三维热模型（精选九篇）
三维热模型 篇1
关键词：浅层地温能,地下水源热泵系统,三维数值模型,渗流场,热量运移
0 引言
浅层地温能[1~3]是蕴藏在浅层岩土体和地下水中的低温地热资源, 是地热资源的组成部分, 主要来自于太阳的辐射能, 储量巨大, 赋存于地下200m以上至地表冻土层以下的恒温带中, 是一种可再生的清洁能源。开发利用浅层地温能, 对保障能源安全、改善现有的能源结构、促进节能减排具有重要的战略意义。
早在20世纪40~50年代, 欧美国家就兴起了第一次地源热泵技术[4,5]的研究和应用高潮。20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机, 地源热泵技术再一次引起了人们的兴趣和关注。地下水源热泵系统 (GWHP) [6~9]作为地源热泵系统的一种, 是以地下水作为低位热源, 并利用热泵技术, 通过少量的高位电能输入, 实现冷热量由低位能向高位能的转移, 从而达到为使用对象供热或供冷的一种系统, 已得到广泛的使用。
地下水源热泵系统运行期间, 在复杂的地下水抽-灌作用下, 原有的地下水渗流场和温度场特征将发生变化, 重者会发生冷热贯通现象[10], 严重影响地下水源热泵系统的运行效果。本文以河北省水勘院正定基地地下水源热泵示范工程为例, 在概化出场地水文地质概念模型的基础上, 建立了地下水渗流与热量运移三维耦合数值模型, 并结合未来地下水源热泵系统的运行工况, 预测分析了不同运行工况条件下未来地下水源热泵系统的热平衡发展趋势, 确定出了温差为10℃, 抽、灌井间距大于等于80m的运行方案, 能有效地避免未来运行过程中的冷、热贯通现象。
1 场地及工程概况
河北省水勘院正定基地地下水源热泵示范工程位于河北省石家庄市正定县燕赵北大街, 教堂庄村东。地处太行山东麓, 山前冲洪积扇的中上部, 为山前倾斜平原。总的趋势是西北高, 东南低, 由西北向东南倾斜。场地覆盖薄耕土层、粉土和砂类土。下伏含水层为全新统和上更新统的砂卵砾石、砂砾石、及粗砂组成, 厚度15~60m。由于全新统与上更新统之间没有稳定的隔水层, 它们之间有着密切的水力联系, 具有统一的地下水位。该含水层连通性好, 易接受大气降水补给, 富水性较强, 水量丰富, 单位涌水量一般在30~60m3/h·m, 在冲洪积扇轴部可达100m3/h·m。
该工程拟布设1个抽水井和1个回灌井, 井深120m。并在场地布设3个地温监测孔, 检测孔分布见图1。冬季采暖总负荷为469.3k W;夏季制冷总负荷为603.4k W。
2 地下水渗流与热量运移概念模型
模拟计算范围平面上以工程场地抽、回灌井中心为起点, 向东、南、西、北四个方向上各扩展1000m, 计算总面积为4×106m2。垂向上由上至下分为浅部粉土、粉细砂含水层 (第Ⅰ含水层) , 中部中细砂、粗砂含水层 (第Ⅱ含水层) 及底部砂卵砾石含水层 (第Ⅲ含水层) , 并将其概化为三维非均质各向异性。顶部一方面接受大气降雨的补给, 是补给边界, 另一方面地下水又通过其蒸发, 又是排泄边界, 底部为隔水边界, 四周均概化为第一类水位边界和热量边界, 地下水流态为三维非稳定流。地下水和含水层骨架的热动平衡是瞬时完成的, 即含水层骨架与周围地下水具有相同的温度。
3 地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型
3.1 模型的建立与求解
根据上述概化的场地地下水渗流与热量运移概念模型, 取坐标轴方向和含水层各向异性主渗透方向一致, 则可建立与上述概念模型相一致的地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型[11,12]:
(1) 地下水渗流数学模型
式中:Kxx、Kyy、Kzz分别为各向异性主方向渗透系数 (m/d) ;h为点 (x, y, z) 在t时刻的水头值 (m) ;μs为含水层储水率 (1/m) ;W为源汇项 (1/d) ;t为时间 (d) ;Ω为计算域;h0 (x, y, z, t0) 为点 (x, y, z) 处初始水头值 (m) ;h1为边界Γ1上各点的已知水头值 (m) ;μ为饱和差 (自由面上升) 或给水度 (自由面下降) ;Γ1, Γ3分别为第一类边界和自由面边界。
(2) 地下水热量运移数学模型
式中:λx、λy、λz分别为各方向水的热动力弥散系数, 由地下水与含水介质骨架热传导系数、地下水横向与纵向热弥散度、地下水渗流速度计算得出 (W/ (m·K) ) ;cw为水的热容量, 等于比热容cd与密度的乘积 (J/ (m3·K) ) ;c为含水介质的热容量 (J/ (m3·K) ) ;vx、vy、vz为地下水渗流速度分量 (m/d) ;T0 (x, y, z) 为点 (x, y, z) 处初始温度值 (K) ;T1 (x, y, z, t) 为第一类边界的温度函数 (K) ;Qc为热源汇项Qc=cwW (TQ-T) , TQ为源汇项的温度;Γ1为一类边界。
