CN107784138B - 基于结构力学分析的点云重力变形修正方法 - Google Patents

基于结构力学分析的点云重力变形修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于结构力学分析的点云重力变形修正方法，步骤一：对构件进行三维扫描，获取构件的点云数据；步骤二：对构件在自重荷载作用下的状态进行力学简化，受到均布荷载和集中荷载的作用；步骤三：按照叠加原理，对简支梁模型分别求取均布荷载和集中荷载下的挠曲线方程，步骤四：将第一步得到的构件点云坐标数据进行转换；步骤五：在新的坐标系下，对点云Z坐标值进行修正；步骤六：将修正后的点云坐标数据进行坐标逆转换，这就得到经过重力变形修正的点云数据；本发明通过钢构件的力学分析计算钢构件的变形，在点云处理过程中，对不同位置点云进行坐标修正，从而减少由于构件的变形给预拼装精度带来的影响。

Description

基于结构力学分析的点云重力变形修正方法
技术领域
本发明涉及一种变形的数据修正方法，具体的说是基于结构力学分析的点云重力变形修正方法。
背景技术
三维扫描技术可以获得物体表面点的三维坐标信息，特点是非接触、精度高、速度快、能大幅节约时间和成本，且数据的通用性很强，这些优势使三维扫描技术在很多方面都进行了应用。
在建筑钢结构预拼装领域，三维扫描技术也起到越来越重要的作用。它是钢结构数字化预拼装的基础。钢结构的预拼装，要求逆向模型非常精确，才能符合实际拼装情况，这就要求三维扫描得到的点云数据是非常精确的，点云是指在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合。
针对钢结构构件的特点，往往由于工厂条件的限制，在三维扫描过程中，构件摆放时不能设置较多的支撑胎架，或者构件刚度较小，构件摆好后由于自重或者固定装置的作用，导致构件有了较大的变形，此时扫描得到的点云数据是不准确的，自然也会影响到后面点云数据的应用。对于预拼装这种对模型精度要求很高的应用，不加处理的点云对预拼装的精度会有一定的影响。通常的处理方法是，对于这种超长的构件凭经验多设置胎架，保证扫描的点云不受到构件自重变形的影响。这种方法自然增加了预拼装的工作量，而且效率较低。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种基于结构力学分析的点云重力变形修正方法，通过钢构件的力学分析计算钢构件的变形，在点云处理过程中，对不同位置点云进行坐标修正，从而减少由于构件的变形给预拼装精度带来的影响。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于结构力学分析的点云重力变形修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将构件按照两端简支的方式摆好，对构件进行三维扫描，获取构件的点云数据；
步骤二：对构件在自重荷载作用下的状态进行力学简化，形成简化简支梁模型，受到均布荷载和集中荷载的作用，其中均布荷载为构件自重，集中荷载为中间节点的自重；
步骤三：对简支梁模型进行力学分析，得到梁的挠度曲线方程；
按照叠加原理，对简支梁模型分别求取均布荷载和集中荷载下的挠曲线方程：
梁的挠度曲线近似微分方程为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（1）简支梁在均布荷载下的弯矩方程：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
积分后挠度曲线为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
初始条件为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
简支梁均布荷载下的挠度曲线如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
（2）简支梁在集中荷载下的弯矩方程：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
初始条件为：
Figure 338263DEST_PATH_IMAGE010
积分后挠度曲线为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
Figure 269310DEST_PATH_IMAGE016
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
Figure 643879DEST_PATH_IMAGE020
（3）通过叠加，得到简支梁的挠度曲线方程如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
Figure 820039DEST_PATH_IMAGE016
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
Figure 399881DEST_PATH_IMAGE020
步骤四：将第一步得到的构件点云坐标数据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
进行转换，使构件长度方向为坐标轴X方向，坐标范围
Figure 286452DEST_PATH_IMAGE006
，重力反方向为坐标轴Z轴，得到点云在新坐标系下的坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
；
步骤五：在新的坐标系下，对点云Z坐标值进行修正，得到新的坐标数据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
Figure 967225DEST_PATH_IMAGE006
步骤六：将修正后的点云坐标数据
Figure 924905DEST_PATH_IMAGE034
进行坐标逆转换，得到旧坐标系下的坐标数据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
，这就得到经过重力变形修正的点云数据；
上述公式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
——材料的弹性模量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
——梁截面的惯性矩；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
——梁的挠度曲线函数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
——梁的弯矩函数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
——集中荷载；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE058
——均布荷载；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE060
——梁的长度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE062
——参数；
（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE064
）——点云的x轴，y轴,z轴坐标值。
本发明的有益效果是：本发明方法轻易的解决了这个问题，对于此类细长、刚度小的构件，不需要多设置胎架，一般只需要两个支撑胎架，通过适当的模型假定，通过力学分析得到构件的自重变形，对扫描点云进行修正，得到较为精确的点云数据。同时，由于胎架设置少，在点云处理过程中减少了噪点删除的工作量，效率大大提高。
不仅仅在钢结构预拼装领域，在大跨度钢结构安装完成后的安装复核应用方面，三维扫描技术的应用也越来越广泛。通过对已经安装完成的大跨度钢结构进行三维扫描，通过与Tekla加工模型进行比对，可以复核安装效果。由于大跨度结构跨度大，对于屋盖结构，往往刚度较小，结构在自重荷载下的变形较大。这样不经处理的点云与Tekla加工模型的对比偏差较大，参考意义不大。利用本发明的方法，可以得到钢构件在自重变形之前的点云模型，还原其安装位置，通过与Tekla加工模型进行比对，可以比较精确的复核安装效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为三维扫描的钢构件模型示意图。
图2为简化的简支梁模型示意图。
具体实施方式
如图1-2所示：一种基于结构力学分析的点云重力变形修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将构件按照两端简支的方式摆好，对构件进行三维扫描，获取构件的点云数据；
步骤二：对构件在自重荷载作用下的状态进行力学简化，形成简化简支梁模型，受到均布荷载和集中荷载的作用，其中均布荷载为构件自重，集中荷载为中间节点的自重；
步骤三：对简支梁模型进行力学分析，得到梁的挠度曲线方程；
按照叠加原理，对简支梁模型分别求取均布荷载和集中荷载下的挠曲线方程：
梁的挠度曲线近似微分方程为：
Figure 69841DEST_PATH_IMAGE002
（1）简支梁在均布荷载下的弯矩方程：
Figure 342690DEST_PATH_IMAGE004
Figure 71612DEST_PATH_IMAGE006
积分后挠度曲线为：
Figure 583715DEST_PATH_IMAGE008
初始条件为：
Figure 81692DEST_PATH_IMAGE010
简支梁均布荷载下的挠度曲线如下：
Figure 791022DEST_PATH_IMAGE012
（2）简支梁在集中荷载下的弯矩方程：
Figure 741661DEST_PATH_IMAGE014
Figure 624166DEST_PATH_IMAGE016
Figure 994228DEST_PATH_IMAGE018
Figure 936776DEST_PATH_IMAGE020
初始条件为：
Figure 312394DEST_PATH_IMAGE010
积分后挠度曲线为：
Figure 733011DEST_PATH_IMAGE022
Figure 143264DEST_PATH_IMAGE016
Figure 945129DEST_PATH_IMAGE024
Figure 808043DEST_PATH_IMAGE020
（3）通过叠加，得到简支梁的挠度曲线方程如下：
Figure 32351DEST_PATH_IMAGE026
Figure 31531DEST_PATH_IMAGE016
Figure 749170DEST_PATH_IMAGE028
Figure 161697DEST_PATH_IMAGE020
步骤四：将第一步得到的构件点云坐标数据
Figure 625914DEST_PATH_IMAGE030
进行转换，使构件长度方向为坐标轴X方向，坐标范围
Figure 807496DEST_PATH_IMAGE006
，重力反方向为坐标轴Z轴，得到点云在新坐标系下的坐标
Figure 934852DEST_PATH_IMAGE032
；
步骤五：在新的坐标系下，对点云Z坐标值进行修正，得到新的坐标数据
Figure 834675DEST_PATH_IMAGE034
：
Figure 338469DEST_PATH_IMAGE036
Figure 640137DEST_PATH_IMAGE006
步骤六：将修正后的点云坐标数据
Figure 377543DEST_PATH_IMAGE034
进行坐标逆转换，得到旧坐标系下的坐标数据
Figure 702345DEST_PATH_IMAGE038
，这就得到经过重力变形修正的点云数据；
上述公式中，
Figure 72146DEST_PATH_IMAGE040
——材料的弹性模量；
Figure 900425DEST_PATH_IMAGE042
——梁截面的惯性矩；
Figure 697480DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 243999DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 417491DEST_PATH_IMAGE048
——梁的挠度曲线函数；
Figure 428172DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 832347DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 928479DEST_PATH_IMAGE054
——梁的弯矩函数；
Figure 577766DEST_PATH_IMAGE056
——集中荷载；
Figure 442954DEST_PATH_IMAGE058
——均布荷载；
Figure 519494DEST_PATH_IMAGE060
——梁的长度；
Figure 102922DEST_PATH_IMAGE062
——参数；
（
Figure 661293DEST_PATH_IMAGE064
）——点云的x轴，y轴,z轴坐标值。

