CN114633850A - 一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，包括：提取有限元模型特征信息，预定义通用的可视化数据存储格式函数库和配置文件，生成特征信息文件；通过预定义的所述函数库建立数据转换接口，重构所述有限元模型，将重构后模型的三维点云数据修正为统一形式的三角形网络拓扑结构，并对所述拓扑结构进行处理和修正；将重构后的有限元模型通过系统发布，实现船舶结构有限元模型的虚拟可视化重构方法。本发明将有限元分析技术和虚拟现实技术相结合，能够实现有限元网格质量的高效检查和修正，也为有限元分析结果后处理的可视化提供了有效途径。

Description

一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法

技术领域

本发明涉及三维可视化显示技术领域，特别是涉及一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法。

背景技术

有限元数值模拟是开展力学研究的重要手段，应用于船舶、汽车、航天、旋转机械、桥梁、岩土与地质工程等众多领域。有限元数值模拟包括前处理、分析计算及后处理三个过程，其中前处理为几何模型构造、网格划分、确定初始条件和边界条件等；分析计算是建立对应的数值模型并完成相应的求解计算，比如静力学、动力学、极限强度等；后处理是以图形、表格、曲线等方式呈现分析结果。前处理是保证有限元模型质量、确保计算准确、提高计算效率及计算结果准确呈现的关键过程。但是目前现有的CAE(Computer AidedEngineering)软件，其前处理和后处理的可视化方法主要是基于2D屏幕结合视角的旋转来观察模型质量及计算结果，无法满足可视化的直观性、可靠性、准确性及多样性要求。

虽然在有限元建模过程中采用板壳单元代替实体单元，大大降低了模型中节点的数量，但是面对船舶发展的大型化趋势，尤其是超大型集装箱船、油船等出现，有限元分析过程中的节点和单元数目依然呈现级数级别的增长。面对海量增长的节点和网格数目，现有的有限元软件前处理过程中以图形图像的方式展示，设计者观察和检查网格模型过程中，对网格数量巨大的精细模型的可视化能力弱、效率低且不稳定，影响对模型设计缺陷的判断，直接影响计算的精度及后处理结果的显示。目前CAE软件前处理和后处理的通用功能难以满足大规模网格及结果数据的可视化研究需求。

近年来，在计算技术的快速发展下，CAE软件得到快速发展，目前市场主流的CAE软件包括：Patran、ABAQUS、Ansys等数十种，但是这些软件采用的数据架构、运行平台、数据格式等呈现多样化，相互之间的数据通用性极差，比如Patran软件的模型存储格式为.bdf，计算结果文件存储在.xdb中；ABAQUS软件的模型存储格式为.inp，计算结果存储在.odb文件中；ANSYS以*.rst存储结构和耦合场分析结果文件，以*.rth存储温度场分析结果文件；Fluent以*.cas存储计算几何模型拓扑结构的描述，以*.dat存储计算结果。大规模的网格数据在不同的软件平台数据架构不同，并存在大量的冗余节点和网格信息，造成了不同软件平台之间数据交互的鸿沟。因此目前亟需一种通用化的格式来表征不同CAE软件平台的前处理和后处理模型数据，同时保证模型的轻量化需求，提高可视化效率。

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是基于计算机图形学的新型可视化交互技术，虚拟场景提供了沉浸式的视觉和交互体验。虚拟现实有别于传统的2D可视化，在视觉显示上给予真实的3D呈现。采用虚拟现实技术可以解决传统有限元分析过程中的模型前处理和结果后处理的可视化问题。目前国内外基于虚拟现实的有限元仿真通用可视化研究仍处于起步阶段，在模型的通用可视化、模型的轻量化、交互方式多样化、后处理结果的渲染及可靠性表达等方面具有很大的发展空间。面对虚拟现实和有限元仿真日益增长的工程解决方案需求，迫切需要构建操作简便、通用性强、可扩展性强的通用可视化显示系统，为设计人员提供快速、有效和可靠的大规模有限元模型及分析结果可视化解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，解决船舶结构在有限元数值模型构建与修正过程中的虚拟可视化问题，构建有效及可靠的通用化设计平台，以提高设计人员结构设计及分析的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，包括：