地下水流运动方程为:
将 (1) 式与 (2) 式通过地下水流运动方程式 (3) 耦合在一起, 构成场地地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数学模型。
模型求解采用PCG预处理共轭梯度法[13], 它是求解大型稀疏线性方程组的极为有效的迭代法, 其基本思路是:把对称正定方程组的系数矩阵进行预处理, 以减少等价问题的条件数, 然后再用共轭梯度法 (CG) 去求解, 以提高收敛速度和稳定性。
3.2 模型的识别与验证
平面上将计算域剖分成924个三角形单元, 每层节点493个, 垂向上考虑到抽水井、观测井和层厚的影响, 共剖分3个含水层, 4个计算层面, 共计2772个单元, 1972个节点。计算域空间单元剖分见图2。
数值模拟采用抽水井、观测井和回灌井资料进行水位拟合, 采用3个地温监测孔数据进行水温拟合。选取时段2012年8月28日12时至2012年9月6日12时作为模型的识别验证时段, 共166个应力期, 每个应力期一个时间步长。
识别验证阶段采用2012年8月28日12时各含水层的实测水位作为模型各层的初始水位值。根据2012年8月28日12时实测地表大气温度, 取25℃作为第Ⅰ含水层的初始温度值, 取多年大气平均温度15.5℃作为模型第Ⅱ含水层初始温度值, 模型第Ⅲ含水层初始温度值根据地温梯度计算公式取16.3℃。
通过比较实测值和计算值, 不断反演求参及结合试验资料, 最终将整个含水系统分成了12个参数分区, 并得到了各分区的模型参数。表1为模型参数分区参数值, 图3为模型参数分区, 图4为观测井地下水位拟合, 3号地温监测井地下水温拟合见图5。
4 地下水源热泵系统热平衡模拟计算
4.1 热平衡发展趋势现状模拟分析
根据建筑采暖热负荷指标和供冷冷负荷指标及相应的供冷供热面积, 河北水勘院正定基地地下水源热泵工程项目总的冷热负荷见表2。
工程夏季开机47d、冬季开机120d, 且每日运行14h的试验运行工况。
夏季冷负荷总量为主机输出制冷功率与输入功率之和, 冬季热负荷总量为主机输出制热功率与输入功率之差。根据实际情况, 该工程布设抽水井和回灌井各一眼, 抽水井出水量与回灌井回灌量相等 (即100%回灌) , 回灌水在机组内多次循环提取热能后温度变化预设10℃, 按每日运行14h计算, 夏季制冷日最大需水量及冬季制热日最大需水量分别为828.8m3和421.8m3。
上述项目总冷热负荷及不同季节冷热负荷需求量的工况特征已确定, 并且地下水抽水井与回灌井井间距已确定的情况下, 对1个抽水井与1个回灌井同时工作, 100%回灌的方案进行预测, 预测地下热交换系统地下水渗流与热量运移未来20年的变化趋势。
预测时间段为2013年7月下旬至2033年7月上旬, 每年分24个应力期, 每个应力期一个时间步长。图6和图7分别为未来20年抽水井和回灌井附近地下水温度历时曲线。
由此可见, 在试验运行工况下, 随着地下水源热泵系统的持续运行, 整个区域地下水温度逐渐降低, 出现冷堆积现象。
4.2 抽、灌井间距优化模拟分析
针对全年的冷热贯通现象, 对地下水源热泵系统抽、灌井间距进行优化设计分析, 按一个抽水井和一个回灌井, 并进行完全回灌的工况, 模拟讨论不同抽、灌井间距 (20m、40m、60m、80m和100m) 条件地下水源热泵系统热平衡的变化发展趋势。
由计算结果可知, 井间距为20m时, 夏季制冷末时抽水井水温为17.47℃;井间距为40m时, 抽水井水温为16.47℃;井间距为60m, 抽水井水温为16.32℃;井间距为80m时, 抽水井水温为16.30℃;井间距为100m时, 抽水井水温为16.30℃。
从图8中的16.3℃等值线也可以看出, 当井间距小于80m时, 热量影响范围均达到抽水井处, 冷热贯通现象明显。井距大于等于80m时, 随井距增加抽、灌水流作用对地下水热量运移影响逐渐减弱, 抽水井出水温度上升也逐渐减弱, 回灌热水对抽水井出水温度基本没有影响, 冷热贯通现象十分微弱。为实现地下水源热泵系统可持续良好运行, 抽、灌井间距应按80m设计较为适宜。
从上述计算结果可知, 当冷热负荷设计、循环水量等条件确定时, 抽、灌井间距对地下水源热泵系统运行效果影响显著, 其实质在于抽、灌井间距的增加降低了水流作用对地下水热量运移过程的影响。
5 结论
地下水渗流与热量运移三维耦合数值模型是地下水源热泵系统热平衡分析强有力的工具, 可为地下水源热泵系统实现可持续性良好运行提供理论依据。
抽、灌井间距对地下水源热泵系统运行效果影响显著。抽、灌井间距的增加可以降低地下水渗流作用对地下水热量运移过程的影响, 能有效地避免未来运行过程中的冷、热贯通现象。
《三维模型制作》课程报告—— 篇2
《三维模型制作》课程报告
三维模型制作起航之路
姓名专业班级填专业填班级
