基于有限元的桥梁垮塌场景模拟初探.pdf

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1、第2卷第4期V01．2No．42010年12月Dec．2010基于有限元的桥梁垮塌场景模拟初探许镇任爱珠陆新征(清华大学土木工程系，防灾减灾研究所，北京100084)【摘要】为了科学而逼真地还原桥梁垮塌过程，辅助桥梁垮塌事故鉴定，本文在虚拟现实平台上对基于有限元数据的桥梁垮塌过程场景模拟进行了研究。基于桥梁垮塌过程的有限元模拟数据，本文在三维图形引擎OSG上实现了桥梁场景建模和垮塌动画模拟，并基于桥梁垮塌模型构建了具有一定真实感的场景漫游系统。通过场景模拟与有限元模拟的结果对比，证明了本文基于有限元的桥梁场景建模和垮塌动画控制方法的有效性。本文将有限

2、元技术与虚拟现实技术相结合，为桥梁垮塌事故鉴定提供了科学而真实的虚拟场景。【关键词】桥梁垮塌；场景模拟；有限元；虚拟现实；OSG【中图分类号】TP391．9【文献标志码】A【文章编号】1674—7461(2010)04—0014—07近些年来，国内外发生了多起桥梁垮塌事桥梁垮塌力学模拟上已经有不少成功的案例，故_I，如2006年5月16日，甘肃岷县北门洮河大有限元技术可以保证垮塌模拟具有科学性，但是有桥(双曲石拱桥)突然全部垮塌；2007年8月，在建限元模拟结果较为抽象，缺乏真实感，特别是非力的湖南凤凰大桥发生坍塌，造成62人死亡；2007年学专业的

3、人员理解有一定困难。因此，有必要将虚8月1日，美国密西西比河1-35W钢桁架拱桥在交拟现实技术与有限元结合，实现具有科学性和真实通晚高峰时发生垮塌，造成13人死亡，145人受伤。感的桥梁垮塌场景模拟，以更加准确而逼真地还原这些事故造成了重大的人员伤亡和财产损失，同时桥梁垮塌过程，用于桥梁垮塌事故分析与结果展示。也引起了广大工程人员的关注与思考。科学、高目前，有限元与虚拟现实结合主要用于虚拟制效、准确的桥梁垮塌事故鉴定，对国家建设、经济运造和虚拟医学手术等方面等。，主要侧重于基于行、社会安定，具有非常重要的意义。有限元提高虚拟现实系统的交互性能。在土木

4、建美国“911”事件中世贸大厦及KhobarTowers的筑领域，Igor等人研究了实时虚拟环境下弹性体的事故鉴定过程中使用了大量计算机模拟技术4。，已模拟，提升了具有大量结点的有限元模型的渲染效经表明基于计算机模拟技术的结构垮塌事故鉴定调率¨。此外，对有限元的可视化后处理技术研究较查具有可行性强、高效、准确等优点。在桥梁垮塌事多¨，如陈俊涛等开发的地下结构的有限元图形系故中，美国国家交通安全委员会对美国明尼苏达州密统，来表现应力云图等有限元计算结果¨。以上研西西比河1-35W桥事故进行有限元建模分析，并根据究在提高虚拟现实系统交互性、模型渲染效率和

5、有影像资料和检测资料修正有限元模型，再现了桥梁倒限元模型的表现技术上都有一定突破，但都不侧重塌过程，准确而高效地确定了桥梁垮塌的原因。I．于提高有限元模拟结果的真实感。35W事故的准确鉴定表明了计算机模拟技术在桥梁本文基于MSC．Marc有限元软件进行了桥梁垮垮塌事故鉴定中的具有重要的应用价值。塌力学模拟。在此基础上，在图形平台OSG中实现桥梁事故鉴定需要通过计算机模拟技术科学了基于MSC．Marc数据的桥梁垮塌过程的场景动而真实的再现桥梁垮塌过程。有限元技术已经在画，使桥梁垮塌场景模拟与科学的有限元模拟结果【基金项目】交通部西部交通建设科技项目(编

6、号：2008—318—223-43)【作者简介】许镇(1986一)男，博士生。主要从事虚拟现实技术与结构仿真方面的研究。E—mail：martin31567@gmail．corn基奇有限元的桥梁垮塌场景模拟初探15保持一致。同时开发了桥梁垮塌场景漫游系统，构2桥梁垮塌有限元模拟建了具有真实感和科学性的桥梁垮塌场景，以还原桥梁垮塌过程，用于桥梁垮塌事故鉴定。某钢筋混凝土大桥全长191．6m，主桥上部结构为混凝土组合桁架拱桥，跨径138m，用途为公路桥，1系统介绍如图2。桥梁垮塌事故鉴定不仅需要逼真的桥梁垮塌在MSC．Marc软件中建立桥梁的非线性有限元

7、过程的场景模拟，而且还需要一定的场景交互操作模型，为模拟该钢筋混凝土桥因超载工况导致垮塌功能，因此一个完整的桥梁垮塌场景模拟系统应该的过程，特意将模型中的标准车(55吨)后四轴轴重具有良好的模拟效果和交互性能。对于场景模拟，增加近一倍，形成总轴重为107吨的特重车，并由5一方面需要有限元数据的支持，作为科学模拟的保辆特重车组成的车队驶上桥梁，构成超载工况，得证，另一方面由于真实感的需要，模拟场景也需要到的有限元模型如图3所示。具有地形模型、纹理数据、垮塌特效等多种要素，并有限元方法适用于连续体，在垮塌过程中，对根据桥梁事故鉴定需要开发相应的漫游操作和

8、交于破碎、分离等非连续力学行为一般采用“生死单互操作。为此，本文将桥梁垮塌场景模拟系统分为元法”进行处理。在