较多[12],如陈俊涛等开发的地下结构的有限元图形系统,来表现 应力云图等有限元计算结果[13].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. 本文基于 MSC.Marc 有限元软件进行了桥梁垮塌力学模拟.在此基础上,在图形平台 OSG 中实现了基于 MSC.Marc 数据的桥梁垮塌过程的场景动画,使桥梁垮塌场景模拟与科