学号填学号
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指导教师徐 文 鹏
成绩评定：
优秀良好中等及格不及格 课程评价：
出勤率：全勤90%80%不合格
课堂态度：认真较认真一般较差
报告内容：完整较完整合格不合格
报告书写：清晰较清晰一般较差
三维模型制作起航之路
时光如梭，四周八节课的三维模型制作课程很快就结束了，而我的三维模型制作之路才刚刚扬帆起航！也就是这门课程，让我领略到了三维模型制作的风采，也是在徐老师的引导下认识了什么是三维，并逐渐喜欢上了模型制作，这些都为我的三维模型制作打下了坚实的基础，下面我就从学到了什么，想到了什么，和可以做什么三个方面来谈一下我在这门课程中的心得体会：
一、学到了什么
我依然清晰的记得，那是一个周四的晚上，也是我第一次正式接触三维模型的制作，但徐老师并没有像其他老师一样直接切入正题讲解三维模型制作，而是引导我们大家深入思考了几个问题，其中我记忆最清楚的是关于复旦大学女老师于娟抵抗癌症的深入思考，它使我想到了关于健康、人生、价值的真正含义。其中于娟对人生的感悟，以及对癌症的分析，我记忆犹新，她说道：“名利权情钱，没有一样能够带得走。到了这样的境地，什么都不重要。不希望所有人到了生命尽头，才意识到这辈子白活了。”这些值得深思。
接下来的课程里我们逐渐往三维模型制作上面靠拢，一张真真正正的三维模型制作效果图展现在我们面前，老师以一个自己亲自执笔的矿区井巷布置立体示意图充分展示了三维模型的魅力，这不仅仅直观的反映了井下巷道的确切位置，而且可以让他人对矿区的大致分布和整体有了直观的认识。
再后来我们就开始逐渐的讲到具体的制作方面上了，那肯定是少不了三维模型制作的相关软件—Maya。对于初次接触Maya的人而言，一看界面，也许会大吃一惊，但你只要曾经触过三维软件都应该知道界面上的那个图标按钮什么的大致的意思了。不过Maya的属性菜单的确很吓人的，有人戏称随便拉出个属性菜单都有一公里长，尤其是Maya动力学这部分更是这样。即便如此一旦你掌握了Maya的框架也就不以为然了。复杂的界面体现出了Maya设计极具科学性、严谨性和艺术性。初学时，在徐老师的教导下认识了标题栏，菜单栏，状态栏，工具架，工具箱，视图区，通道栏，时间滑块，命令栏，帮助栏等的相关内容，之后的学习中了解了三维建模思想、方法、内容。自己也开始逐渐的熟悉了三维模型制作的相关内容。
我们是以一张雪人的三维模型来讲解的，怎样才能制作出这样一张漂亮的雪人效果图呢？我们的积极性被充分的调动了起来，逐渐跟随着老师的步骤来一块一块的分析，从三维建模的建模到材质纹理的选择，再到最后的渲染，一步一步的走到了最后，完成了制作的全过程。
课下的我意犹未尽，自己又找时间集中的练习了Maya，我感觉自己制作模型的水平有了一定的提高，但还存在着许多的不足。比如说，建模的速度比较慢，有些命令不会用，导致制作模型时个别细节达不到满意的效果。后来经过不断地努力，也能做出来了。开始选择
制作模型时，我就想既然时间充足，我就要下功夫做好，所以许多地方我都尽自己最大努力，把细节做到位。为了做出最好的效果，我也上网找了一些图片，仔细观察各个部位的结构、大小，争取做的更真实、更贴近图片。
在做模型的过程中也有一些心得体会，比如说，做一些复杂的模型时要注意隔段时间保存一下，最好是分开保存，不然有时电脑会死机或是突然重启，我就经历过这种情况，又要重新开始做。还有就是在调节一些细小的部分时，要注意从三视图中调，不能只局限于某个视图，有些地方可能从正视图中看着位置可以但换个视图就不对了。有的模型零件较多，这就更需要不断转换各个视图来调节位置。做模型时要适当的增加环线，但不是说环线越多越好，过多会对后期的调试造成不利影响，过少会使后期圆滑时模型看起来缺乏真实感。有时候为了把细节做到位，加了许多环线，到后来个别地方需要调节时就不好调了，所以在确定形状之前不要加太多环线，并且线太多还容易卡。在做模型时有的地方不需要加环线，只需要在某个面上加线，在人物等一些复杂的建模过程中，要避免劈线所造成的非法面等等。
二、想到了什么
首先我很高兴我接触到了这门课，本来自己在制作方面就有很大的兴趣，业余时间也经常鼓弄一些软件，不过也都是像Premiere和Adobe Flash这样的软件，做个小动画小视频什么的，真正接触像3dsMax和Maya这样能制作三维模型的软件的机会不多，而这次课也可以说是给了自己接触三维模型制作软件的机会。
在三维模型制作方面，Maya是一个强大的三维动画图形图像软件，她几乎提供了三维创作中要用到的所有工具，能使自己创作出任何可以想象到的造型、特技效果、任何现实中无法完成的工程，小到显微镜才能看到的细胞，大到整个宇宙空间、超时空环境，换句话说自己能想到的，她是完全可以办到的。我们需要正确理解和掌握Maya软件基本知识、基本理论，了解Maya在动画中的重要作用及优势；掌握三维模型的前期制作部分，学会运用所学知识并与结构学相联系，只有这样才能做出出色的模型。
