CN103198172B - 基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法及***。其中，方法包括：通过有限元分析获得桥梁垮塌的桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据；根据桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型；利用桥梁变形数据，实现回调机制的桥梁垮塌的变形动画；基于失效单元数据，建立了碎块的图形模型；根据碎块的图形模型，建立高效的碎块计算模型；通过碎块计算的数据实时更新碎块图形模型，形成碎块运动动画；将桥梁的变形动画和碎块的运动动画结合，形成完整的桥梁垮塌视景仿真过程。根据本发明实施例的方法，桥梁垮塌视景仿真具有完整的碎块信息，弥补了有限元分析中失效单元造成的图形不完整，而且其视景仿真过程具有良好的真实感和实时性。

Description

基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法及***

技术领域

本发明涉及计算机技术在桥梁工程应用领域，特别涉及一种基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法及***。

背景技术

桥梁作为重要的生命线工程，其垮塌事故往往造成严重的人员伤亡和财产损失。

桥梁垮塌有限元分析是桥梁垮塌事故鉴定中常用方法。在垮塌问题上，有限元分析常常会产生大量失效单元。然而，单元一旦失效，将不再参加后续的有限元计算，缺乏后续计算数据，在图形上也会变得不可见。由于这些不可见的失效单元，桥梁的有限元分析结果是非常不完整的。桥梁垮塌事故鉴定中，模拟结果与真实事故场景的残骸对照是检查模拟是否符合实际的重要手段。但是，大量不可见的失效单元造成了有限元分析中残骸图形的严重不完整，无法用于残骸对照。另外，有限元分析主要采用抽象的力学模型，模型真实感比较差，而且有限元分析结果也难以达到实时的渲染速度，影响对模拟结果的观察。因此，桥梁垮塌的有限元分析有待于进一步改善。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种基于有限元模拟的桥梁坍塌的视景仿真方法，包括以下步骤：S1：通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，所述初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据；S2：根据有限元分析中获得的所述桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型；S3：在所述桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画；S4：根据桥梁垮塌有限元分析获得的所述失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型；S5：根据所述碎块的图形模型，建立高效的碎块的计算模型，其中，所述计算模型用来生成碎块运动数据；S6：通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画；S7：将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

根据本发明实施例的方法，桥梁垮塌视景仿真具有完整的碎块信息，弥补了有限元分析中失效单元造成的图形不完整，而且桥梁垮塌视景仿真过程具有良好的真实感和实时性。

本发明的一个实例中，所述步骤S3具体包括：S31：采用OSG图形引擎作为视景仿真环境；S32：通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

本发明的一个实例中，所述步骤S5具体包括：S51：通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动；S52：设定一个基本网格，并将位于所述基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类；S53：根据所述碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，所述碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

本发明的一个实例中，所述步骤S6具体包括：S61：通过所述碎块运动数据建立Fragment类，其中，所述Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型；S62：建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制，其中，所述配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用所述计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；S63：通过对所述碎块计算模型的不断更新碎块图形形成碎块运动动画。

为达到上述目的，本发明的实施例另一方面提出一种基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***，包括：获取模块，用于通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，所述初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据；第一建立模块，用于根据有限元分析中获得的所述桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型；第一生成模块，用于在所述桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画；获取建立模块，用于根据桥梁垮塌有限元分析获得的所述失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型；第二建立模块，用于根据所述碎块的图形模型，建立高效的碎块的计算模型，其中，所述计算模型用来生成碎块运动数据；第二生成模块，用于通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画；同步模块，用于将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

根据本发明实施例的***，桥梁垮塌视景仿真具有完整的碎块信息，弥补了有限元分析中失效单元造成的图形不完整，而且桥梁垮塌视景仿真过程具有良好的真实感和实时性。

本发明的一个实例中，所述第一生成模块具体包括：环境单元，用于采用OSG图形引擎作为视景仿真环境；更新单元，用于通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

本发明的一个实例中，所述第二建立模块具体包括：计算单元，用于通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动；设定单元，用于设定一个基本网格，并将位于所述基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类；建立单元，用于根据所述碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，所述碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

