一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法，本发明专利技术属于虚拟仿真实验领域，包括：板架模型构建模块、数值计算模块、云图渲染模块和虚拟可视化模块；其中板架模型构建模块、数值计算模块、云图渲染模块、虚拟可视化模块依次连接；板架模型构建模块，用于构建等几何实体板架模型；数值计算模块，用于对等几何实体板架模型进行等几何分析，得到数值仿真结果；云图渲染模块，用于将数值仿真结果渲染成彩色云图；虚拟可视化模块，用于将等几何实体板架模型、数值仿真结果进行可视化交互。本发明专利技术能够满足不同用户在工程设计、基础理论学习等需求，可以有效提高用户对结构设计安全评估和专业知识的掌握能力。结构设计安全评估和专业知识的掌握能力。结构设计安全评估和专业知识的掌握能力。

【技术实现步骤摘要】
一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法


[0001]本专利技术属于虚拟仿真实验
，尤其涉及一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法。

技术介绍

[0002]等几何分析(IGA)是结构计算力学的前沿研究热点问题，它的优点是能够将CAD几何模型和数值计算无缝相连。与传统的有限元数值计算相比，可以避免畸形网格、几何缺陷、拓扑结构丢失等繁琐的前处理工作，能够在几何模型精确表达的同时开展数值计算，这些都得益于形函数的强大几何表达能力。但是目前等几何分析尚不能取代有限元方法，大多研究还停留在简单结构的理论验证阶段。
[0003]目前，对船舶结构力学知识的教学依然停留在书本和基于2D计算机屏幕的环境，无法将课堂知识与虚拟现实等先进技术相融合，无法满足共享性的虚拟教育课堂。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台及实现方法，包括：
[0006]板架模型构建模块、数值计算模块、云图渲染模块和虚拟可视化模块；其中所述板架模型构建模块、所述数值计算模块、所述云图渲染模块、所述虚拟可视化模块依次连接；
[0007]所述板架模型构建模块，用于构建等几何实体板架模型；
[0008]所述数值计算模块，用于对所述等几何实体板架模型进行等几何分析，得到数值仿真结果；
[0009]所述云图渲染模块，用于将所述数值仿真结果渲染成彩色云图；
[0010]所述虚拟可视化模块，用于将等几何实体板架模型、数值仿真结果进行可视化交互。
[0011]优选地，所述板架模型构建模块中，基于节点坐标和单元拓扑关系，采用点云技术重构等几何实体板架模型。
[0012]优选地，所述数值计算模块中，基于等几何分析算法对所述等几何实体板架模型分别进行空间映射、数值积分，得到数值仿真结果。
[0013]优选地，数值积分公式为：
[0014][0015][0016][0017]其中，设k阶B样条曲线C(ξ)节点矢量为u＝{u0,u1,u2,
…
,u
m
‑1}(m>2k+2)，则节点单元起点为u
k
，N为高斯积分的积分点数量，w
j
为高斯积分权值，ξ
j
为积分点节点值，s
j
和x
j
为标准N点高斯积分法的积分点和权值。
[0018]优选地，所述数值计算模块，还用于计算等几何实体板架模型的应力及位移变形结果。
[0019]优选地，还包括实验报告生成模块，用于对应力及位移变形结果进行评价，并生成评价实验报告。
[0020]优选地，所述板架结构虚拟仿真平台包括：PC端和VR端，采用C#和Matlab语言开发。
[0021]为了实现上述技术目的，本专利技术还公开了一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台的实现方法，包括以下步骤：
[0022]构建等几何实体板架模型；
[0023]对所述等几何实体板架模型进行计算分析，得到数值仿真结果；
[0024]将所述数值仿真结果渲染成彩色云图；
[0025]将等几何实体板架模型、数值仿真结果进行可视化交互。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0027]本专利技术提供了一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，通过板架模型构建模块，构建等几何实体板架模型；通过数值计算模块，对等几何实体板架模型进行等几何分析，得到数值仿真结果；通过云图渲染模块，将所述数值仿真结果渲染成彩色云图；通过虚拟可视化模块，将等几何实体板架模型、数值仿真结果进行可视化交互。本专利技术能够满足不同用户在工程设计、基础理论学习等需求，可以有效提高用户对结构设计安全评估和专业知识的掌握能力。