很多三维设计人应用Maya软件，因为它可以提供完美的3d建模、动画、特效和高效的渲染功能。另外Maya也被广泛的应用到了平面设计即二维设计领域。Maya软件的强大功能正是那些设计师、广告主、影视制片人、游戏开发者、视觉艺术设计专家、网站开发人员们极为推崇的原因，Maya将他们的标准提升到了更高的层次。
除了在三维模型制作方面的感想之外，在徐老师的引导下，我还对自己的学习，生活有了进一步的认识。
雪人场景中的那两句话的确值得深入思考。
第一，我们来理工大做什么？
第二，将来我们毕业后要做一个什么样的人？
事实上，在上了大学之后我曾不止一遍的问过我自己，我究竟要成为一个什么样的人，但这个答案并非那么容易得出。很喜欢毕业于中南大学的覃彪喜所写的《读大学 究竟读什么》这本书，作者以一
名成功的创业者，同时也是一个大学毕业不久的过来人身份，结合自己在求学、求职和创业过程中的经历，跟大学生深入、全面地谈论了大学生在学习、生活、考研、留学、求职、创业等等各方面要注意的问题，观点很新颖，很全面，有些地方写的深刻、实用。很高兴自己在上大学之前就已经读了这本书。
所有自己能想到的就是在大学中学好专业课，在不久的将来走出去的时候能发挥自身的价值为这个社会贡献自己的一份力量，但最重要的还是接下来要说的。
三、可以做什么
我们怎样来度过自己的大学四年？
我们是选择在自觉自省、自律自强、自我认同的道路中中不断成长，还是选择在自怨自艾、自暴自弃、自我否定的道路中沉沦。我想我会毫不犹豫的选择前者，因为我觉得大学就应该是在30岁回想起会感动到热泪盈眶，在40岁回想起仍然会感动到热泪盈眶的一个地方。因此在接下来的两年多的时间里找准自己的定位，逐渐明确自己以后的发展方向，做出自己的职业生涯规划，塑造自己的核心竞争力才是最重要的，正如老师所说，只有知道自己以后要做什么，才能知道自己应该学什么。
除此之外，大学更是一个我们走向社会的转折点，那就要求我们在大学中不仅要学会专业知识，更应该学会怎样去做人做事。
一个人不管有多聪明，多能干，背景条件有多好，如果不懂得如何去做人、做事，那么他最终的结局肯定是失败。做人做事是一门艺术，更是一门学问。很多人之所以一辈子都碌碌无为，那是因为他活了一辈子都没有弄明白该怎样去做人做事。因此，在大学期间这也可以说是一门必修课。
总结
三维模型档案化管理初探 篇3
关键词：三维模型电子文件档案化管理
大量生成的三维模型，正成为电子文件的重要组成部分。从档案管理角度出发，是否需要对三维模型进行档案化管理？在实践中，三维模型的档案化管理存在哪些困境？未来可以做哪些方面的探索笔者将对此问题进行初步阐述，希望能够起到抛砖引玉的作用。
一、三维模型档案化管理的必要性
三维模型是指利用三维建模软件生成的，存在于计算机或计算机文件的“点和其他信息集合的数据”。从上述描述中可以看到，三维模型具备电子文件的基本特征，可以将其理解为一种特殊的电子文件。对这种特殊电子文件的管理，即三维模型档案化管理则是指在一定的制度框架下，由档案部门对三维模型进行前端控制和全过程管理，确保其具有真实性、完整性和有效性。
（一）三维模型具有档案价值且已经大量生成
1.三维模型具有档案价值。首先，三维模型具有凭证价值。从内容上看，三维模型是设计人员运用三维软件设计的图形，它如实地记载了业务活动过程和业务工作成果，是业务活动的直接记录。从形式和技术上看，三维模型是以数字化的超文本形式在计算机环境中生成的，其背景信息被系统程序控制，由此保证了它的可追溯性。其次，三维模型具有情报价值。三维模型是业务活动的伴生物，它记载了大量的知识信息，这些知识信息不仅可以为业务活动提供参考，也可以为同类设计提供借鉴。
2.三维模型已经大量生成。目前，三维设计已成为工程行业设计的主要方法之一。与二维设计相比，三维设计技术更能表达设计者的意图，便于加快图纸生成速度，提高产品设计效率。以三维模型作为产品最重要的信息载体，可以将设计、生产、管理等各个独立环节联系在一起，并将设计细节融入在建模过程中。[1]三维模型的技术优势使得其在各领域能够被广泛运用，另据相关调查显示，目前在某些领域三维模型的生成数量和速度已经远远超过了二维模型。从这个角度而言三维模型已经大量形成。
（二）三维模型不适用“双套制”与“双轨制”管理模式
为了规避电子文件真实性难以认定的风险，在工作实践中，对电子文件往往采用“双轨制”与“双套制”管理模式，即在文件运转过程中，电子版本与纸质版本共存，两种版本的文件与业务流程同步运转；在文件归档过程中，同一份文件既归档电子版本，又归档纸质版本，并且电子版本与纸质版本需一一对应。[2]国家标准也推荐使用“双套制”归档方式，2002年颁布的《电子文件归档与管理规范》（GB/T18894-2002）中规定：“具有保存价值的电子文件，必须适时生成纸质文件等硬拷贝，进行归档时，必须将电子文件与相应纸质文件等硬拷贝一并归档。”虽然三维模型也是一种电子文件，但其特殊性决定了它不可能像普通文本和二维图形一样打印成纸质文本。因此，三维模型不适用“双轨制”与“双套制”管理模式。
