CN114655382B - 一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统及方法，包括：用户登录管理模块用于用户登录，以及用户信息管理；船舶模型加载模块用于加载不同船型的有限元模型数据；虚拟仿真功能模块用于根据不同船型的有限元模型数据，进行虚拟仿真，获得虚拟仿真数据；数据库管理模块用于储存用户信息、有限元模型数据与虚拟仿真数据；后处理交互及评价模块用于对虚拟仿真数据进行后处理交互，生成交互仿真评价报告。本发明能够实现目标船舶结构的模态振型、频率、振动响应及振动路径传递等虚拟可视化实验场景，为用户提供沉浸式体验，以更加有效、快速的发现结构的设计缺陷，并给出结构改进的建议。

Description

一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统及方法

技术领域

本发明属于虚拟仿真实验技术领域，尤其涉及一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统及方法。

背景技术

随着CAE分析对象的复杂化和大型化以及计算精度的不断提高，尤其是精细网格分析对象，计算得到的数据规模越来越大，有限元分析规模由过去的几万、几十万节点规模，发展到几百万、乃至几千万节点规模，传统的数值处理及公式图表等处理方法已经不能满足数据结果分析后处理的需求。可视化后处理可以提供有效的认识和理解CAE分析结果数据的重要手段，但是受限于单机内存容量、CPU及GPU等计算机性能，大规模数据的可视化已经是目前亟待解决的问题之一。

船舶结构的动力学问题主要包括四个主要方面：结构固有特性、外载荷、动力响应、衡准和评定。随着新船型的不端产生及船舶的大型化趋势，船舶结构动力学分析也具有了新的特点及要求，其中，船舶结构动力学的图形化技术和表达是一个重要的热点问题。动力学分析结果往往包含比静力学分析结果更多的数据，传统的对船舶结构固有属性及动力学响应结果基本上是通过2D图形的方式进行呈现，极大地阻碍了有效数据及信息的获取。如何将工程设计人员花费大量的时间及心血获取的数据进行高效的提取，是目前船舶结构动力学的图形化技术和表达研究中重要的热点问题。

CAE计算的主要特点是严格的数值计算和计算过程中产生规模巨大的数据信息。CAE分析的目的是要通过对数据的提取和分析，以洞察隐含于数据中的规律与特点，从而获得对研究对象的认识与理解。随着虚拟现实技术的发展，沉浸式体验及数据的并行处理带来的实时可视化效果为CAE分析结果可视化带来了新的解决途径。在这种需求下，虚拟现实可视化方法成为分析CAE数据的必然选择。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统及方法，利用计算机图形学技术，将动力学分析过程中产生的数量庞大且结构复杂的计算数据转化为图形图像形式，以辅助设计人员直观了解和深入洞察计算结果，从而获得对研究对象的认识与理解。

一方面为实现上述目的，本发明提供了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，包括：用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块、数据库管理模块、后处理交互及评价模块、虚拟可视化操作流程介绍模块；

船舶结构动力学分析包括模态有限元分析和振动响应有限元分析，其中振动响应包括振动加速度和振动速度；

所述用户登录管理模块用于用户登录，以及用户信息管理；

所述船舶模型加载模块用于加载不同船型的有限元模型数据；

所述虚拟仿真功能模块用于根据不同船型的有限元模型数据，进行虚拟仿真，获得虚拟仿真数据；

所述数据库管理模块用于储存用户信息、有限元模型数据与虚拟仿真数据；

所述后处理交互及评价模块用于对所述虚拟仿真数据进行后处理交互，生成交互仿真评价报告；

所述虚拟可视化操作流程介绍模块用于可视化系统的功能介绍、操作流程介绍以及注意事项介绍；

所述用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块以及虚拟可视化操作流程介绍模块依次连接，所述数据库管理模块分别与所述用户登录管理模块、船舶模型加载模块以及虚拟仿真功能模块连接。

可选地，所述虚拟仿真功能模块进行虚拟仿真包括：模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真以及振动路径传递识别。

