本發(fā)明涉及土木工程中的結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法。

背景技術(shù)：

1、橋梁結(jié)構(gòu)在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中具備關(guān)鍵性的樞紐地位，因此，確保其長期的安全運(yùn)營至關(guān)重要。這類結(jié)構(gòu)在日常服役過程中受到多種復(fù)雜因素的綜合作用，既包括直接作用，如結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載，也包括間接作用，如溫度和濕度的變化、混凝土的收縮與徐變等因素。橋梁結(jié)構(gòu)體系通常龐大而復(fù)雜，且部分已建成橋梁距今年代久遠(yuǎn)，缺乏有效管養(yǎng)系統(tǒng)，加之我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，車流和人流迅猛增加，橋梁運(yùn)營環(huán)境持續(xù)惡化，橋梁垮塌事件時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)橋梁進(jìn)行學(xué)評(píng)估是橋梁長期運(yùn)維任務(wù)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。工程人員依據(jù)力學(xué)評(píng)估結(jié)果能夠及時(shí)及時(shí)制定合適的維護(hù)措施，以最大程度地延長橋梁的壽命并保障交通運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩ā?/p>

2、傳統(tǒng)的力學(xué)評(píng)估方法多依靠abaqus、ansys、midas等商業(yè)有限元軟件，在很大程度上依賴于人工和設(shè)計(jì)圖紙，不僅需要投入大量的人力物力，而且由于結(jié)構(gòu)的損壞和長期變形，建模結(jié)果會(huì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在偏差。為解決這些問題，研究人員開始利用站立式激光掃描儀和深度相機(jī)獲取結(jié)構(gòu)的三維點(diǎn)云，并利用其提取詳細(xì)的幾何信息以建立幾何模型，作為評(píng)估力學(xué)性能的基礎(chǔ)，以求提高建模準(zhǔn)確度、減少人力投入。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，利用點(diǎn)云模型提取幾何信息的方法愈發(fā)成熟，各種優(yōu)化算法層出不窮，但這些方法仍面臨一系列顯著的挑戰(zhàn)，包括對(duì)噪聲的敏感性以及高度參數(shù)依賴性。這些限制顯著影響了這些方法在工程應(yīng)用中的實(shí)用性和魯棒性。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在廣泛的學(xué)科領(lǐng)域催生了前沿的技術(shù)創(chuàng)新。應(yīng)用基于視覺的深度學(xué)習(xí)技術(shù)無需調(diào)參，也具備噪聲魯棒性，可以點(diǎn)云模型作為輸入，直接輸出響應(yīng)的尺寸參數(shù)，但這種方式需要大量的數(shù)據(jù)集作為支撐，與橋梁點(diǎn)云模型的應(yīng)用現(xiàn)狀相悖。因此，如果可以忽略幾何信息提取的環(huán)節(jié)，直接運(yùn)用隱式包含幾何信息的點(diǎn)云模型作為力學(xué)建模基礎(chǔ)，則能夠更為合理的進(jìn)行力學(xué)分析，從而為橋梁性能評(píng)估提供合適的解決方案。

3、基于點(diǎn)云幾何模型的有限元自動(dòng)建模的理論研究一直是一個(gè)前沿課題。現(xiàn)有的方法主要是利用曲面重建算法將幾何模型轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體模型如三角剖分或泊松重建，再進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格模型以完成力學(xué)分析。然而，這些方法的表面重建的有效性仍存在著對(duì)噪聲的敏感性問題，可能會(huì)因幾何模型中的數(shù)據(jù)丟失或有噪聲而受到嚴(yán)重影響，從而對(duì)有限元建模的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。近年來，隨著有限元理論的進(jìn)一步擴(kuò)展，該問題逐步得到解決。浸入邊界法如有限胞元法等方法的興起，提供了一種只需判斷積分點(diǎn)位置與邊界關(guān)系的建模思路，消除了幾何模型表面重建的必要性，但由于其只應(yīng)用于單個(gè)個(gè)體的分析，對(duì)由多個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)雜大型土木工程結(jié)構(gòu)的自動(dòng)建模分析缺乏適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，旨在充分利用點(diǎn)云模型的幾何信息，結(jié)合現(xiàn)有力學(xué)分析算法實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的自動(dòng)力學(xué)分析，以提高橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的效能。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明所述的一種基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，步驟如下：

4、步驟s1，采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的語義分割，將待分析結(jié)構(gòu)以不同材料分割為單獨(dú)構(gòu)件；

5、步驟s2，將步驟s1中分割后的單獨(dú)構(gòu)件基于有限胞元法嵌入到劃分的網(wǎng)格中，得到整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型；