提取有限元模型特征信息，预定义通用的可视化数据存储格式函数库和配置文件，生成特征信息文件；

通过预定义的所述函数库建立数据转换接口，重构所述有限元模型，将重构后模型的三维点云数据修正为统一形式的三角形网络拓扑结构，并对所述重构后模型进行处理；

将经过处理的有限元模型通过系统发布，实现船舶结构有限元模型的虚拟可视化重构方法。

优选地，所述有限元模型的特征信息包括：访问部件实例、几何数据、拓扑数据、物理属性数据，基于所述特征信息建立对应的特征信息文件。

优选地，所述可视化数据存储格式函数库用于对所述有限元模型进行格式化处理，包括：读取有限元模型的特征信息、四边形网格剖切、冗余信息处理、节点和单元重新编号；其中，所述可视化数据存储格式函数库，是通过面向对象的方式实例化一个通用数据函数库，将所述有限元模型保存在相应的成员变量中，用于固化可视化数据信息的结构。

优选地，所述可视化数据存储格式函数库包括：读取节点信息、读取单元信息、读取拓扑关系、单元分割、模型轻量化、特征信息更新。

优选地，基于Unity 3d工具对所述有限元模型进行重构，得到重构后模型的三维点云模型，调整所述三维点云模型的坐标系，对所述三维点云模型进行优化，用于实现模型的轻量化，提高模型重构的效率。

优选地，定义所述三维点云模型中点云间拓扑关系的过程包括：基于最大空圆原则和最小角最大化原则，将模型中的四边形及其他多边形网格剖分成若干个三角形网格，并对新剖分的网格单元进行重新编号，得到三角形网络拓扑结构。

优选地，通过节点插入、新网格生成、网格边界方式创建新的面片，同时通过有限元软件的编程语言的修正，将参数传递到有限元软件中，实现对所述有限元模型的更新处理。

优选地，基于Unity 3d工具对所述有限元模型进行渲染，提取所述拓扑结构中的顶点数组和顶点索引数组，将所述顶点数组变换到世界空间坐标系下，对拓扑结构中的三角面片顶点进行颜色赋值，得到整个三角形面片的颜色，进而完成由三角形面片组成的整个模型的渲染，得到经过渲染的有限元模型。

优选地，对所述经过渲染的有限元模型进行虚拟可视化系统稳定性测试，其中，所述稳定性测试的内容包括：点云空间布置及优化实现、包含不同网格类型拓扑结构网格的剖分与重组测试、模型轻量化测试、模型渲染测试、不同规模的点云及网格模型可视化速度及准确性测试、模型渲染速度及完整性测试，通过测试后，基于所述Unity3d工具完成发布。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，可以快速的在虚拟现实环境下重构有限元模型，沉浸式检查和修正有限元模型，减少设计人员的建模错误，提高工作效率；

2)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，能够实现大规模精细模型的可视化，改善了可视化效果，提高对网格模型设计缺陷的判断；不仅可以应用于实际的船舶工程设计，还可以满足教学的需要，使得学生更好的理解和学习船舶结构有限元数值模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法的实施流程图；

图2为本发明实施例的超大型集装箱船绑扎桥结构力学特性的试验测试方法的模型数据处理流程图；

图3为本发明实施例在ABAQUS软件中构建的有限元模型；

图4为本发明实施例的精细网格部分示意图；

图5为本发明实施例的重构可视化模型示意图；

图6为本发明实施例的精细网格下的重构可视化模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，本发明提供一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，包括以下步骤：

1)有限元模型信息特征提取，形成特征信息文件；

构建船舶结构有限元模型，其中有限元软件不限于Patran、Abaqus、Ansys等，本实施例面向通用的有限元软件，不局限于某一种固定格式的有限元模型文件，比如，在ANSYS中，键入NLIST、ELIST、PRNSOL、PRESOL等APDL命令可以导出响应数据。有限元模型信息提取，主要包括：访问部件实例、几何数据、拓扑数据、物理属性数据等，并对应相应的特征信息文件。

2)定义面向对象的可视化模型通用格式函数库，建立可视化模型框架；

面向对象的可视化模型通用格式的函数库，是采用面向对象的方式，通过实例化一个通用数据函数，将有限元模型保存在相应的成员变量中，以固化可视化信息的结构形式。函数库主要实现对有限元模型的格式化处理，包括读取有限元模型特征信息、四边形网格剖切、冗余信息处理、节点和单元重新编号，最终输出有效节点与三角形网格单元按照升序排列文件，即将文件比较大的有限元模型保存为储存节点、单元及拓扑关系的统一格式的文本文件。