可选地，所述虚拟仿真数据包括：模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据。

可选地，所述交互仿真评价报告包括：对结构模态振型、频率及振动响应交互仿真结果的概述，给出结构的频率禁区、振动响应中的结构薄弱位置以及结构设计的优化建议。

可选地，所述振动路径传递识别包括：振动速度及加速度从振动源传递到船体结构其他位置的路径识别。

可选地，所述后处理交互的内容包括前三阶振型的位移云图及频率，振动响应中速度及加速度云图中振动传递路径。

可选地，所述后处理交互及评价模块通过静态、动态、分割与漫游的方式对所述虚拟仿真数据进行后处理交互。

可选地，所述动态后处理交互方式为基于时间线的动画形式进行交互，相邻时间步的中间数据以获取更多数据，避免动态后处理交互过程中出现“卡顿”现象采用动态插值算法，所述动态插值算法包括一阶线性插值和二阶线性插值。所述的静态处理交互方式为某一时间步的数据显示及交互。所述的分割交互方式为对模型和动力学分析结果进行模型剖切，以观察内部分析结果的细节。所述的漫游交互方式是采用虚拟现实设备进行沉浸式体验和观察分析结果。

可选地，所述虚拟可视化系统的构建为基于C#语言开发，平台采用C/S架构，发布是在Unity 3d软件中完成，包括PC端、VR端及ART端。

另一方面为实现上述目的，本发明还提供了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化方法，包括以下步骤：

加载目标船舶的有限元模型数据；

基于所述有限元模型数据，进行目标船舶的虚拟仿真，获得虚拟仿真数据，其中，目标船舶的虚拟仿真包括：目标船舶结构的模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真以及振动路径传递识别，虚拟仿真数据包括：目标船舶结构的模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据；

对所述虚拟仿真数据进行多视角及静、动态交互，获得虚拟仿真交互评价及生成优化报告。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明利用计算机建模、有限元仿真、数据库技术、虚拟现实技术等,构建了船舶结构动力学虚拟可视化系统，获取目标船舶结构的模态振型、固有频率及振动响应的位移和加速度云图等分析结果的静态和动态可视化结果，为设计人员提供沉浸式的虚拟体验。并通过交互评价，能够满足工程设计人员对结构振动速度及加速度在结构中的传递效果进行可视化，快速获取结构设计缺陷位置，可以为结构减振设计提供有效支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统结构示意图；

图2为本发明实施例1的远洋高客船有限元模型示意图；

图3为本发明实施例1的第一阶模态振型可视化结果；

图4为本发明实施例1的振动响应的第三十帧可视化结果；

图5为本发明实施例1的振动响应的第九十帧可视化结果；

图6为本发明实施例1的振动响应的第两百六十帧可视化结果；

图7为本发明实施例2的一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，在本技术领域中船舶结构动力学分析包括模态有限元分析和振动响应有限元分析，其中振动响应包括振动加速度和振动速度；本实施例所提出的虚拟可视化系统包括：用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块、数据库管理模块、后处理交互及评价模块、虚拟可视化操作流程介绍模块；用户登录管理模块用于用户登录，以及用户信息管理；船舶模型加载模块用于加载不同船型的有限元模型数据；虚拟仿真功能模块用于根据不同船型的有限元模型数据，进行虚拟仿真，获得虚拟仿真数据；数据库管理模块用于储存用户信息、有限元模型数据与虚拟仿真数据；后处理交互及评价模块用于对虚拟仿真数据进行后处理交互，生成交互仿真评价报告；虚拟可视化操作流程介绍模块用于可视化系统的功能介绍、操作流程介绍以及注意事项介绍；用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块以及虚拟可视化操作流程介绍模块依次连接，数据库管理模块分别与用户登录管理模块、船舶模型加载模块以及虚拟仿真功能模块连接。

进一步地，虚拟仿真功能模块进行虚拟仿真包括：模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真以及振动路径传递识别。