本发明的一个实例中，所述第二生成模块具体包括：第一建立单元，用于通过所述碎块运动数据建立Fragment类，其中，所述Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型；第二建立单元，用于建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制，其中，所述配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用所述计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；生成单元，用于通过对所述碎块计算模型的不断更新碎块图形形成碎块运动动画。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的碎块图形聚类与碎块计算模型的对应关系示意图；

图3为根据本发明一个实施例的桥梁垮塌视景仿真过程示意图；

图4为根据本发明一个实施例的本发明的视景仿真结果与有限元模拟结果对比图；

图5为根据本发明一个实施例的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1为根据本发明一个实施例的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的基于有限元模拟的桥梁坍塌的视景仿真方法，包括以下步骤：

步骤S101，通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据。

具体地，桥梁模型数据包括顶点坐标数据以及单元数据（顶点的组织数据），而桥梁变形数据指垮塌过程中每一个有限元的时间步长上所有顶点的位移情况，也就是顶点位移随时间变化的信息。失效单元数据指每一个有限元的时间步长上失效单元的数据。

步骤S102，根据有限元分析中获得的桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型。

具体地，根据桥梁模型数据，在OSG图形引擎中建立桥梁的视景模型。对桥梁的视景模型进行纹理贴图，增加模型的真实感。

步骤S103，在桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画。

具体地，采用OSG图形引擎作为视景仿真环境，然后通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

步骤S104，根据桥梁垮塌有限元分析获得的失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型。

具体地，根据失效单元数据，获得单元失效时刻时单元的位置和形状数据，利用这些数据建立碎块的图形模拟。碎块图形模型采用与桥梁视景模型一致的纹理增加碎块的真实感。碎块图形与失效单元具有相同的形状，很好地代替了不可见的失效单元。

步骤S105，根据碎块的图形模型，建立高效的碎块的计算模型，其中，计算模型用来生成碎块运动数据。

具体地，通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动。然后，设定一个基本网格，并将位于基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类，再根据碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

在本发明的一个实施例中，本发明使用物理引擎PhysX计算碎块图形下落、碰撞等运动，以弥补失效单元运动数据的缺失。物理引擎是一种实时的动力学计算程序，专门用于计算视景仿真中多种复杂运动的计算。

桥梁垮塌模拟过程中，碎块图形数量巨大。如果每一个碎块图形，无论体积多小，都对应一个计算模型来进行精确的计算，那么计算量非常大，碎块模拟的实时性可能难以保证。

本发明将位置相近的碎块图形作为一个碎块图形聚类，一个聚类建立一个计算模型，以减少计算量，保证碎块模拟的实时效率。具体如下：

本发明设定一个基本网格BasicGrid，位于BasicGrid网格内的碎块图形将作为一个碎块图形聚类。BasicGrid的尺寸为相邻碎块图形平均间距的2-3倍时一般可以满足准确度和渲染性能要求。

为使物理角色数量尽量小，聚类问题转化为用最少的BasicGrid包围空间中所有的碎块图形。本发明对每一帧的碎块图形分别进行聚类计算。假设当前帧为t_k，生成的碎块图形数量为n。以碎块图形下落主方向Z轴方向为例，假设不同碎块图形间的相对距离将如以下公式所示方法进行归一化处理。 $d_z^{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}-h/2\≤d_z^{i,j}\≤h/2\\ 0,\mathrm{if}-h/2\≥d_z^{i,j},\mathrm{or}{d}_z^{i,j}\≥h/2\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,n,j=\mathrm{1,2},...,n,$ 其中，该公式表示与碎块图形i相对距离在BasicGrid高度h范围内均为1，否则都为0。由可以得到归一化的相对距离矩阵D_z，如下式所示： $D_z={\left[\begin{array}{ccccc}1& d_z^{\mathrm{1,2}}& d_z^{\mathrm{1,3}}& ...& d_z^{1,n}\\ & 1& d_z^{\mathrm{2,3}}& ...& d_z^{2,n}\\ & & 1& ...& d_z^{3,n}\\ & & & ...& ...\\ & & & & 1\end{array}\right]}_{n\×n,}$ 在D_z中，每一行之和表示该碎块图形在h范围的相邻碎块图形总数，即与该碎块图形所在聚类的元素个数。假设每一行元素和为Δ_i，控制变量counter=n，为使聚类数量尽可能少，本发明提出的聚类算法为：

