[發明專利]基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法

有效

• 申請號: 202010546921.3
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111783334B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 陸新征;鄭哲;田源
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/13
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 石茵汀

本發明公開了一種基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法，該方法包括：建立目標建筑物的有限元模型，并進行倒塌小變形有限元模擬；根據有限元模型的倒塌小變形模擬結果確定倒塌起始時刻，并提取倒塌小變形有限元模擬結果；將有限元模型映射為物理引擎模型，將提取的倒塌小變形有限元模擬結果的數據映射到物理引擎模型中，并采用物理引擎模型對目標建筑物的進行倒塌大變形模擬，得到倒塌大變形模擬結果；將倒塌小變形有限元模擬結果和倒塌大變形模擬結果進行整合、渲染與可視化，構建建筑倒塌廢墟虛擬場景。該方法能夠對目標建筑物從倒塌開始到廢墟形成的全過程進行模擬并可視化，構建合理、可靠的建筑倒塌廢墟虛擬場景。

技術領域

本發明涉及場景模擬技術領域，特別涉及一種基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法。

背景技術

地震中由建筑物倒塌產生的廢墟使大量人員遭到埋壓，嚴重威脅人員生命安全。相關統計表明，埋壓是地震傷亡的主要因素之一。因此，有必要開展有針對性的救援訓練，提升對被埋壓人員的施救效率，降低地震造成的人員傷亡。

合理、可靠的建筑倒塌廢墟虛擬場景構建，可以增強受訓者的臨場感覺，提升地震應急人員的快速反應和應急處置能力。虛擬場景構建的真實性是影響訓練效果的關鍵因素。然而，有限元方法模擬結構強非線性、超大變形倒塌過程計算成本高，難以考慮結構構件的碰撞效應并且難以形成廢墟。基于物理引擎建筑倒塌模擬方法雖然具有結構倒塌的大變形模擬優勢，但是在結構小變形階段計算不準確。而結構的倒塌過程往往對于倒塌時刻的初始狀態十分敏感，因而僅采用物理引擎方法難以保證結構倒塌模式的真實性。

因此，現有救援訓練方法面臨的關鍵難題之一就是建筑倒塌廢墟的模擬與構建。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的目的在于提出一種基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法，該方法能夠模擬目標建筑物從倒塌開始到廢墟形成的全過程，并且可以考慮倒塌過程中結構碎塊碰撞的影響，實現合理、可靠的建筑倒塌廢墟虛擬場景構建。

為達到上述目的，本發明實施例提出了一種基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法，包括：

S1，建立目標建筑物的有限元模型，并進行所述有限元模型的倒塌小變形有限元模擬；

S2，根據所述有限元模型的倒塌小變形模擬結果確定倒塌起始時刻，并提取所述倒塌小變形有限元模擬結果；

S3，將所述有限元模型映射為物理引擎模型，將提取的所述倒塌小變形有限元模擬結果的數據映射到所述物理引擎模型中，并采用所述物理引擎模型對所述目標建筑物的進行倒塌大變形模擬，得到倒塌大變形模擬結果；

S4，將所述倒塌小變形有限元模擬結果和所述倒塌大變形模擬結果進行整合、渲染與可視化，構建建筑倒塌廢墟虛擬場景。

本發明實施例所提供的技術方案可以包含如下的有益效果：

通過目標建筑物的有限元模型建立與倒塌小變形模擬，提取目標建筑物的幾何信息數據與小變形倒塌關鍵時刻前的位移和速度數據；根據幾何信息數據在物理引擎中建立并物理引擎模型預處理，并完成目標建筑物倒塌大變形模擬。整合有限元倒塌小變形模擬與物理引擎大變形模擬數據。由此，構建合理、可靠的建筑倒塌廢墟虛擬場景。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據本發明一個實施例的基于有限單元法與物理引擎的建筑倒塌廢墟場景模擬方法流程圖；