进一步地，虚拟仿真数据包括：模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据。

进一步地，交互仿真评价报告包括：对结构模态振型、频率及振动响应交互仿真结果的概述，给出结构的频率禁区、振动响应中的结构薄弱位置以及结构设计的优化建议。

进一步地，振动路径传递识别包括：振动速度及加速度从振动源传递到船体结构其他位置的路径识别。

进一步地，后处理交互的内容包括前三阶振型的位移云图及频率，振动响应中速度及加速度云图中振动传递路径。

进一步地，后处理交互及评价模块通过静态、动态、分割与漫游的方式对虚拟仿真数据进行后处理交互。

进一步地，动态后处理交互方式为基于时间线的动画形式进行交互，相邻时间步的中间数据采用动态插值算法以获取更多数据，避免动态后处理交互过程中出现“卡顿”现象，动态插值算法包括一阶线性插值和二阶线性插值。静态处理交互方式为某一时间步的数据显示及交互。分割交互方式为对模型和动力学分析结果进行模型剖切，以观察内部分析结果的细节。漫游交互方式是采用虚拟现实设备进行沉浸式体验和观察分析结果。

进一步地，虚拟可视化系统的构建为基于C#语言开发，平台采用C/S架构，发布是在Unity 3d软件中完成，包括PC端、VR端及ART端。

下面以远洋高客船为对象对虚拟可视化系统进行各个模块功能介绍、功能测试及构建方法介绍；

虚拟可视化系统包括：户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块、数据库管理模块、后处理交互及评价模块、虚拟可视化操作流程介绍模块。

用户管理模块：平台采用C/S架构，设置登录帐号及密码，实现对用户的管控。

船型模型加载模块：系统设置了开放性接口，可以加载不同船型的有限元模型数据。

虚拟仿真功能模块主要包括目标船舶结构的模态和振动响应分析结构的虚拟仿真。

数据库管理模块：数据库中储存了用户信息、有限元模型信息、模态振型及频率结果数据、振动响应速度及加速度结果数据等。

后处理交互及评价模块：采用静态、动态、分割、漫游等方式对分析结果进行沉浸式体验并生成交互仿真报告。

虚拟可视化操作流程介绍模块：平台功能介绍、操作流程及注意事项。

流程主要包括如下步骤：

1)系统登录；

2)船舶结构模型加载；

3)振型及频率结果加载；

4)多视角及静、动态交互；

5)振动响应结果加载；

6)振动源及振动速度可视化后处理；

7)虚拟仿真交互评价及生成优化报告；

1.船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统以计算机仿真技术、有限元方法、虚拟现实技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟仿真交互系统。包括：用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块、数据库管理模块、后处理交互及评价模块、虚拟可视化操作流程介绍模块。

虚拟可视化平台运行架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟仿真功能。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。

1)数据层

数据层为整体平台提供数据基础，数据库中储存了用户信息、有限元模型信息、模态振型及频率结果数据、振动响应速度及加速度结果数据、动态交互过程中进行插值计算数据等。

2)支撑层

支撑层是虚拟可视化平台正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、不同模块之间的数据通信及管理等。

3)通用服务层

通用服务层为虚拟可视化仿真平台提供虚拟环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速完成虚拟仿真操作。通用服务包括：仿真资源管理、实验报告管理等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟设备软件进入统一管理。

4)仿真层

仿真层主要针对该项目进行相应的结构建模、虚拟场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

5)应用层

基于底层的服务，最终实现船舶结构动力学虚拟仿真可视化功能。该框架的应用层具有良好的扩展性，工程设计人员及实验教师可根据需要，扩展相应功能模块。

2.系统平台搭建的关键技术：

1)船舶结构三维建模及有限元仿真；

2)虚拟环境构建；

3)数据库接口开发；

4)虚拟仿真平台框架开发及发布。

3.基于CAE分析结果数据特征，构建了可视化统一数据类架构及函数库，内存管理相关的函数库主要成员变量如表1所示。CAE数据的基本数据结构主要包括单元，节点，以及结果数据等。比如，

