CN108563835A - 一种材料成形虚拟仿真平台构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种材料成形虚拟仿真平台构建方法，能够提高虚拟仿真平台的真实性。所述方法包括：构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码；在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。本发明涉及材料成形技术和计算机可视化技术领域。

Description

一种材料成形虚拟仿真平台构建方法

技术领域

本发明涉及材料成形技术和计算机可视化技术领域，特别是指一种材料成形虚拟仿真平台构建方法。

背景技术

虚拟仿真技术是20世纪90年代发展起来的一种新型技术，通过计算机模拟现实情境，利用占地空间小的计算机或虚拟仿真设备就能使用户在感官上产生置身于现实情景的效果，具有沉浸感、交互性和构想性的基本特征。通过虚拟仿真技术构建的虚拟仿真平台，综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等，模拟用户的视觉、听觉、触觉等感官功能，使用户能够通过语言、手势、触控等方式进行实时人机交互，在城市规划、室内设计、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、教育培训等众多领域得到了广泛应用。

使用实体设备进行材料成形实验，具有人力物力消耗大、实验时间冗长、占地空间大、设备要求较高、实验环境不易控制、高危设备运作过程难以近距离观察以及投入大等缺点。用虚拟仿真平台替代实体设备和生产场景，利用虚拟仿真平台沉浸感和交互性的特点，以计算机或虚拟仿真设备为工具，克服了采用实体设备进行材料成形时受时间、场地和设备等限制的不足，用户能通过人机交互界面对虚拟设备进行操作，并可以在绝对安全的前提下近距离观察分析材料成形工艺流程中所有虚拟设备的运作情况。虚拟仿真平台既能使工业演示和教学演示更加安全、直观，又能为成形设备结构设计和成形工艺参数设计等提供更多信息及数据，具有广阔的应用前景。

但是，现有技术中的虚拟仿真平台中没有集成材料成形过程的数值模拟所需的算法与求解器，无法得到精确的数值模拟结果，因此，无法基于精确的数值模拟结果实现更接近实际情况的材料成形虚拟仿真。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种材料成形虚拟仿真平台构建方法，以解决现有技术所存在的无法基于精确的数值模拟结果实现更接近实际情况的材料成形虚拟仿真的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种材料成形虚拟仿真平台构建方法，包括：

构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；

对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；

将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；

在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码；

在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。

进一步地，所述构建材料成形设备静态三维模型包括：

获取材料成形设备的尺寸；

根据获取的材料成形设备的尺寸，构建材料成形设备静态三维模型。

进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型包括：

获取材料成形设备的真实运动情况；

根据获取的材料成形设备的真实运动情况，基于构建的静态三维模型，构建材料成形设备动态三维模型。

进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

对所述动态三维模型进行贴图渲染，并设置所述动态三维模型的金属纹理及材质。

进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

设置所述动态三维模型的模型间碰撞体和模型重力效果。

进一步地，所述将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎包括：

将所述动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型，绘制天空盒及地面；

将所述有限元数值模拟可视化结果导入所述跨平台应用程序开发引擎中，并在所述有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面。

进一步地，所述在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中设置摄像机高度；

基于设置的摄像机高度，确定人物视角，并基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码。

进一步地，设置1～4个摄像机高度。

进一步地，在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建之后，所述方法还包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中选择构建完成的材料成形虚拟仿真平台；

将所述材料成形虚拟仿真平台在所述跨平台应用程序开发引擎中以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的材料成形虚拟仿真平台。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码，完成对人物视角移动的控制；在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。这样，将有限元数值模拟与虚拟仿真相结合，在对材料成形过程进行有限元数值模拟并将其结果预先进行可视化处理的基础上，将更接近实际情况的有限元数值模拟结果集成到虚拟仿真平台，以便减少虚拟仿真时材料成形数值模拟的运算耗时，实现快速人机交互，在不破坏用户的沉浸感与人机交互体验的前提下，能够提高虚拟仿真平台的真实性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的材料成形虚拟仿真平台构建方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的无法基于精确的数值模拟结果实现更接近实际情况的材料成形虚拟仿真的问题，提供一种材料成形虚拟仿真平台构建方法。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的材料成形虚拟仿真平台构建方法，包括：