6、步驟s3，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，設(shè)置位移邊界條件及力的邊界條件；

7、步驟s4，基于整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型、位移邊界條件、力移邊界條件進(jìn)行力學(xué)性能自動(dòng)分析，運(yùn)用三維拓?fù)潢P(guān)系判斷法則形成結(jié)構(gòu)剛度矩陣，運(yùn)用面積分至域積分的轉(zhuǎn)化過程計(jì)算離散表面的節(jié)點(diǎn)荷載向量，完成待分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

8、本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，步驟s1中通過點(diǎn)云語義分割網(wǎng)絡(luò)或傳統(tǒng)的點(diǎn)云語義分割算法，形成語義層次的構(gòu)件分割，達(dá)到將待測結(jié)構(gòu)中具有不同材料屬性的構(gòu)件充分分離。

9、本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，步驟s2的分割切入步驟如下：

10、步驟s21、設(shè)置嵌入式網(wǎng)格的初始位置及結(jié)束位置，初始位置與結(jié)束位置圍成的區(qū)域充分包含待測結(jié)構(gòu)；

11、步驟s22、設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格多項(xiàng)式度數(shù)；

12、步驟s23、設(shè)置細(xì)劃網(wǎng)格層次，通過參數(shù)控制積分點(diǎn)逼近待測結(jié)構(gòu)邊界，每深入一層則對(duì)一個(gè)初始立方體網(wǎng)格進(jìn)行八叉樹細(xì)劃，直至達(dá)到最終細(xì)分層數(shù)。

13、本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，步驟s3中移邊界條件及力的邊界條件如下：

14、設(shè)置位移邊界條件為：位移邊界貼合于網(wǎng)格邊界，并設(shè)置位移約束類型；

15、設(shè)置力的邊界條件為：以點(diǎn)云形式表示受力區(qū)域，并設(shè)置作用力的大小。

16、本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，步驟s4具體如下:

17、步驟s41，通過三維拓?fù)潢P(guān)系判斷法則判斷所劃分的每一網(wǎng)格中積分點(diǎn)與s1中分割好的不同構(gòu)件點(diǎn)云邊界的位置關(guān)系，從而對(duì)不同的積分點(diǎn)分配不同的材料屬性與計(jì)算權(quán)重以完成剛度矩陣的計(jì)算，具體步驟如下:

18、對(duì)s1步驟中已經(jīng)分割后的結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云進(jìn)行初步過濾，對(duì)于任意積分點(diǎn)gi＝(xgi,ygi,zgi)，

19、沿上述構(gòu)件點(diǎn)云的pca主軸方向(設(shè)其為x軸方向)截取有效區(qū)間：

20、xini＝{(xi,yi,zi),xi∈[xi-δ1,xi+δ1]}

21、并將該有效區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)云沿x軸投影至高斯積分點(diǎn)所在的yoz平面；

22、在二維平面內(nèi)分別沿y、z軸提取有效區(qū)間：

23、yini＝{(xgi,yi,zi),zi∈[zi-δ2,zi+δ2]}

24、zini＝{(xgi,yi,zi),yi∈[yi-δ2,yi+δ2]}

25、在y向有效區(qū)域中濾除z軸投影密度過大的區(qū)間，

26、在z向有效區(qū)域中濾除y、軸投影密度過大的區(qū)間，

27、基于所提取的y向、z向的最終有效區(qū)間，在最終有效區(qū)間中根據(jù)基本判定原理，判定積分點(diǎn)從屬；

28、若三向均位于點(diǎn)云內(nèi)部則是內(nèi)部積分點(diǎn)，否則為外部積分點(diǎn)；

29、根據(jù)積分點(diǎn)的內(nèi)外位置計(jì)算不同權(quán)重α步驟如下：

30、

31、其中ωphys代表物理域，內(nèi)積分點(diǎn)均屬于物理域；ωfict代表虛擬域，外積分點(diǎn)均屬于虛擬域；

32、根據(jù)積分點(diǎn)所處的構(gòu)件區(qū)域的材料屬性，賦予該積分點(diǎn)材料矩陣d：

33、

34、其中e為彈性模量，ν為泊松比；

35、將計(jì)算權(quán)重α作用于材料矩陣d形成剛度矩陣k，表達(dá)式如下：

36、k＝∫ω(ln)tαd(ln)dv

37、步驟s42，通過將面積分轉(zhuǎn)換為域積分，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云表面的面積分計(jì)算，完成節(jié)點(diǎn)荷載向量的集成；具體步驟如下：