（三）三维模型管理失范
目前三维模型的管理处于失范状态，无法满足业务活动的需求，一是管理制度尚未制定。三维设计技术已经广泛运用，三维模型的数量也呈几何级增长，但是针对三维模型的管理制度并未建立。尽管已经有不少针对电子文件的管理制度，但是其中基本没有涉及三维模型管理的条款，更没有制定三维模型管理的专项制度。二是管理主体尚不明确。档案部门应是三维模型的管理主体，但是目前档案部门的主体地位并未明确，大部分三维模型都由形成者自行保管。三是管理流程尚未建立。由于管理制度与管理主体尚未明确，三维模型的管理流程也没有建立。业务活动结束后，三维模型的流向不明确，即档案部门也不知道通过何种渠道接收需要归档的三维模型。
二、三维模型档案化管理的实践困境
（一）三维模型的真实性认定困难
在纸质档案管理模式中，为了维护档案的原始记录性，必须保证载体与信息的统一。对于纸质档案的管理，档案实体的管理与档案内容信息的管理是统一的，保护了载体的原始性即确保了档案内容的原始记录性。然而，三维模型作为一种电子文件，其载体与信息的可分离性，使得上述要求并不能适应三维模型的管理。存储于计算机系统的三维模型因为软硬件升级、系统迁移等要求，可能会出现信息的迁移。在三维模型的管理过程中，随着存储介质与方式的变更，载体与信息的统一性难以得到保证。因此，判断三维模型是否具有真实性变得更加困难。
（二）三维模型的标准体系并未建立
三维设计技术已经在各领域得到了广泛运用，但相应的标准体系并未建立，使得三维模型的存储格式没有统一的规范，给三维模型档案化管理带来了困难。从档案管理角度而言，目前也没有建立起三维模型归档的格式标准。虽然，归档电子文件的格式标准基本建立，但是现行标准并没有将三维模型档案化管理纳入其中。三维模型标准体系的缺失给三维模型档案化管理带来了诸多问题：首先，三维模型形成者在存储三维模型时，特别是格式选择带有较大的随意性，导致三维模型的通用性较弱；其次，由于三维模型格式多元化且没有统一的规范，即使归档至档案部门，也可能面临无法读取的风险。
（三）三维模型的安全控制难度较大
作为一种电子文件，三维模型与其他电子文件一样面临诸多安全风险。电子文件载体与信息的可分离性、对系统的依赖性以及载体的不稳定性，使得它与纸质文件相比，安全控制难度更大。同时，三维模型无法进行纸质化管理，所有的安全控制措施只能在计算机系统中实施，一旦发生操作失误、病毒入侵、软硬件系统故障等事故，没有任何缓冲余地。此外，三维模型管理制度与标准缺失也带来了极大的安全风险。多种安全风险的叠加使得三维模型的安全控制难度较大。
三、三维模型档案化管理的
初步设想
三维模型档案化管理是一个系统工程，它需要制度、标准、技术和人员等诸多方面的支撑。可以说，在三维技术日臻成熟、三维模型大量生成的背景下，探索三维模型档案化管理的可行路径是档案部门不得不面对的课题。
（一）三维模型档案化管理的目的
三维模型档案化管理的目的不是完成三维模型的归档，而是确保三维模型的真实性、完整性和有效性。对于纸质档案，原始记录性是其根本属性，维护其原始记录性是档案管理工作的首要任务。然而，电子文件的载体与信息的可分离性，使得其原始记录性很难得到维护。所以，档案界一般认为，对于电子文件的管理应该转向维护其真实性、完整性和有效性，而不是单纯地追求其原始记录性。作为电子文件，三维模型档案化管理的目的就是要确保其真实性、完整性和有效性。
（二）三维模型档案化管理的前提
三维模型档案化管理的前提是制度化。制度化的作用主要体现在三个方面：一是明确权责，划分三维模型形成者、系统维护者、档案管理者等责任主体的权限与责任，并要求其对自身的管理行为负责；二是制定规范，即制定三维模型档案化管理的制度与标准，确保其符合业务活动的需求和档案化管理的要求；三是确定流程，即通过固化的流程确保人员责任落实、管理过程受控、业务运行顺畅。
（三）三维模型档案化管理的主体
三维模型档案化管理的主体应是档案部门。档案部门的优势在于建立了一套完整的文档管理系统，不论是对文件归档还是归档后的管理都形成了一套较为成熟的体系。此外，档案部门作为三维模型档案化管理的主体，贯穿文件管理的全过程，有利于实现对三维模型的全生命周期管理。
（四）三维模型档案化管理的手段
三维模型档案化管理的手段是前端控制与全过程管理。前端控制要求档案人员在三维模型形成之初就提前介入，参与三维模型管理软件的设计，参与文件质量的控制，提出档案化管理需求。全过程管理要求档案人员对文件的全生命周期进行管理，参与程序控制、规则制定和质量控制。
*本文为上海市档案局科研项目“企业集团数字档案信息资源整合与共享模式研究”（项目编号：沪档科1511）的阶段性研究成果之一。
注释及参考文献：
[1]张少辉.三维设计现状及发展趋势[J].聚酯工业， 2013（2）：15.