S101，构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；

S102，对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；

S103，将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；

S104，在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码；

S105，在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。

本发明实施例所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码，完成对人物视角移动的控制；在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。这样，将有限元数值模拟与虚拟仿真相结合，在对材料成形过程进行有限元数值模拟并将其结果预先进行可视化处理的基础上，将更接近实际情况的有限元数值模拟结果集成到虚拟仿真平台，以便减少虚拟仿真时材料成形数值模拟的运算耗时，实现快速人机交互，在不破坏用户的沉浸感与人机交互体验的前提下，能够提高虚拟仿真平台的真实性。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述构建材料成形设备静态三维模型包括：

获取材料成形设备的尺寸；

根据获取的材料成形设备的尺寸，构建材料成形设备静态三维模型。

本实施例中，可以应用三维机械设计软件构建虚拟仿真平台所需的材料成形设备静态三维模型，所述静态三维模型的大小由真实的材料成形设备的尺寸决定。

本实施例中，将所述静态三维模型导入有限元数值模拟软件，开展有限元数值模拟，使得用户能够在较短的时间内得到准确的有限元数值模拟可视化结果，从而实现了快速地人机交互，有助于提升用户在虚拟仿真平台中的沉浸感与人机交互感。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型包括：

获取材料成形设备的真实运动情况；

根据获取的材料成形设备的真实运动情况，基于构建的静态三维模型，构建材料成形设备动态三维模型。

本实施例中，将所述静态三维模型导入三维动画制作软件，应用所述三维动画制作软件制作所述虚拟仿真平台所需的材料成形设备动态三维模型，所述动态三维模型的动作由真实的材料成形设备的真实运动情况决定。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

对所述动态三维模型进行贴图渲染，并设置所述动态三维模型的金属纹理及材质。

本实施例中，所述动态三维模型进行了贴图渲染并设置了金属纹理，强调了所述虚拟仿真平台中所述动态三维模型的材质，增强了所述虚拟仿真平台的视觉效果。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

设置所述动态三维模型的模型间碰撞体和模型重力效果。

本实施例中，所述动态三维模型设置了模型间碰撞体和模型重力效果，使所述虚拟仿真平台中的所述动态三维模型运动遵循客观物理规律。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎包括：

将所述动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型，绘制天空盒及地面；

将所述有限元数值模拟可视化结果导入所述跨平台应用程序开发引擎中，并在所述有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面。

本实施例中，在跨平台应用程序开发引擎中，导入所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果；基于导入的所述动态三维模型，绘制天空盒及地面；在导入所述有限元数值模拟可视化结果后，可以在所述有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面以实现用户选择功能。

本实施例中，在保留现有的虚拟仿真平台没有时间、场地和设备限制的前提下，用户可通过人机交互界面对设备进行操作，并在安全观察分析高危设备运作情况等特点的同时，展示由专业有限元数值模拟软件计算得到的较为准确的材料成形数值模拟结果，并在此结果的基础上进行材料成形虚拟仿真，提高了虚拟仿真平台的真实性，不会存在工业演示和教学演示中与材料成形真实情况有所脱节的问题，且能够更真实地反映材料成形的实际情况，也便于进行成形设备结构设计和成形工艺参数设计。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，所述在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中设置摄像机高度；

基于设置的摄像机高度，确定人物视角，并基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码，实现借助外界输入信号控制人物视角移动。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，设置1～4个摄像机高度。

本实施例中，所述虚拟仿真平台设置了1～4个摄像机高度，可完成所述人物视角的转换，增加了所述虚拟仿真平台的观察范围，对所述虚拟仿真平台进行了全方位多角度的展示。

在前述材料成形虚拟仿真平台构建方法的具体实施方式中，进一步地，在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建之后，所述方法还包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中选择构建完成的材料成形虚拟仿真平台；

将所述材料成形虚拟仿真平台在所述跨平台应用程序开发引擎中以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的材料成形虚拟仿真平台。

本实施例中，在所述跨平台应用程序开发引擎中确定控制按键代码，设置控制按键来控制所述动态三维模型及所述有限元数值模拟可视化结果的播放，，完成材料成形虚拟仿真平台的构建；在所述跨平台应用程序开发引擎中选择构建完成的材料成形虚拟仿真平台，将所述材料成形虚拟仿真平台在所述跨平台应用程序开发引擎中以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的材料成形虚拟仿真平台。