本实施例中将变量读取封装为函数，定义ConvertCAEtoVR函数,从配置文件中读取需要输出变量的名称作为参数传入即可访问对应变量，避免了繁琐的代码修改。

函数库包括：Node_Read(读取节点信息)、Elem_Read(读取单元信息)、Node_Elem_Topology_Read(读取拓扑关系)、Elem_Split(单元分割)、Info_optimization(模型轻量化)、Info_updata(特征信息更新)。

3)重构坐标系，重构点云模型、去除冗余节点和无效拓扑信息，优化点云模型；

重构及优化点云模型过程中，Unity 3d中的坐标系与有限元软件中定义的坐标系一般会不一致，需要调整点云布置的坐标系(左手坐标系和右手坐标系切换)。

重构及优化点云模型，是考虑到有限元软件中构建的模型容易存在索引位置与编号不完全匹配，导致无法通过单元对象中的节点编号索引对应节点坐标，另外，冗余空节点的存在使得最大节点编号大于节点数量。在模型重构过程中，冗余节点和拓扑信息不仅会占用大量的内存，而且为模型的剖分重组、空间位置的确定、有限元分析结果与其空间位置的对应造成困难。因此，通过优化可以实现模型的轻量化，另外提高模型重构的效率。冗余节点和无效的拓扑信息，主要是指孤立的节点，以及无效拓扑信息构建的单元网格等。

4)定义点云间拓扑关系，剖分四边形及其他多边形拓扑结构，建立网格模型中节点和单元的列表架构；

定义点云间拓扑关系中，船舶结构有限元模型是通过网格表示的，它包含一系列的面片(网格)和顶点(节点)，常见的网格有三角形、四边形及其他多边形。其中，三角形网格是模型表示中最重要、最广泛应用的方法。点云间拓扑关系为网格中包含单元类型、单元数目及编号、节点连接顺序。四边形及其他多边形网格剖分成两个或者多个三角形网格，并对新剖分的网格单元进行重新编号，建立新的网格与节点之间的拓扑关系。四边形及其他多边形网格剖分成三角形网格过程中，遵守Delaunay三角剖分最重要的两条规则：最大空圆原则和最小角最大化原则。

Delaunay三角剖分中遵循的最大空圆原则是指Delaunay三角形的外接圆内只能有三角形的三个顶点，不能包含其它任意点；最小角最大化原则是指相邻的Delaunay三角形所组成的四边形，在交换四边形的两条对角线后，四边形内的六个内角中的最小内角不会变大。

5)三角形网格重组，去除重复单元边界等冗余信息，实现网格模型优化；

三角形网格重组及优化中，剖分后的三角形网格包括结构网格和非结构网格。网格重组过程中，保证单元公用的节点和边界只存储一次，减少数据冗余。

结构网格是指网格的一条边为一个或两个网格三角面片共享，或一个网格顶点的一环邻域三角片构成闭合或开放的扇面；非结构网格是指一条网格边为三个或多于三个网格三角面片共享，或一个网格顶点的一环邻域三角片未能构成闭合或开放的扇面。目前流行的模型重构方法主要是针对结构网格，本发明方法可以处理结构和非结构网格。

6)可视化网格面片创建、编辑及修改；

通过节点插入、新网格生成、网格边界等方式创建新的面片，同时通过有限元软件的编程语言的修正，将参数传递到有限元软件中，实现有限元模型的更新。在Unity3D中修改网格，顶点数据和三角网格构造顺序分别保存至顶点数组和顶点索引数组。通过修改相应数组可以实现网格创建和修改。

模型修正采用的有限元软件编程语言，对应不同的有限元软件采用的语言不同，比如，Patran软件采用的是PCL语言，Ansys软件采用的是APDL语言，Aabqus软件采用的是Python语言等。

7)虚拟可视化模型渲染、系统稳定性测试及发布；

通用虚拟可视化系统稳定性测试及发布中，稳定性测试内容包括：点云空间布置及优化实现、包含不同网格类型拓扑结构网格的剖分与重组测试、模型轻量化测试、模型渲染测试、不同规模的点云及网格模型可视化速度及准确性测试、模型渲染速度及完整性测试。系统发布是基于Unity 3d平台完成软件发布。

模型渲染中每个面片采用同一种颜色，因此，整个模型渲染后保持一种颜色，以表达有限元模型。

在本实施例中：以某远洋高客船舱段结构有限元模型作为测试对象。

1.本测试用例为在ABAQUS有限元软件中构建的模型。该有限元模型为某远洋高客船的舱段模型，格式为.inp，模型长度约为87.7米，组成包括94907个节点，96788个网格单元，其中包括三角形单元和四边形单元，材料为Q23。模型构建过程中主要是采用低阶四边形单元，其中舱段中部为精细网格，精细网格单元大小为150mm，见图3和图4。