(1)计算所有行之和，依次排序，找出Max(Δ_i),i＝1,2...,n的对应行r₁。

(2)将行r₁中所有值为1的元素划为聚类C₁，counter=counter-Max(Δ_i)。

(3)除去聚类C₁对应的行，找出对应的行r₂，将r₂所有值为1的元素划为聚类C₂，counter=counter-Max(Δ_i)。

(4)按照步骤(3)依次划分聚类，直到所有元素划归到聚类中，即counter＝0。

该算法逐步寻找包围碎块图形最多的网格，以保证降低聚类的数量。其它两个坐标方向依照上述方法进行聚类的划分，最终形成三维空间的聚类网格划分。其他碎块图形出现的帧，如上述t_k帧进行碎块图形聚类计算。碎块图形聚类在实时渲染前完成，不会占用渲染时间。利用本发明方法碎块计算模型数量可以降低至少一个数量级，渲染效率会大幅上升。

物理引擎中的计算模型需要具有适合的外形来模拟碎块聚类的碰撞。为了使计算模型在外形上更加接近碎块图形聚类，采用碎块图形聚类的包围盒建立碎块计算模型的外形，如图2所示。包围盒是完全紧密包围一组或一个图形对象整体的长方体。图如2所示，通过使用包围盒碎块计算模型与碎块图形聚类具有相同的位置和近似的外形，使得运动计算场景与图形场景相互吻合。碎块图形聚类的包围盒可以通过OSG中的getBounding()函数获得。

步骤S106，通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画。

具体地，通过碎块运动数据建立Fragment类，其中，Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型。建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制。其中，配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；由碎块计算模型支持，碎块图形的不断更新过程形成碎块运动动画。

在本发明的一个实施例中，OSG图形模拟与PhysX物理计算是并行执行的，需要建立OSG和PhysX的动态联系才能实现碎块运动动画。

在本发明的一个实施例中，基于物理引擎的碎块运动实现方法。首先，建立物理引擎和图形引擎的对应关系，再建立Fragments类，该类由碎块图形、相应的计算模型和回调机制组成。然后，建立利用计算模型更新碎块运动的回调机制。本发明建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制。在每一帧中，获得碎块计算模型的实时计算数据，用该数据对碎块图形的顶点坐标进行更新。最后，PhysX物理计算不断为碎块计算模型提供数据，不断更新的碎块图形形成碎块运动动画。

步骤S107，将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

具体地，桥梁的变形动画和碎块的运动动画都基于OSG的回调机制。利用回调机制，在每一帧同时对桥梁模型顶点坐标和碎块图形的坐标进行更新就可以实现桥梁变形动画和碎块的运动动画同步结合，从而实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

在本发明的一个实施例中，对某一个四跨石拱桥垮塌过程进行视景仿真。在有限元分析中，失效单元的数量达到有限元模型总单元个数的5/6，共5万多个。

在本发明的一个实施例中，石拱桥垮塌过程中杀死单元的视景仿真结果如图3所示。通过本发明碎块图形聚类方法，碎块对应计算模型数量由5万多变为4千多，降低一个数量级。图3所示的杀死单元可视化的渲染效率可达20帧以上，满足基本实时模拟需求。

桥梁垮塌有限元分析结果与本发明的仿真结果对比如图4所示，图4中（a）为有限元模拟的桥梁垮塌残骸，（b）为本发明的桥梁垮塌残骸。当桥梁触地时大部分单元会失效，在有限元分析中仅少量残骸可以被看见。但是，这些失效单元被基于PhysX计算的碎块特效很好的展现。在视景仿真中，残骸是完整的，为桥梁垮塌残骸分析提供了参考。同时，桥梁垮塌模拟还有良好的真实感和实时性，便于在桥梁事故鉴定中进行对照和观察。

根据本发明实施例的方法，桥梁垮塌视景仿真具有完整的碎块信息，弥补了有限元分析中失效单元造成的图形不完整，而且桥梁垮塌视景仿真过程具有良好的真实感和实时性。图5为根据本发明一个实施例的基于有限元模拟的桥梁坍塌的视景仿真***的框架图。如图5所示，根据本发明实施例的基于有限元模拟的桥梁坍塌的视景仿真***包括获取模块100、第一建立模块200、第一生成模块300、获取建立模块400、第二建立模块500、第二生成模块600和同步模块700。

