有限元仿真动画效果优化方法研究

宋 佳,章 涛,左勇志,王元清

(1.北京建工集团有限责任公司,北京100055;2.清华大学土木水利学院,北京100084; 3.北京市建筑工程研究院有限责任公司,北京100039)



有限元仿真动画效果优化方法研究

宋 佳1,2,章 涛3,左勇志3,王元清2

(1.北京建工集团有限责任公司,北京100055;2.清华大学土木水利学院,北京100084; 3.北京市建筑工程研究院有限责任公司,北京100039)

摘 要:研究了利用三维图形软件3ds MAX对有限元软件ABAQUS仿真模型动画效果进行优化的方法.以1个3层钢框架结构为对象,使用ABAQUS对其进行地震作用下的动力弹塑性时程分析,并得到与各个时间步对应的多个TRML格式模型文件.借助自主开发的3个3ds MAX功能插件实现TRML格式模型文件向3ds MAX的批量导入及动画模型的快速生成.利用3ds MAX制作完成了具有一定真实感工程场景动画.研究结果表明:所开发的功能插件在提高工作效率方面具有显著效果,且与ABAQUS自动生成的动画相比,利用优化方法所得动画效果的真实感更强.

关键词:有限元仿真;3ds MAX;优化方法;功能插件

随着信息时代的不断发展,新的信息表达理念(如可视化表达、虚拟现实)不断被提出,符合新理念的相关技术也逐步发展起来.在工程领域,传统的有限元仿真结果表达形式较为单一,虽能输出表示结构(构件)的不同力学指标的云图,以及简易的动画,但仿真效果较抽象,无法涵盖现实场景信息,且画面缺乏真实感,这给非专业人士在问题理解上造成不小的障碍.

国内外学者已经开始致力于解决上述问题.武汉大学的陈俊涛等[1]针对地下结构有限元程序的后处理模块进行了二次开发,来优化应力、应变云图等有限元计算结果.清华大学的许镇等[2]使用MSC Marc对一桥梁因车辆超载导致倒塌的工程场景进行数值仿真,并基于OSG开发了具有一定真实感的桥梁垮塌场景漫游系统.美国普渡大学的Andrysco等[3-4]利用3ds MAX的SDK二次开发工具,开发出一个3ds MAX数据转换插件.该插件可将LSDYNA仿真结果数据导入到3ds MAX中,结合图形修缮、特效添加等技术制作出飞机撞击大厦的模拟动画,最终逼真再现了“9·11”事件发生时的场景.工程师Hao[5]基于数值仿真技术找出了美国明尼苏达州I-35W桥的倒塌原因,并结合动画技术还原了该桥的倒塌场景.

本文作者基于一个3层钢框架结构的ABAQUS倒塌算例,针对如何将有限元仿真结果数据导入3ds MAX,以及如何提高工程场景动画制作效率的问题进行研究,初步形成了一套简单、高效的工程场景动画制作流程.

1 工程场景动画制作基本流程

图1是基于数值仿真数据的工程场景动画制作流程的示意图.

该流程大致可分为4个步骤:①利用有限元软件对分析对象进行数值模拟;②将有限元数值模拟结果导入3ds MAX,并在3ds MAX中形成动画模型;③根据工程现场的实际情况,在3ds MAX中为动画模型添加相关场景;④根据需求在3ds MAX中为模型赋予材质,设定观察角度、观察部位、灯光等信息,最终制作出工程场景动画文件.在详细了解场景信息的情况下,步骤③可以提前进行.

2 有限元仿真结果数据生成

2.1 有限元分析

本文的分析对象是一个3层钢框架结构,该结构1层、2层的层高均为3.5 m,3层为2.5 m.梁截面为工字形,截面尺寸为250×255×14/14 mm;柱截面为箱形,截面尺寸为450×250×12 mm,钢材强度等级为Q235.楼面恒载为10 k N/m2,楼面活载为2 k N/m2.结构布置如图2所示.

在ABAQUS中[6]相继完成部件制作、构件特性赋予、部件装配等步骤后,对模型进行分析步的设置.共设置了两个分析步:①平滑分析步,采用线性加载方式对结构施加自重荷载.此操作的目的是为了避免由于瞬间施加重力荷载而导致的结构竖向脉冲振动;②地震时程分析步,地震波采用ELCentro 波.再经过设定相互作用、施加荷载、划分网格等步骤,最终经计算得到模型在地震作用下结构响应.计算结束时,时间步总数为200.结构倒塌过程中的部分破坏形态如图3和图4所示.