2.提取模型的几何属性特征，建立包含节点编号及坐标的文件、单元编号及类型文件、单元与节点拓扑关系文件，见图2。

3、本实施例将变量读取封装为函数，定义ConvertCAEtoVR函数,从配置文件中读取需要输出变量的名称作为参数传入，即可访问对应变量，避免了繁琐的代码修改，配置文件如表1所示。

表1

ConvertCAEtoVR(original_file_path＝”,Instances_name＝”,node_path＝”,elemnt_path＝”,topology_path＝”,MeshType＝”,Piece_way＝”,part_number＝”)。

其中，Instances_Name数据结构为string，Node_Number/Elem_Number数据结构为int类型。

如下表2为各成员变量及其数据结构类型。

表2

变量名	数据结构类型	备注
			Instances_Name	string	模型名称
Node_Number	int	节点数量
			Elem_Number	int	单元数量
Node_Coord	List<double[]>	节点坐标
			Elem_Node_Index	List<int[]>	单元附着节点编号

4.导入点云编号及坐标至Unity 3d软件，快速生成每一个点。依据点与单元之间的拓扑关系，基于Unity内的Mesh网格组件，Mesh的主要属性内容包括顶点坐标、法线、纹理坐标、三角形绘制序列等其他有用属性和功能。因此可以快速建立三角形网格单元。

假如某网格有四个顶点0,1,2,3，坐标分别为：V0(1,1,0),V1(-1,1,0),V2(1,-1,0),V3(-1,-1,0)

在Unity中定义网格顶点如下：

Vector3[]vertices＝new Vector3[4]{

new Vector3(1,1,0),

new Vector3(-1,1,0),

new Vector3(1,-1,0),

new Vector3(-1,-1,0)

}；

通过顶点将四边形网格创建为两个三角形，三角形网格顶点分别为0,3,1和0,2,3：

mesh.vertices＝vertices；

int[]triangles＝new int[2*3]{

0,3,1,0,2,3

}；

mesh.triangles＝triangles；

5.网格模型剖分过程中，三角形网格保持不变，每个四边形网格剖分成两个三角形，剖分过程遵循Delaunay三角剖分最重要的两条规则。剖分后节点数目不变仍为94907个，网格数目增加为194584。

6.通过遍历每一个节点及其与单元之间的拓扑结构关系，确定单元及节点的冗余信息，其中，节点与单元无拓扑关系、三个节点之前拓扑关系是在一条直线上、两个单元重复使用一个边界，均为冗余信息。删除冗余信息后对节点进行重新编号，存储顺序为从小到大。优化后的网格节点数目为93907，网格数目为194584。如下表3为优化后节点编号及节点坐标。表4为优化后单元编号及与节点之间的拓扑关系。

表3

节点编号	X	Y	Z
				1	33861	35434	35426
2	37090	35452	35464
				3	37130	37127	35543
4	32613	32611	32612
				5	31014	32612	32611
6	32611	32609	31014
				7	32611	32613	32615
…	..	…	…

表4

单元编号	Node ID	Node ID	Node ID
				1	86999.9766	9310.	20399.9492
2	86999.9766	9450.	20199.9492
				3	86849.9766	9310.	20399.9492
4	86849.9766	9450.	20199.9492
				5	86399.9766	9310.	20199.9492
6	86699.9766	9310.	20399.9492
				7	86699.9766	9450.	20199.9492
…	..	…	…
				93905	86999.9375	1050.00024	1199.97913
93906	86999.9297	1049.99963	-0.0208637882
				93907	86999.9297	0.	-0.0207306929

如图5为本实施例中重构可视化模型示意图，图6为在精细网格下的重构可视化模型示意图。

7.模型渲染。Unity3D中对物体Mesh Filter组件下的Mesh对象赋值，实现网格的渲染。Mesh对象包含存储三角网格的顶点数组Vertices(存储顶点的xyz方向上的数据)、存储网格顶点构造顺序的索引数组Triangles(int类型的数组，存储Vertices数组的渲染顺序)、存储顶点颜色的颜色数组Colors(Colors数组与Vertices数组对应，用于对网格的顶点进行颜色赋值)及重新计算顶点法向和边界值的函数等。