获取模块100用于通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据。

具体地，桥梁模型数据包括顶点坐标数据以及单元数据（顶点的组织数据），而桥梁变形数据指垮塌过程中每一个有限元的时间步长上所有顶点的位移情况，也就是顶点位移随时间变化的信息。失效单元数据指每一个有限元的时间步长上失效单元的数据。

第一建立模块200用于根据有限元分析中获得的桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型。

具体地，根据桥梁模型数据，在OSG图形引擎中建立桥梁的视景模型。对桥梁的视景模型进行纹理贴图，增加模型的真实感。

第一生成模块300用于在桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画。

在本发明的一个实施例中，第一生成模块300包括环境单元310和更新单元320。

环境单元310用于采用OSG图形引擎作为视景仿真环境。

更新单元320用于通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

具体地，采用OSG图形引擎作为视景仿真环境，然后通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

获取建立模块400用于根据桥梁垮塌有限元分析获得的失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型。

具体地，根据失效单元数据，获得单元失效时刻时单元的位置和形状数据，利用这些数据建立碎块的图形模拟。碎块图形模型采用与桥梁视景模型一致的纹理增加碎块的真实感。碎块图形与失效单元具有相同的形状，很好地代替了不可见的失效单元。

第二建立模块500用于根据碎块的图形模型，建立高效的碎块的计算模型，其中，计算模型用来生成碎块运动数据。

在本发明的一个实施例中，第二建立模块500包括计算单元510、设定单元520和建立单元530。

计算单元510用于通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动。

设定单元520用于设定一个基本网格，并将位于基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类。

建立单元530用于根据碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

具体地，通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动。然后，设定一个基本网格，并将位于基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类，再根据碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

在本发明的一个实施例中，本发明使用物理引擎PhysX计算碎块图形下落、碰撞等运动，以弥补失效单元运动数据的缺失。物理引擎是一种实时的动力学计算程序，专门用于计算视景仿真中多种复杂运动的计算。

桥梁垮塌模拟过程中，碎块图形数量巨大。如果每一个碎块图形，无论体积多小，都对应一个计算模型来进行精确的计算，那么计算量非常大，碎块模拟的实时性可能难以保证。

本发明将位置相近的碎块图形作为一个碎块图形聚类，一个聚类建立一个计算模型，以减少计算量，保证碎块模拟的实时效率。具体如下：

本发明设定一个基本网格BasicGrid，位于BasicGrid网格内的碎块图形将作为一个碎块图形聚类。BasicGrid的尺寸为相邻碎块图形平均间距的2-3倍时一般可以满足准确度和渲染性能要求。

为使物理角色数量尽量小，聚类问题转化为用最少的BasicGrid包围空间中所有的碎块图形。本发明对每一帧的碎块图形分别进行聚类计算。假设当前帧为t_k，生成的碎块图形数量为n。以碎块图形下落主方向Z轴方向为例，假设不同碎块图形间的相对距离将如以下公式所示方法进行归一化处理。 $d_z^{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}-h/2\≤d_z^{i,j}\≤h/2\\ 0,\mathrm{if}-h/2\≥d_z^{i,j},\mathrm{or}{d}_z^{i,j}\≥h/2\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,n,j=\mathrm{1,2},...,n,$ 其中，该公式表示与碎块图形i相对距离在BasicGrid高度h范围内均为1，否则都为0。由可以得到归一化的相对距离矩阵D_z，如下式所示： $D_z={\left[\begin{array}{ccccc}1& d_z^{\mathrm{1,2}}& d_z^{\mathrm{1,3}}& ...& d_z^{1,n}\\ & 1& d_z^{\mathrm{2,3}}& ...& d_z^{2,n}\\ & & 1& ...& d_z^{3,n}\\ & & & ...& ...\\ & & & & 1\end{array}\right]}_{n\×n,}$ 在D_z中，每一行之和表示该碎块图形在h范围的相邻碎块图形总数，即与该碎块图形所在聚类的元素个数。假设每一行元素和为Δ_i，控制变量counter=n，为使聚类数量尽可能少，本发明提出的聚类算法为：