Claims (1)

1.一种基于结构力学分析的点云重力变形修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将构件按照两端简支的方式摆好，对构件进行三维扫描，获取构件的点云数据；
步骤二：对构件在自重荷载作用下的状态进行力学简化，形成简化简支梁模型，受到均布荷载和集中荷载的作用，其中均布荷载为构件自重，集中荷载为中间节点的自重；
步骤三：对简支梁模型进行力学分析，得到梁的挠度曲线方程；
按照叠加原理，对简支梁模型分别求取均布荷载和集中荷载下的挠曲线方程：
梁的挠度曲线近似微分方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）简支梁在均布荷载下的弯矩方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
积分后挠度曲线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
初始条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
简支梁均布荷载下的挠度曲线如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（2）简支梁在集中荷载下的弯矩方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
初始条件为：
Figure 321484DEST_PATH_IMAGE010
积分后挠度曲线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure 878105DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure 657842DEST_PATH_IMAGE020
（3）通过叠加，得到简支梁的挠度曲线方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure 600521DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure 742790DEST_PATH_IMAGE020
步骤四：将第一步得到的构件点云坐标数据
Figure DEST_PATH_IMAGE030
进行转换，使构件长度方向为坐标轴X方向，坐标范围
Figure 631765DEST_PATH_IMAGE006
，重力反方向为坐标轴Z轴，得到点云在新坐标系下的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；
步骤五：在新的坐标系下，对点云Z坐标值进行修正，得到新的坐标数据
Figure DEST_PATH_IMAGE034
：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure 39744DEST_PATH_IMAGE006
步骤六：将修正后的点云坐标数据
Figure 238644DEST_PATH_IMAGE034
进行坐标逆转换，得到旧坐标系下的坐标数据
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，这就得到经过重力变形修正的点云数据；
上述公式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
——材料的弹性模量；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
——梁截面的惯性矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
——梁的挠度曲线函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE054
——梁的弯矩函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
——集中荷载；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
——均布荷载；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
——梁的长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
——参数；
（
Figure DEST_PATH_IMAGE064
）——点云的x轴，y轴,z轴坐标值。
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