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

2 学的有限元模拟结果保持一致. 同时开发了桥梁垮塌场景漫游系统, 构建了具有真实感和科 学性的桥梁垮塌场景,以还原桥梁垮塌过程,用于桥梁垮塌事故鉴定. 2.系统介绍 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, 而且还需要一定的场景交 互操作功能,因此一个完整的桥梁垮塌场景模拟系统应该具有良好的模拟效果和交互性能. 对于场景模拟,一方面需要有限元数据的支持,作为科学模拟的保证,另一方面由于真实感 的需要,模拟场景也需要具有地形模型、纹理数据、垮塌特效等多种要素,并根据桥梁事故 鉴定需要开发相应的漫游操作和交互操作. 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,其架构见图 1.其中,有限元模 拟作为外部层, 模拟的结果数据和模型数据将应用到该系统中. 有限元数据来源于有限元软 件MSC.Marc 力学模拟得到的桥梁倒塌计算结果, 包括节点坐标和单元拓扑关系, 以及节点 的位移时程.将节点坐标和单元拓扑在 OSG 中建立桥梁模型,再利用节点位移时程数据实 现桥梁垮塌动画,最后在利用桥梁的垮塌模型建立基于 OSG 的桥梁场景漫游系统,更具真 实感的表现桥梁垮塌场景. 模型层 模型层 实现层 用户 功能层 支撑层 SQL Database 数据文件 OSG graphic engine Windows 2000\2003\XP Microsoft.NET framework 2.0 交互操作 漫游实现 特效实现 界面层 使用界面 场景模拟 模拟动画 桥梁模型 地形模型 外部层 有限元模 拟图1桥梁垮塌场景模拟系统架构图 3.桥梁垮塌有限元模拟 某钢筋混凝土大桥全长 191.6m,主桥上部结构为混凝土组合桁架拱桥,跨径 138m,用 途为公路桥,如图 2. 图2某钢筋混凝土桥梁立面示意图 在MSC.Marc 软件中建立桥梁的非线性有限元模型, 为模拟该钢筋混凝土桥因超载工况 导致垮塌的过程,特意将模型中的标准车(55 吨)后四轴轴重增加近一倍,形成总轴重为

107 吨的特重车,并由

5 辆特重车组成的车队,驶上桥梁,构成超载工况,得到的有限元模 型如图

3 所示:

2010 年全国桥梁学术会议论文集,2010.11,南京: 921-927

3 图3MSC.Marc 中的桥梁有限元模型 有限元方法适用于连续体,在垮塌过程中,对于破碎、分离等非连续力学行为一般采用 生死单元法 进行处理.在垮塌模拟过程中,当混凝土达到压碎应变或钢筋被拉断,则相应 的有限元单元会被 杀死 .在MSC.Marc 的桥梁垮塌模拟完成后,MSC.Marc 软件可以输出 四种文件,用于虚拟现实模块进行场景真实度模拟,见表 1. 表1MSC.Marc 软件提供的数据类型 编号 名称 格式 数据信息

1 DelElem txt 记录垮塌过程中每个时间步上被 杀死 的单元编号

2 DispOut txt 记录垮塌过程每个时间步上每个顶点的位移

3 Elem txt 记录每个单元的类型和顶点编号

4 Node txt 记录每个顶点的三维坐标 4.桥梁垮塌场景动画 本文的桥梁垮塌场景模拟一方面要结合有限元数据, 这就要求要进行大量开发以实现基 于有限元数据对场景模拟中的模型、 动画等场景要素的控制;

另一方面场景模拟是基于虚拟 现实技术的,这就要求场景过程要使用纹理技术、场景特效等高级图形功能.所以本文场景 模拟所需要的图形引擎一方面需要是较大的开发权限, 最好是开源, 以便于最大程度的控制 场景要素;