(1)计算所有行之和，依次排序，找出Max(Δ_i),i＝1,2...,n的对应行r₁。

(2)将行r₁中所有值为1的元素划为聚类C₁，counter=counter-Max(Δ_i)。

(3)除去聚类C₁对应的行，找出对应的行r₂，将r₂所有值为1的元素划为聚类C₂，counter=counter-Max(Δ_i)。

(4)按照步骤(3)依次划分聚类，直到所有元素划归到聚类中，即counter＝0。

该算法逐步寻找包围碎块图形最多的网格，以保证降低聚类的数量。其它两个坐标方向依照上述方法进行聚类的划分，最终形成三维空间的聚类网格划分。其他碎块图形出现的帧，如上述t_k帧进行碎块图形聚类计算。碎块图形聚类在实时渲染前完成，不会占用渲染时间。利用本发明方法碎块计算模型数量可以降低至少一个数量级，渲染效率会大幅上升。

物理引擎中的计算模型需要具有适合的外形来模拟碎块聚类的碰撞。为了使计算模型在外形上更加接近碎块图形聚类，采用碎块图形聚类的包围盒建立碎块计算模型的外形，如图2所示。包围盒是完全紧密包围一组或一个图形对象整体的长方体。图如2所示，通过使用包围盒碎块计算模型与碎块图形聚类具有相同的位置和近似的外形，使得运动计算场景与图形场景相互吻合。碎块图形聚类的包围盒可以通过OSG中的getBounding()函数获得。

第二生成模块600用于通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画。

在本发明的一个实施例中，第二生成模块600包括第一建立单元610、第二建立单元620和生成单元630。

第一建立单元610用于通过碎块运动数据建立Fragment类，其中，Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型。

第二建立单元620用于建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制，其中，配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新。

生成单元630用于通过对碎块计算模型的不断更新碎块图形形成碎块运动动画。

具体地，通过碎块运动数据建立Fragment类，其中，Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型。建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制。其中，配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；由碎块计算模型支持，碎块图形的不断更新过程形成碎块运动动画。

在本发明的一个实施例中，OSG图形模拟与PhysX物理计算是并行执行的，需要建立OSG和PhysX的动态联系才能实现碎块运动动画。

在本发明的一个实施例中，基于物理引擎的碎块运动实现方法。首先，建立物理引擎和图形引擎的对应关系，再建立Fragments类，该类由碎块图形、相应的计算模型和回调机制组成。然后，建立利用计算模型更新碎块运动的回调机制。本发明建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制。在每一帧中，获得碎块计算模型的实时计算数据，用该数据对碎块图形的顶点坐标进行更新。最后，PhysX物理计算不断为碎块计算模型提供数据，不断更新的碎块图形形成碎块运动动画。

同步模块700用于将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

具体地，桥梁的变形动画和碎块的运动动画都基于OSG的回调机制。利用回调机制，在每一帧同时对桥梁模型顶点坐标和碎块图形的坐标进行更新就可以实现桥梁变形动画和碎块的运动动画同步结合，从而实现完整的桥梁垮塌视景仿真。

在本发明的一个实施例中，对某一个四跨石拱桥垮塌过程进行视景仿真。在有限元分析中，失效单元的数量达到有限元模型总单元个数的5/6，共5万多个。

在本发明的一个实施例中，石拱桥垮塌过程中杀死单元的视景仿真结果如图3所示。通过本发明碎块图形聚类方法，碎块对应计算模型数量由5万多变为4千多，降低一个数量级。图3所示的杀死单元可视化的渲染效率可达20帧以上，满足基本实时模拟需求。

桥梁垮塌有限元分析结果与本发明的仿真结果对比如图4所示，图4中（a）为有限元模拟的桥梁垮塌残骸，（b）为本发明的桥梁垮塌残骸。当桥梁触地时大部分单元会失效，在有限元分析中仅少量残骸可以被看见。但是，这些失效单元被基于PhysX计算的碎块特效很好的展现。在视景仿真中，残骸是完整的，为桥梁垮塌残骸分析提供了参考。同时，桥梁垮塌模拟还有良好的真实感和实时性，便于在桥梁事故鉴定中进行对照和观察。