[2]冯惠玲.电子文件与纸质文件管理的共存与互动[J].中国档案，2003（12）：40.
三维热模型 篇4
关键词：波形钢板,ANSYS,平截面假设,刚度计算,刚度等效,内力计算
波形钢板由于横向波纹的存在,造成了这种结构的几何异性,从而给分析计算带来一定的麻烦。如果能将波形钢板等效成平钢板,那么在结构分析计算、建模方面将会带来很多简化。采用刚度等效是将波形钢板等效成平钢板的主要研究方法之一,目前主要是利用截面惯性矩、面积等效方法。而基于材料力学基本理论可知,截面应力计算与截面刚度、截面面积和计算点至中性轴的距离有关。因此,这种单纯的采取惯性矩等效的方法还不尽合理,存在一定的弊病。本文采用ANSYS有限元软件,通过对三维实体模型与平面应力模型对比分析,对将波形钢板等效成平面钢板的方法进行了探讨。
1计算模型的基本假设
平截面假设[1]是材料力学中的一个变形假设。垂直于构件中性轴的各平截面在构件受拉伸、压缩或纯弯曲而变形后仍然为平面,并且同变形后的构件平截面与中性轴垂直。若构件受拉伸或压缩,则各横截面只作平行移动;若杆件受纯弯曲,则各横截面只作转动,而且每个横截面的转动可由两个转角确定。根据板壳理论,波形钢板为薄壳结构,忽略剪切变形,那么可以采用平截面假设,后文中利用ANSYS进行验证。
在参考文献[2,3]中,介绍了波形钢板截面面积、截面惯性矩的计算方法,利用正弦波积分可以得到设计参数,但对于不同波形,需要计算等效的正弦波,这给计算上带来不便。E.B.Seydel推导的正弦波纹板X、Y方向的抗弯刚度Dx、Dy和抗扭刚度H,也是基于正弦波形得到的。基于材料力学[1]的截面特性计算方法,利用转轴定理,可推导得到如图1所示的截面抗弯刚度。
1.1惯性矩
1.2面积
1.3截面模量
1.4回转半径
其中:l表示波长;h表示波高;TL表示直线段长度;R表示波峰波谷半径(至板轴线距离,为所给参半径加上1/2板厚);θ表示圆弧角度(弧度);d表示圆心偏离x轴距离;板厚为t。
2三维模型内力计算
本文利用ANSYS有限元分析软件,建立波形钢板的三维实体模型。其中:土体尺寸为18×12 m,厚度取两个波形厚(波形380×140×5 mm),即0.76 m厚。波形钢管直径6 m,钢管单元选取SHELL93(8节点结构壳),土体选用SOLID95(20节点实体单元)。材料参数为:钢板,弹性模量2.1×1011,密度7 800 kg/m3,泊松比0.3;土体,弹性模量2.6×107,密度1 700 kg/m3,泊松比0.3。此处不考虑由于本构关系对结构受力的影响,只验证平截面及刚度问题,因此忽略了材料的本构关系[4]及接触分析。
ANSYS有限元分析的基本步骤:选取单元、材料参数、几何模型、有限元模型、载荷及边界条件、分析求解。具体步骤不再赘述,提取计算结果,选取管顶及两侧截面,下面将三个截面的轴向应力列于表1,单位Pa。
根据表1中数据绘制的截面应力图如图2所示,从图中可看出截面的应力与波形较相似。事实上,最大最小应力分别出现在波峰、波谷[5];中性轴位置对应图中应力平均值,也就是由轴向力引起的压应力;最大最小值由于弯矩引起。在管顶位置,管外侧波峰出现极大应力值、内侧波谷出现极小应力,这是由于管顶下挠引起的。管侧波纹的应力状态与管顶相反,因为管侧向两侧变形挤压土壤,使得管内侧波谷位置出现极大应力,外侧波峰出现极小应力。管顶与管侧截面的应力大小对应的波峰波谷位置正好相反,是由于管顶与管侧截面弯矩的正负号不同引起的。
说明:由ANSYS计算的管侧应力完全相同, 因此图中只有一条管侧应力曲线。
壳单元输出的应力有[6,7]:Sx、Sy、Sxy、TX、TY、Txy、Mx、My、Mxy等,需要注意的是,波纹的存在造成了壳单元的单元坐标系与总体坐标系不同。这里所关心的是波纹管的轴向应力,对应壳单元的拉力Ty。ANSYS中壳单元内力Ty是相对于单元坐标系,为该单元单位长度上的内力,因此提取内力时需要乘以单元的长度,可采用节点力求和法进行计算。为了验证平截面假设,此处利用材料力学中根据平截面假设推导出的弯矩计算公式反向计算,然后与平面模型计算出的内力进行对比,若数值接近,说明平截面假设可应用于波形钢板。应力计算如式(5)。
σ2——是壳单元最大应力与截面平均应力的差值。
3二维平面模型内力计算
