一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。供了有效途径。供了有效途径。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法


[0001]本专利技术涉及三维可视化显示
，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。

技术介绍

[0002]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 Aided Engineering)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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法，包括：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本专利技术的有益效果为：
[0021]1)本专利技术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；
[0022]2)本专利技术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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春通，王德禹，马宁，蔡忠华，师桂杰，崔进举，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：