节点及单元数据主要由CAE_Mesh函数来进行管理。CAE_Mesh函数管理与有限元模型节点有关的坐标、编号及关联单元等数据，与网格单元相关的编号、网格类型、附着节点及节点连接顺序等。

有限元结果数据由CAE_Result函数进行管理。CAE_Result函数管理与计算结果相关的数据。包括计算结果类型(模态、振动响应等)、节点解(位移及变形、振动速度、加速度等)。

表1

4.CAE结果转换过程中，由于船舶结构主要采用板壳单元(低阶三角形单元和四边形单元)，远洋高客船有限元模型如图2所示。采用网格剖分算法，检索每一个四边形网格将其剖分为两个三角形单元，并检查是否符合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，剖分后可视化模型中网格节点数目为93907，网格数目为194584。

5.对网格模型可视化首先进行渲染，将有限元分析结果值赋值给节点。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。

6.动态插值计算，是一种针对多时间步的振动响应数据的插值算法。在动态显示振动响应计算结果时，对于时间步数据过少情况，对数据进行状态插值过渡以增加数据量，使得动画展示过程通过平滑状态过渡，使整体动态可视化显示效果更佳。

7.交互操作步骤如下：

1)构建用户登录数据库，用于储存用户个人信息，设置识别登录帐号和密码，比对数据库，若账号密码错误，提示再次输入；若账号密码正确，平台加载并运行。

2)进入可视化平台主程序，操作过程是基于构建的不同层级的UI界面，对不同层级界面设置功能跳转按钮，可以使用键盘、鼠标进行操作，也可使用VR手柄进行操作；

3)点击“模型数据导入”按钮，加载数据库中有关CAE分析相关的有限元模型及分析结果数据；

4)点击“可视化数据转换”按钮，弹出二级操作按钮；

5)点击“有限元模型数据”按钮，可以查看数据库中的所有CAE数据。

6)选择“网格前处理”，完成网格剖分。

7)选择“分割可视化数据”按钮，观察网格分割后的数据。

8)选择“模态”，进入模态可视化界面，可以查看前三阶模态振型及模态频率的可视化结果，如图3所示。

9)选择“振动响应”，进入振动响应可视化界面，可以查看振动速度和振动加速度的可视化结果，振动响应的可视化结果如图4、图5与图6所示。

10)选择“交互评价及数据管理”，保存交互仿真数据，形成交互仿真报告，并对结构设计给出优化建议。

11)点击左下角的工具按钮，从左至右一次为：局部放大、模型旋转、网格消隐、查看操作流程、模型分割。

12)点击左下角的工具按钮：.inp和.rpt按钮，打开数据库文件，分别查看模型数据及CAE结果数据。

实施例2

如图7所示，本实施例提供了一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化方法，包括以下步骤：

加载目标船舶的有限元模型数据；

基于有限元模型数据，进行目标船舶的虚拟仿真，获得虚拟仿真数据，其中，目标船舶的虚拟仿真包括：目标船舶结构的模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真以及振动路径传递识别，虚拟仿真数据包括：目标船舶结构的模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据；

对虚拟仿真数据进行多视角及静、动态交互，获得虚拟仿真交互评价及生成优化报告。

本发明技术方案应用实施后的显著效果为：

1)本发明提出的一种面向船舶结构动力学CAE分析结果的虚拟可视化平台及实现方法，利用计算机建模、有限元仿真、数据库技术、虚拟现实技术等,构建了船舶结构动力学虚拟可视化平台，开展目标船体结构在结构固有属性和振动响应的虚拟仿真可视化，可以获取目标结构的模态振型、固有频率及振动响应的位移和加速度云图等分析结果的静态和动态可视化结果，为设计人员提供沉浸式的虚拟体验。