2.2 仿真结果数据保存

ABAQUS、ANSYS等常用有限元软件都能够输出分析模型在整个加载过程中不同时间点上的仿真结果数据.本文使用ABAQUS完成结构倒塌分析之后,将模型在每个时间步的仿真结果数据分别保存为单个的模型文件,文件格式为VRML.模型文件的个数与ABAQUS计算过程中的时间步数相对应,每个模型文件中都包含了结构模型在相应时间点上的全部几何信息.为了便于后期在3ds MAX中生成动画模型,VRML格式模型文件的名称需要与时间步序号对应.

3 基于3ds MAX的工程场景再现

3.1 动画生成

由ABAQUS生成的VRML格式模型文件可以在3ds MAX中打开,但是模型数据中不包含时间参量,所以无法使用3ds MAX直接生成动画序列,为了将VRML格式模型文件转换成可用的动画数据,针对输出结果数据的特点,基于3ds MAX脚本语言MAXscript进行插件开发[7-8].所开发的插件不仅应具有对某一个模型进行单独编辑的功能,而且应具有快速对多个模型进行时间参数赋予的功能,最终可形成动画序列.为此,开发了如下3个3ds MAX插件:

1)合并结果数据插件.ABAQUS等有限元软件输出是单独时间步下的结果模型,这就造成了每个模型都需要保存一个单独的VRML格式文件.若是按照每秒10帧的播放速率,20 s的动画就需要保存200个单独的文件,若将这些模型逐个手工导入3 ds MAX进行动画操作,其工作量之巨大是显而易见的.合并结果数据插件的功能是将多个单独的模型文件一次性导入3 ds MAX中,并且将多个模型文件合并为一个.合并结果数据插件的界面,如图5所示.

2)时间步数据编辑插件.由于有限元软件导出的模型文件体积非常庞大,而且都重叠在一起,这给在3 ds MAX中对每一帧动画模型进行修改等操作带来相当大的麻烦,同时也很容易造成不必要的错误.时间步数据编辑插件的功能是将每一帧的动画模型进行单独显示,之后方便对单独的模型进行必要的修改,不仅大大地提高效率,而且可以避免很多不必要的操作失误.时间步数据编辑插件的界面如图6所示.

3)关键帧设置插件.本文动画的生成原理是当一系列相关的静态图片快速从眼前闪过时,利用眼睛的视觉暂留想象,使人看到连续运动的动画.本文动画的实现方法是在3ds MAX中对ABAQUS导出的结果模型进行处理,形成一帧一帧的静态模型,之后对每个模型赋予显隐性动画时间参数,通过这些时间参数变换每一模型的显隐性,之后渲染出按照时间参数连续切换的静态图片.每一帧模型的显隐性都需要赋予单独的动画时间参数,若每一帧都通过人工操作,工作量十分庞大,并且在重复操作过程中极易导致错误发生.关键帧设置插件的功能是根据每一帧模型的名称,按照人为的时间间隔量赋予每一帧模型显隐性的动画时间参数.该插件能大幅度减少人工重复操作,避免了不必要的错误.关键帧设置插件的界面如图7所示.

基于有限元仿真的工程场景再现动画制作的核心工作是将有限元仿真结果数据转变成3ds MAX动画数据.本文作者提出的有限元仿真结果数据处理流程为:①完成有限元分析后,通过有限元软件的后处理器将结果数据以计算时间步为间隔导出VRML格式的结果文件.②在3ds MAX中利用合并结果数据插件将之前保存的VRML文件全部导入到3ds MAX中,形成粗略的3ds MAX所有帧模型.③通过时间步数据编辑插件对每一帧的模型进行单独的编辑,得到细化的3ds MAX所有帧模型.④通过关键帧设置插件,将每一帧的静态模型赋予显隐性动画时间参数,在3ds MAX中形成动画模型序列.图8给出了将有限元仿真结果数据转换成3ds MAX动画模型的相关流程.值得一提的是,本文开发的3个3ds MAX插件不仅适用于ABAQUS仿真结果数据的导入,而且还适用于ANSYS、LSDYNA等软件的仿真结果数据的导入.

图9～图12展示的是将钢框架结构模型倒塌模拟的仿真结果数据导入3ds MAX之后,不同阶段的模型状态.图9为有限元仿真结果数据刚刚导入3ds MAX后的所有帧模型,此时,所有帧的模型都叠合在一起,其中有一些构件飞向地面以下,另一些构件飞向天空,这些构件的运动轨迹与常理不符.图10为删除不符合常理的构件之后的所有帧模型.图11和图12即为每帧模型赋予时间参数后形成框架倒塌动画效果.比较图3和图11,可知两图中的模型变形完全一致.