实施例二

为了更好地理解本发明实施例所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，以基于有限元数值模拟的铝合金棒材挤压成形虚拟仿真平台构建进行说明，具体步骤可以包括：

第一步：应用三维机械设计软件Pro/Engineer构建铝合金棒材挤压成形虚拟仿真平台的60MN卧式挤压机、传送带、淬火炉、电阻炉、机械爪、切割机、时效炉的设备静态三维模型，并将模型以IGS格式和STL格式导出；

第二步：将IGS格式的设备静态三维模型导入三维动画制作软件3ds Max，应用三维动画制作软件3ds Max在时间轴上为设备静态三维模型设置动作关键帧，制作铝合金棒材挤压成形虚拟仿真平台所需的设备动态三维模型，并将模型以FBX格式导出；

第三步：将STL格式的设备静态三维模型导入有限元数值模拟软件DEFORM-2D/3D，应用有限元数值模拟软件DEFORM-2D/3D对模型进行网格划分并设置模拟参数，开展有限元数值模拟，在此基础上获得有限元数值模拟可视化结果；

第四步：将FBX格式的铝合金棒材挤压成形设备动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，绘制天空盒及地面，并对设备模型进行贴图渲染及设置金属纹理；将有限元数值模拟可视化结果以OGV格式导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，并在有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面以实现用户选择功能；

第五步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中为铝合金棒材挤压成形设备动态三维模型设置2个摄像机高度，完成人物视角的转换，通过设置的代码文件实现借助计算机键盘对人物视角进行移动的控制，为人物视角和铝合金棒材挤压成形设备动态三维模型设置模型间碰撞体效果和模型重力效果；

第六步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中设置控制按键代码，设置控制按键来控制铝合金棒材挤压成形设备动态三维模型及其有限元数值模拟可视化结果的播放；

第七步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D选择构建完成的铝合金棒材挤压成形虚拟仿真平台，将虚拟仿真平台在在跨平台应用程序开发引擎Unity3D以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的铝合金棒材挤压成形虚拟仿真平台。

实施例三

为了更好地理解本发明实施例所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，以基于有限元数值模拟的厚钢板轧制成形虚拟仿真平台构建进行说明，具体步骤可以包括：

第一步：应用三维机械设计软件SolidWorks构建厚钢板轧制成形虚拟仿真平台的坯料加热炉、除鳞箱、粗轧机、精轧机、矫直机、切头剪、双边剪、热处理炉的设备静态三维模型，并将模型以IGS格式和STL格式导出；

第二步：将IGS格式的设备静态三维模型导入三维动画制作软件3ds Max，应用三维动画制作软件3ds Max在时间轴上为设备静态三维模型设置动作关键帧，制作厚钢板轧制成形虚拟仿真平台所需的设备动态三维模型，并将模型以FBX格式导出；

第三步：将STL格式的设备静态三维模型导入有限元数值模拟软件ANSYS，应用有限元数值模拟软件ANSYS对模型进行网格划分并设置模拟参数，开展有限元数值模拟，在此基础上获得有限元数值模拟可视化结果；

第四步：将FBX格式的厚钢板轧制成形工艺流程的设备动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，绘制天空盒及地面，并对设备模型进行贴图渲染及设置金属纹理；将有限元数值模拟可视化结果以OGV格式导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，并在有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面以实现用户选择功能；

第五步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中为厚钢板轧制成形设备动态三维模型设置3个摄像机高度，完成人物视角的转换，通过设置的代码文件实现借助计算机键盘对人物视角进行移动的控制，为人物视角和厚钢板轧制成形设备动态三维模型设置模型间碰撞体效果和模型重力效果；

第六步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中确定控制按键代码，设置控制按键来控制厚钢板轧制成形设备动态三维模型及其有限元数值模拟可视化结果的播放；

第七步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D选择构建完成的厚钢板轧制成形虚拟仿真平台，将虚拟仿真平台在在跨平台应用程序开发引擎Unity3D以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的厚钢板轧制成形虚拟仿真平台。