根据本发明实施例的***，桥梁垮塌视景仿真具有完整的碎块信息，弥补了有限元分析中失效单元造成的图形不完整，而且桥梁垮塌视景仿真过程具有良好的真实感和实时性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，所述初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据；

S2：根据有限元分析中获得的所述桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型；

S3：在所述桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画；

S4：根据桥梁垮塌有限元分析获得的所述失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型；

S5：根据所述碎块的图形模型，建立碎块的计算模型，其中，所述计算模型用来生成碎块运动数据；

S6：通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画；以及

S7：将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真，

桥梁模型数据包括顶点的组织数据，所述顶点的组织数据由顶点坐标数据以及单元数据构成，桥梁变形数据是指垮塌过程中每一个有限元的时间步长上所有顶点的位移情况，即顶点位移随时间变化的信息，失效单元数据是指每一个有限元的时间步长上失效单元的数据。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：采用OSG图形引擎作为视景仿真环境；

S32：通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

3.根据权利要求1所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S51：通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动；

S52：设定一个基本网格，并将位于所述基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类；以及

S53：根据所述碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，所述碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

4.根据权利要求1所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S61：通过所述碎块运动数据建立Fragment类，其中，所述Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型；

S62：建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制，其中，所述配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用所述计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；以及

S63：通过对所述碎块计算模型的不断更新碎块图形形成碎块运动动画。

5.一种基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***，包括：

获取模块，用于通过有限元分析获得桥梁垮塌的初步仿真数据，其中，所述初步仿真数据包括桥梁模型数据、桥梁变形数据和失效单元数据；

第一建立模块，用于根据有限元分析中获得的所述桥梁模型数据建立真实感的桥梁视景模型；

第一生成模块，用于在所述桥梁视景模型的基础上，应用桥梁变形数据，在视景仿真环境中生成桥梁垮塌过程中的变形动画；

获取建立模块，用于根据桥梁垮塌有限元分析获得的所述失效单元数据，在视景仿真环境中建立碎块的图形模型；

第二建立模块，用于根据所述碎块的图形模型，建立碎块的计算模型，其中，所述计算模型用来生成碎块运动数据；

第二生成模块，用于通过碎块图形模型与计算模型的配合机制，在视景模拟环境中生成碎块的运动动画；以及

同步模块，用于将桥梁变形动画和碎块运动动画进行同步，实现完整的桥梁垮塌视景仿真，

桥梁模型数据包括顶点的组织数据，所述顶点的组织数据由顶点坐标数据以及单元数据构成，桥梁变形数据是指垮塌过程中每一个有限元的时间步长上所有顶点的位移情况，即顶点位移随时间变化的信息，失效单元数据是指每一个有限元的时间步长上失效单元的数据。

6.根据权利要求5所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***，其特征在于，所述第一生成模块具体包括：

环境单元，用于采用OSG图形引擎作为视景仿真环境；

更新单元，用于通过回调机制利用桥梁变形数据在每一帧都对桥梁视景模型的顶点坐标进行更新，从而形成桥梁垮塌过程中桥梁的变形动画。

7.根据权利要求5所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***，其特征在于，所述第二建立模块具体包括：

计算单元，用于通过物理引擎PhysX计算碎块图形的运动；

设定单元，用于设定一个基本网格，并将位于所述基本网格内的碎块图形作为一个对应的碎块图形聚类；以及

建立单元，用于根据所述碎块图形聚类建立对应的计算模型，其中，所述碎块计算模型的外形通过碎块图形聚类的包围盒获得。

8.根据权利要求5所述的基于有限元分析的桥梁垮塌的视景仿真***，其特征在于，所述第二生成模块具体包括：

第一建立单元，用于通过所述碎块运动数据建立Fragment类，其中，所述Fragment类包含碎块图形和对应的碎块计算模型；

第二建立单元，用于建立Move-callback类来设置Fragment类的回调机制，在回调中形成碎块图形模型和碎块计算模型的配合机制，其中，所述配合机制在每一帧中获得碎块计算模型的实时计算数据，并用所述计算数据对碎块图形的顶点坐标进行更新；以及

生成单元，用于通过对所述碎块计算模型的不断更新碎块图形形成碎块运动动画。