二维模型的建立[7,8]相对于三维模型简化了许多,计算求解也比较容易。土体尺寸为18×12 m。由于是平面模型,厚度取为单位厚。波形钢管直径6 m,钢管单元选取BEAM3(2节点梁单元),土体选用PLANE82(8节点平面单元)。材料参数为:钢板,弹性模量2.1×1011,密度7 800 kg/m3,泊松比0.3;土体,弹性模量2.6×107,由于三维模型并未取单位厚度,而是0.76 m的厚度,因此在平面模型中应将土体的密度转换,为1 700×0.76 kg/m3,泊松比0.3。波形钢板的密度不需转换, 因为梁截面面积与三维模型截面面积相等,重力也相等。梁单元的面积、刚度等采用等效方式进行转换,转换如下:
解出B=10.43 mm,H=235.53 mm,将数值代入梁单元实常数中。关于截面参数的计算可采取公式1、2、3、4,计算公式已通过验证,与国外参考手册[9]中所给数值吻合较好。
为与三维模型进行对比分析,有限元模型划分网格的尺寸应与三维模型对应,采取相同的划分数目。
边界条件为:底部施加ALLDOF,结构两侧施加UX,与三维模型对应。
分别选取管顶截面和管侧截面,列表3为显示结果。
弯矩图和内力如图4。
4计算分析
4.1误差分析
三维模型与二维模型的计算内力之间的误差主要由于单元特性[6]不同引起的,SHELL93单元的应力输出及单元属性要比BEAM3单元复杂得多,考虑因素也较多。BEAM3为2D梁元,承受拉压及弯矩;SHELL93具有弯曲和薄膜特性,考虑了截面上的切向应力,还包括应力强化及大变形能力,输出项目也较多。PLANE82为平面8节点单元,SOLID95空间20节点单元,两种单元均可模拟土体,但特性及内力输出却不相同。因此两种模型间存在误差也是在所难免。从表4数据中可以看出,弯矩较小,轴力对结构影响较大。轴力误差在6.7%、8%,因此,可以用平面模型代替波形钢板三维模型。而从国外的计算手册[9]中查找内力和应力的计算公式,也都是基于平面应力状态进行推导的,那么采用平面的有限元模型进行结构内力分析存在合理性。
4.2刚度等效
波形钢板截面参数可以采用本文叙述的计算方法,也可采用参考文献中[2]、[8]的计算方法。在进行建模分析时利用面积相等、抗弯惯性矩相等建立方程,求解矩形截面梁的H、B,算得截面内力,然而在截面应力计算时采用波形钢板的截面高度H0进行计算。若求得任意截面的弯矩及轴力,截面应力可采用材料力学中的应力计算公式:
此处,y取为H0/2。
4.3平截面假设
从波形钢板三维模型的截面应力图形可以看出,截面应力是随着波形变化的,中性轴位置对应平均应力,波峰波谷分别对应最大最小应力,应力的变化接近于直线,与公式的变化规律一致。因此,波形钢板在跨度方向上的受力类似于梁的受力状态,可以采用平截面假设进行内力计算。根据薄壳理论的基本假定,可以采用梁的应力计算公式对波形钢板截面应力进行计算。
4.4结论
本文探讨了波形钢板结构物的三维模型向平面应力模型的简化过程,提出了采用平面模型代替三维模型对波形钢板结构物进行分析计算的思路和方法,提出了刚度等效的基本原则,并对上述结论进行了验证。但并未论述波形钢板结构物的内力计算过程及作用结构上的土压力等问题,采用平面模型对波形钢板结构物进行分析计算,还需进一步考虑土体非线性问题及土体与波形钢板接触问题,研究控制截面的内力计算方法。
参考文献
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[2]彭述权.波纹钢板桥涵试验研究与力学分析.武汉:武汉理工大学,2003
[3]冯芝茂.覆土波纹钢扳桥涵土与结构相互作用分析及设计方法研究.北京:北京交通大学,2009
[4]李围.ANSYS土木工程应用实例.北京:中国水利水电出版社,2007
[5]张峰.覆土波纹钢拱桥模型试验和有限元分析.北京:北京交通大学,2008
[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京:人民交通出版社,2007.10
[7]李围.隧道及地下工程ANSYS实例分析.北京:中国水利水电出版社
[8]冯丽.考虑土——结相互作用的覆土波纹钢板圆管涵的力学性能分析.北京:北京交通大学,2010
[9] Corrugated Steel Pipe Institute.Modern Sewer Design(Canada Edi-tion).Canada Corrugated Steel Pipe Institute,1996
三维重建光照模型介绍 篇5
1模型介绍
1.1朗伯模型