实施例四

为了更好地理解本发明实施例所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，以基于有限元数值模拟的钢坯连续铸造成形虚拟仿真平台构建进行说明，具体步骤可以包括：

第一步：应用三维机械设计软件SolidWorks构建钢坯连续铸造成形虚拟仿真平台的钢包、中间包、结晶器、拉坯机和切割装置的设备静态三维模型，并将模型以IGS格式和STL格式导出；

第二步：将IGS格式的设备静态三维模型导入三维动画制作软件3ds Max，应用三维动画制作软件3ds Max在时间轴上为设备静态三维模型设置动作关键帧，制作钢坯连续铸造成形虚拟仿真平台所需的设备动态三维模型，并将模型以FBX格式导出；

第三步：将STL格式的设备静态三维模型导入有限元数值模拟软件ProCAST，应用有限元数值模拟软件ProCAST对模型进行网格划分并设置模拟参数，开展有限元数值模拟，在此基础上获得有限元数值模拟可视化结果；

第四步：将FBX格式的钢坯连续铸造成形设备动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，绘制天空盒及地面，并对设备模型进行贴图渲染及设置金属纹理；将有限元数值模拟可视化结果以OGV格式导入跨平台应用程序开发引擎Unity3D中，并在有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面以实现用户选择功能；

第五步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中为的钢坯连续铸造成形设备动态三维模型设置4个摄像机高度，完成人物视角的转换，通过设置的代码文件实现借助计算机键盘对人物视角进行移动的控制，为人物视角和钢坯连续铸造成形设备动态三维模型设置模型间碰撞体效果和模型重力效果；

第六步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D中确定控制按键代码，设置控制按键来控制钢坯连续铸造成形设备动态三维模型及其有限元数值模拟可视化结果的播放；

第七步：在跨平台应用程序开发引擎Unity3D选择构建完成的钢坯连续铸造成形虚拟仿真平台，将虚拟仿真平台在在跨平台应用程序开发引擎Unity3D以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的钢坯连续铸造成形虚拟仿真平台。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，包括：

构建材料成形设备静态三维模型和动态三维模型；

对所述静态三维模型进行有限元数值模拟，得到有限元数值模拟可视化结果；

将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎；

在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码；

在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建。

2.根据权利要求1所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述构建材料成形设备静态三维模型包括：

获取材料成形设备的尺寸；

根据获取的材料成形设备的尺寸，构建材料成形设备静态三维模型。

3.根据权利要求1所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述构建材料成形设备动态三维模型包括：

获取材料成形设备的真实运动情况；

根据获取的材料成形设备的真实运动情况，基于构建的静态三维模型，构建材料成形设备动态三维模型。

4.根据权利要求3所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

对所述动态三维模型进行贴图渲染，并设置所述动态三维模型的金属纹理及材质。

5.根据权利要求3所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述构建材料成形设备动态三维模型还包括：

设置所述动态三维模型的模型间碰撞体和模型重力效果。

6.根据权利要求1所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述将所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果导入跨平台应用程序开发引擎包括：

将所述动态三维模型导入跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型，绘制天空盒及地面；

将所述有限元数值模拟可视化结果导入所述跨平台应用程序开发引擎中，并在所述有限元数值模拟可视化结果中添加人机交互界面。

7.根据权利要求1所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，所述在所述跨平台应用程序开发引擎中，基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中设置摄像机高度；

基于设置的摄像机高度，确定人物视角，并基于导入的所述动态三维模型和有限元数值模拟可视化结果，设置控制人物视角移动的代码。

8.根据权利要求7所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，设置1～4个摄像机高度。

9.根据权利要求1所述的材料成形虚拟仿真平台构建方法，其特征在于，在所述跨平台应用程序开发引擎中，设置控制按键控制所述动态三维模型及有限元数值模拟可视化结果的播放，完成材料成形虚拟仿真平台的构建之后，所述方法还包括：

在所述跨平台应用程序开发引擎中选择构建完成的材料成形虚拟仿真平台；

将所述材料成形虚拟仿真平台在所述跨平台应用程序开发引擎中以个人计算机模式导出，获得基于有限元数值模拟的材料成形虚拟仿真平台。