8.测试。本测试模型包含接近十万个节点、近二十万个网格单元。文件导入系统实现模型重构及渲染花费时间大约为3秒。

9.用户可以根据自己需求选择不同的发布平台，如PC端、VR端，移动端、Web端等，形成船舶结构有限元模型虚拟可视化工具，本测试案例发布在VR端。

本发明技术方案应用实施后的显著效果为：

1)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，可以快速的在虚拟现实环境下重构有限元模型，沉浸式检查和修正有限元模型，减少设计人员的建模错误，提高工作效率。

2)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，构建了通用性的模型可视化函数库，可以实现不同有限元软件中构建的模型在统一平台下的可视化，突破了不同软件平台之间的“数据孤岛”效应，且构建的函数库具有良好的可读性、易封装性和可扩展性。

3)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，可以实现大规模精细模型的可视化，改善了可视化效果，提高对网格模型设计缺陷的判断。

4)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，模型重构过程中，能够实现对点云的优化、多种网格模型的剖切和重组、新网格单元的生成等，实现效果好，数据冗余小，保证了模型的轻量化需求，直接有益于模型的可视化、数值计算的效率及后处理结果的显示，并为有限元模型在虚拟环境下的实时计算提供了有效途径。

5)本发明提出的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，不仅可以应用于实际的船舶工程设计，还可以满足教学的需要，使得学生更好的理解和学习船舶结构有限元数值模拟。

6)由于船舶结构的3D模型往往采用带有板厚参数的板结构进行建模，本发明将不同的部件渲染为不同的颜色，不仅可以应用于船舶有限元模型的重构还可以应用于船舶3D模型的重构，进而设计人员可以在虚拟环境下开展三维漫游等设计检查工作。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，包括：

提取有限元模型特征信息，预定义通用的可视化数据存储格式函数库和配置文件，建立特征信息文件；

通过预定义的所述函数库建立数据转换接口，重构所述有限元模型，将重构后模型的三维点云数据修正为统一形式的三角形网络拓扑结构，并对所述重构后模型进行处理与渲染；

将经过处理的有限元模型通过系统发布，实现船舶结构有限元模型的虚拟可视化重构方法。

2.根据权利要求1所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，所述有限元模型特征信息包括：访问部件实例、几何数据、拓扑数据、物理属性数据，基于所述特征信息建立对应的特征信息文件。

3.根据权利要求1所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，所述可视化数据存储格式函数库用于对所述有限元模型进行格式化处理，包括：读取有限元模型的特征信息、四边形网格剖切、冗余信息处理、节点和单元重新编号；其中，所述可视化数据存储格式函数库，通过面向对象的方式实例化一个通用数据函数库，将所述有限元模型保存在相应的成员变量中，用于固化可视化数据信息的结构。

4.根据权利要求3所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，所述可视化数据存储格式函数库包括：读取节点信息、读取单元信息、读取拓扑关系、单元分割、模型轻量化、特征信息更新。

5.根据权利要求1所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，基于Unity 3d工具对所述有限元模型进行重构，得到重构后模型的三维点云模型，调整所述三维点云模型的坐标系，对所述三维点云模型进行优化，用于实现模型的轻量化，提高模型重构的效率。

6.根据权利要求5所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，定义所述三维点云模型中点云间拓扑关系的过程包括：基于最大空圆原则和最小角最大化原则，将模型中的四边形及其他多边形网格剖分成若干个三角形网格，并对新剖分的网格单元进行重新编号，得到三角形网络拓扑结构。

7.根据权利要求1所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，通过节点插入、新网格生成、网格边界方式创建新的面片，同时通过有限元软件的编程语言的修正，将参数传递到有限元软件中，实现对所述有限元软件中模型的更新处理。

8.根据权利要求7所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，基于Unity 3d工具对所述有限元模型进行渲染，提取所述拓扑结构中的顶点数组和顶点索引数组，将所述顶点数组变换到世界空间坐标系下，对拓扑结构中的三角面片顶点进行颜色赋值，得到整个三角形面片的颜色，进而完成由三角形面片组成的整个模型的渲染，得到经过渲染的有限元模型。

9.根据权利要求8所述的船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，其特征在于，对所述经过渲染的有限元模型进行虚拟可视化系统稳定性测试，其中，所述稳定性测试的内容包括：点云空间布置及优化实现、包含不同网格类型拓扑结构网格的剖分与重组测试、模型轻量化测试、模型渲染测试、不同规模的点云及网格模型可视化速度及准确性测试、模型渲染速度及完整性测试，通过测试后，基于所述Unity 3d工具完成发布。

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