38、計(jì)算節(jié)點(diǎn)荷載向量過程中將面積分至體積分的轉(zhuǎn)化：

39、

40、式中，δ(x)即為距離權(quán)重函數(shù)，距離權(quán)重函數(shù)表達(dá)式如下：

41、

42、使用過程中對(duì)其進(jìn)行正則化處理，得到正則化距離權(quán)重函數(shù)δε(x)：

43、

44、通過使用正則化距離權(quán)重函數(shù)δε(x)，力荷載向量f通過下式計(jì)算：

45、

46、其中dpca為積分點(diǎn)與邊界點(diǎn)距離的計(jì)算函數(shù)，該函數(shù)為任一個(gè)積分點(diǎn)與邊界點(diǎn)集中距離最近的n個(gè)點(diǎn)所擬合直線的距離；

47、通過步驟s41中計(jì)算所得剛度矩陣k及步驟s42中所得荷載向量f求解下述線形方程組，得到待求節(jié)點(diǎn)位移向量u：

48、k×u＝f

49、根據(jù)位移插值函數(shù)n，計(jì)算待分析結(jié)構(gòu)的全場位移場：

50、

51、步驟s43，根據(jù)幾何方程和本構(gòu)方程計(jì)算待分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變場，完成力學(xué)分析：

52、ε＝l×u；σ＝d×ε。

53、有益效果

54、1)、針對(duì)目前基于點(diǎn)云模型進(jìn)行有限元建模的方式多依賴于參數(shù)化測量幾何信息或表面重建等技術(shù)，對(duì)噪聲敏感性較高且對(duì)設(shè)置的參數(shù)或數(shù)據(jù)集依賴性較強(qiáng)。該方式較為耗費(fèi)計(jì)算資源且計(jì)算結(jié)果魯棒性不足。

55、本發(fā)明提供的一種基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，引入了有限胞元法作為理論支撐，完成了無需表面重建和參數(shù)化測量的、具備高噪音魯棒性的基于點(diǎn)云模型的自動(dòng)力學(xué)建模分析。

56、2)、傳統(tǒng)的以有限胞元法為基礎(chǔ)的自動(dòng)分析只用于單個(gè)非工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分析，因?yàn)槠錈o法確定點(diǎn)云的材料從屬。

57、為了實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的整體分析，本發(fā)明提供的基于點(diǎn)云幾何模型的力學(xué)模型自動(dòng)建立方法，引入點(diǎn)云語義分割算法作為支撐，實(shí)現(xiàn)了語義層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)語義分割，完成了對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)積分點(diǎn)的材料屬性賦予，實(shí)現(xiàn)了基于點(diǎn)云幾何模型的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)自動(dòng)力學(xué)分析。

58、3)、現(xiàn)有算法判斷積分點(diǎn)與點(diǎn)云邊界的算法通常依賴于點(diǎn)云模型的法向量或顯示表面，以提高其檢測準(zhǔn)確性，但這限制了它們?cè)谟?jì)算資源有限的實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性。因此，與以往的較為復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)不同，本發(fā)明專注于工程實(shí)踐性，旨在擺脫對(duì)高性能硬件的依賴，以實(shí)現(xiàn)對(duì)積分點(diǎn)空間從屬的快速準(zhǔn)確獲取。通過巧妙構(gòu)思三維拓?fù)潢P(guān)系判斷法則，成功的判斷了積分點(diǎn)與不同材料構(gòu)件點(diǎn)云邊界的空間位置從屬關(guān)系，完成剛度矩陣的自動(dòng)集成。

59、4)、目前離散表面(無表面重建的點(diǎn)云表面)面積分不便計(jì)算，導(dǎo)致對(duì)點(diǎn)云的離散力學(xué)分析只能夠計(jì)算體積力作用下的響應(yīng)，無法計(jì)算面力作用下的結(jié)果。本發(fā)明聚焦于離散表面邊界條件的施加方式，提出了將面積分轉(zhuǎn)化為體積分的計(jì)算方法，順利的在點(diǎn)云模型中施加力的邊界條件，同時(shí)將結(jié)構(gòu)位移邊界與網(wǎng)格邊界對(duì)齊，通過強(qiáng)制修改剛度矩陣的方式施加位移邊界條件，順利的完成剛度矩陣的修改及荷載向量的自動(dòng)計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)整體建立平衡方程組。

60、5)、本發(fā)明的目標(biāo)在于評(píng)估結(jié)構(gòu)的真實(shí)相應(yīng)。因此本發(fā)明不僅獲取了結(jié)構(gòu)在荷載下的位移場、應(yīng)變場與應(yīng)力場，還分析了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，旨在更全面的分析結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的實(shí)際運(yùn)維情況，更合理的評(píng)估其安全性、適用性及耐久性。