3.2 建筑垮塌场景制作

按照图1所示流程,当在3ds MAX中完成框架倒塌动画模型的制作之后,还需要进行非结构部件添加、周围场景模型添加、调节观察角度及观察范围等操作.图13给出了带有周围场景信息的动画截图,图14给出了带有非结构部件信息(如填充墙、玻璃、栏杆等)和周围场景信息的截图.由于有限元分析模型中未能包含非结构部件,相应的非结构部件的变形信息就无法获取,所以图14中无法体现非结构部件的变形情况.

4 结论

通过ABAQUS对某3层钢框架结构的倒塌过程进行了模拟,并基于仿真结果数据在3ds MAX软件中实现了具有一定真实感钢框架结构倒塌场景动画,取得结论如下:

1)利用3ds MAX脚本语言MAXScript开发的三个插件可运用于仿真结果数据可视化表达.这些插件可对ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA等多种软件的仿真结果数据进行快速处理.

2)总结出一套适用于3ds MAX的动画模型生成流程,该流程可保证有限元模拟结果与场景动画完全一致,证明了该流程的有效性.

参考文献(References):

[1]陈俊涛,肖明,郑永兰.用OpenGL开发地下结构工程三维有限元图形系统[J].岩石力学与工程学报,2006,25(5):1015-1020.CHEN Juntao,XIAO Ming,ZHENG Yonglan.Development of 3D graphics system of finite elements for underground engineering using OpenGL[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(5):1015-1020.(in Chinese)

[2]许镇,任爱珠,张劲泉,等.基于有限元分析和虚拟现实技术的桥梁垮塌场景模拟[J].公路交通科技,2012,29(5):41-45.XU Zhen,REN Aizhu,ZHANG Jinquan,et al.Scene simulation of bridge collapse based on finite element analysis and virtual reality technology[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2012,29(5):41-45.(in Chinese)

[3]ANDRYSCO N,ROSEN P,POPESCU V,et al.Experiences in disseminating educational visualizations[J].7th International Symposium on Advances in Visual Computing,2011,2:239-248.

[4]ROSEN P,POPESCU V,HOFFMANN C,et al.A high-quality high-fidelity visualization of the September 11 attack on the world trade center[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2008,14(4):937-947.

[5]HAO S.I-35W bridge collapse[J].Journal of Bridge Engineering,2010,15(5):608-614.

[6]庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社,2009.ZHUANG Zhuo.Finite element analysis and application based on ABAQUS[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.(in Chinese)

[7]薛庆文,辛允东.虚拟现实VRML程序设计与实例[M].北京:清华大学出版社,2012.XUE Qingwen,XIN Yundong.VRML design and examples[M].Beijing:Tsinghua University Press,2012.(in Chinese)

[8]火星时代.3ds Max 2011白金手册Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ[M].北京:人民邮电出版社,2011.Mars Times.Platinum handbookⅠ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳof 3ds Max[M].Beijing:Posts& Telecom Press,2011.(in Chinese)

Research on optimization method of animation effects by the finite element software

SONG Jia1,2,ZHANG Tao3,ZUO Yongzhi3,WANG Yuanqing2
(1.Beijing Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China; 2.School of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 3.Beijing Building Construction Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100039,China)

Abstract:This paper presents the optimization method of 3D graphics software 3ds MAX on the animation generated from the simulation model of finite element software ABAQUS.A three story steel frame structure is taken as the experimental subject.Using ABAQUS to carry out the dynamic elastic-plastic time history analysis under seismic action and obtain files of multiple TRML format corresponding to each time step.Afterwards,with self-developed 3ds MAX plug-in,it realized batch import of TRML format files to 3ds MAX and the animation model is quickly generated.Finally,using 3ds MAX to complete the experimental scene animation which looks more real.The research results show that the plug-in in this paper has significant effect on improving work efficiency.Moreover,compared with the automatically generated animation of ABAQUS,the animation obtained through the method has stronger sense of reality.

Key words:finite element simulation;3ds MAX;optimization method;function plug-in

作者简介:宋佳(1981—),男,河北唐山人,博士.研究方向为数值仿真.email:gaoloushu@163.com.

基金项目:中国博士后科学基金项目(2014 M560880)

收稿日期:2015-07-09

DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2016.01.006

文章编号:1673-0291(2016)01-0037-05

中图分类号:TU317.4

文献标志码:A