2)本发明提出的本发明提出的一种面向船舶结构动力学CAE分析结果的虚拟可视化平台及实现方法，从虚拟场景的构建——振源激励现象的发生——虚拟仿真结果呈现——交互评价，可以满足工程设计人员对结构振动速度及加速度在结构中的传递效果进行可视化，快速获取结构设计缺陷位置，可以为结构减振设计提供有效支撑。

3)本发明提出的一种面向船舶结构动力学CAE分析结果的虚拟可视化平台及实现方法，再用面向对象的方式，构建了CAE仿真结果可视化统一数据类架构及函数库，突破了不同有限元商业软件之间的数据格式不一致造成的数据壁垒。

4)本发明提出的一种面向船舶结构动力学CAE分析结果的虚拟可视化平台及实现方法，除了可以为工程设计人员提供辅助，也可以应用于高校中《船舶结构动力学》课程的教学补充，提高学生对专业理论知识的理解和掌握。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，包括，用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块、数据库管理模块、后处理交互及评价模块、虚拟可视化操作流程介绍模块；

所述用户登录管理模块用于用户登录，以及用户信息管理；

所述船舶模型加载模块用于加载不同船型的有限元模型数据；

所述虚拟仿真功能模块用于根据不同船型的有限元模型数据，进行虚拟仿真，获得虚拟仿真数据；所述虚拟仿真功能模块进行虚拟仿真包括：模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真以及振动路径传递识别；

所述数据库管理模块用于储存用户信息、有限元模型数据与虚拟仿真数据；

所述后处理交互及评价模块用于对所述虚拟仿真数据进行后处理交互，生成交互仿真评价报告；所述后处理交互的内容包括前三阶振型的位移云图及频率，振动响应中速度及加速度云图中振动传递路径；所述后处理交互及评价模块通过静态、动态、分割与漫游的方式对所述虚拟仿真数据进行后处理交互；

所述虚拟可视化操作流程介绍模块用于可视化系统的功能介绍、操作流程介绍以及注意事项介绍；

所述用户登录管理模块、船舶模型加载模块、虚拟仿真功能模块以及虚拟可视化操作流程介绍模块依次连接，所述数据库管理模块分别与所述用户登录管理模块、船舶模型加载模块以及虚拟仿真功能模块连接。

2.根据权利要求1所述的船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，所述虚拟仿真数据包括：模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据。

3.根据权利要求1所述的船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，所述交互仿真评价报告包括：对结构模态振型、频率及振动响应交互仿真结果的概述，给出结构的频率禁区、振动响应中的结构薄弱位置以及结构设计的优化建议。

4.根据权利要求1所述的船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，所述振动路径传递识别为：振动速度及加速度从振动源传递到船体结构其他位置的路径识别。

5.根据权利要求1所述的船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，动态后处理交互方式为基于时间线的动画形式进行交互，相邻时间步的中间数据采用动态插值算法以获取更多数据，避免动态后处理交互过程中出现“卡顿”现象，所述动态插值算法包括一阶线性插值和二阶线性插值；

静态后处理交互方式为某一时间步的数据显示及交互；

分割后处理交互方式为对模型和动力学分析结果进行模型剖切，以观察内部分析结果的细节；

漫游后处理交互方式是采用虚拟现实设备进行沉浸式体验和观察分析结果。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化系统，其特征在于，所述虚拟可视化系统的构建为基于C#语言开发，平台采用C/S架构，基于Unity3d软件中发布完成，包括PC端、VR端及ART端。

7.一种权利要求1-6任一项所述的一种船舶结构动力学分析结果的虚拟可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

加载目标船舶的有限元模型数据；

基于所述有限元模型数据，进行目标船舶的虚拟仿真，获得虚拟仿真数据，其中，目标船舶的虚拟仿真包括：目标船舶结构的模态分析和振动响应分析结果的虚拟仿真、以及振动路径传递识别，虚拟仿真数据包括：目标船舶结构的模态有限元仿真结果信息、振动响应有限元仿真结果数据、有限元仿真可视化数据；

对所述虚拟仿真数据进行多视角及静、动态交互，获得虚拟仿真交互评价及生成优化报告。

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