附图说明
[0028]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：
[0029]图1为本专利技术实施例的板架结构虚拟仿真平台示意图。
具体实施方式
[0030]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。
[0031]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。
[0032]实施例一
[0033]如图1所示，本实施例中提供一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，包括：用户登录模块、板架模型重构模块、等几何数值计算模块、等几何理论计算知识说明模
块、渲染模块、虚拟可视化模块；
[0034]板架结构虚拟仿真平台的构建是采用C#和Matlab语言开发，发布是在Unity3d软件中完成，包括PC端和VR端。
[0035]等几何理论计算知识说明模块主要是等几何结构力学分析基础理论、可视化重构及渲染相关的方法，用于辅助说明板架结构虚拟仿真平台中提到的专业知识。
[0036]本实施例中，等几何理论计算知识说明模块主要包括：
[0037]知识1.等几何模型构建原理
[0038]船舶板架结构等几何模型构建过程中，NURBS曲线的定义为：
[0039][0040]其中，P
i
(i＝1,2,
…
,n)是一系列控制点的坐标，ω
i
是相应的控制点权值。通过改变控制点坐标或权值能简单快捷地修改结构几何形状。通过选择适当的权重，可以描述许多不同类型的曲线。B
i,p
(ξ)，N
i,p
(ξ)分别代表定义在节点向量Ξ＝{ξ1,ξ2,...,ξ
m
}的样条基函数，节点向量Ξ＝{ξ1,ξ2,...,ξ
m
}为一组非递减的实数序列，其向量个数是m＝n+p+1。
[0041]知识2.等几何分析基本概念
[0042]在IGA中，使用B样条曲线\曲面来表达几何图形，并使用曲线\曲面函数作为形函数来离散局部计算域，IGA片面存在两种网格—控制点网格和节点网格。节点网格便将B样条曲面划分为了节点单元。单元是进行数值积分的基本单位。
[0043]知识3.IGA中的网格细化策略
[0044]几种常见的细化策略：h细化、p细化、k细化，对于船体结构这样的复杂结构，单个曲面难以表达所有结构，使用多个曲面组合表达结构并进行分析的方法称为多片造型IGA，针对单个片面的节点网格的细化策略可以有效提高计算精确度。
[0045]知识4.空间映射与数值积分
[0046]IGA中数值积分域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，其特征在于，包括：板架模型构建模块、数值计算模块、云图渲染模块和虚拟可视化模块；其中所述板架模型构建模块、所述数值计算模块、所述云图渲染模块、所述虚拟可视化模块依次连接；所述板架模型构建模块，用于构建等几何实体板架模型；所述数值计算模块，用于对所述等几何实体板架模型进行等几何分析，得到数值仿真结果；所述云图渲染模块，用于将所述数值仿真结果渲染成彩色云图；所述虚拟可视化模块，用于将等几何实体板架模型、数值仿真结果进行可视化交互。2.根据权利要求1所述的采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，其特征在于，所述板架模型构建模块中，基于节点坐标和单元拓扑关系，采用点云技术重构等几何实体板架模型。3.根据权利要求1所述的采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，其特征在于，所述数值计算模块中，基于等几何分析算法对所述等几何实体板架模型分别进行空间映射、数值积分，得到数值仿真结果。4.根据权利要求3所述的采用等几何分析的板架结构虚拟仿真平台，其特征在于，数值积分公式为：积分公式为：积分公式为：其中，设k阶B样条曲线C(ξ)节点矢量为u＝{u0,u1,u2,
…
,u

【专利技术属性】
技术研发人员：李春通，韦朋余，王德禹，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：