朗伯模型是计算机图形学中定义的一种理想的漫反射模型,也可以称其为朗伯cosine定律。虽然此模型创建于一个世纪之前,在计算机图形学蓬勃发展的今天,它仍然是最常用的模型。朗伯模型认为当光打到物体表面时,光的反射强度在各个方向上是均等的,具有独立于视角的特性。在物体表面每一点的反射强度正比于光的入射角的cosine函数:
其中ka为环境光参数,kd为点光源强度,fatt(N∙L) 为入射光与物体表面相作用的cosine函数。朗伯模型也称为漫反射模型,当光照射到物体的表面时,物体表面接收到的光通量取决于光源的方向和物体表面法向量的夹角,物体表面每一点反射光的方向在各个方向是均等的。如果光源与物体表面是垂直的(即与物体表面法向量的方向是一致的),此时反射光的强度是最强的。
具有朗伯性质的物体对光源的反射特性:反射光线的长度代表反射光的光强度,从物体表面不同位置的反射光的长度可以看出随着光的入射角变小,反射光线的强度也随之减小。朗伯模型描述了物体表面反照率,表面法向量和入射光的基本作用原理,是一种简单有效的光照模型,描述了当被光照射时,物体表面呈现出的粗糙性外观(无镜面反射)。
1.2双向反射分布模型
计算机图形学中的光照可以分为两个阶段,第一个阶段光能量从光源射向物体的阶段;第二个阶段是光能量和物体的表面点相互作用的阶段。这两个阶段是相互重叠的,但可被分开考虑。双向反射分布模型(也称为双向反射分布函数,Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)描述了反射光的辐照度和入射光辐照度的比率,是在球坐标系下的入射方向和反射方向的一系列参数的笛卡尔点乘。定义如下:
其中Li(θi,φi) 是入射光的辐照度;θi和 φi为入射光在球坐标系下的入射角;Lr(θr,φr) 为反射光辐照度;θr和 φr为反射光在球坐标系下的反射角度。BRDF是一种紧支撑反射模型 ,除了依赖 于光的入 射和反射 方向 ,还与参数 α ( α =[α1,α2,∙∙∙,αm]T)有关。 α 代表着物体的粗糙度参数,对粗糙度不同的物体来说反照率是不同的。所以BRDF可被进一步描述为五个参数的函数,即fi,r=(θi,φi; θr,φr; α) 。如果入射光的Li(θi,φi) 是已知的,则即可利用BRDF计算从任意反射方向看到的物体表面的辐照度值:
其中的积分操作只在球坐标的上半球范围内执行。由于每个物体表面的材质是不同的,BRDF描述了不同物体表面对入射光的反射能力。
1.3Phong模型
Phong模型是另一个用于实时绘制的主要的光照模型, Phong模型并没有改变朗伯模型的任何假设,所以入射光和物体表面法向之间的cosine角度关系仍然作为物体表面漫反射成分的计算方式。Phong模型通过在漫反射中插入Phong成分,可以准确的模拟物体的反射高光,Phong光照模型定义为:
其中,ka为环境光参数,kd为漫反射参数,ks为镜面反射参数,ke为镜面反射指数,H为光照和视角之间的平分向量。
Phong模型的一个优点是非常适宜在反射物体的表面添加凹凸反射效果,物体表面的视觉效果比逐点添加光照效果要好得多,Phong模型比朗伯模型更接近真实世界中的表面反射效果。Phong模型的漫反射部分和镜面反射部分被两个常数项kd和ks控制着,这两个常数项在物体的每个像素上都可以取不同的值(来自物体表面纹理的信息)来表现一致或非一致性纹理。
1.4球谐光照模型
现实场景中的光照是非常复杂的,有来自各种光源,如面光源、天空光、反射光或者折射光等。当前的图形硬件只支持点光源或者平行光源(方向光源),其中一个原因是对普通的光分布缺少程序性的公式。Ravi早在2001年Siggraph上基于勒让德多项式原理提出了一种有效的辐照度环境映射模型,根据人眼视觉原理,将自然的环境光影射为球谐模型。该模型提供了对光照辐照度的解析量化公式,可按照光的球函数系数分析辐照度。
由于漫反射物体的表面反射强度会随着物体表面法向量的方向缓慢变化,Ravi利用这种变化表现低分辨率下的辐照度映射,并通过分析量化公式描述这种变化特性。辐照度E就是物体的表面法向量n的函数,该函数通过积分上半球的光照能量得到光照辐照度的解析表达式:
其中,ω 代表坐标系中的翘脚 θ 和方位角 φ 。
2小结
选择合适的光照模型是基于图像的三维重建的一个重要环节。本章中较详细介绍了常用的光照模型的原理和特点,包括常用的朗伯光照模型,双向反射分布模型,Phong光照模型和球谐光照模型。
朗伯模型是图形学中早在1976年就已经提出的光照模型,但至今仍被广泛应用。朗伯模型假设物体具有朗伯特性, 当入射光照射物体表面时,反射光线的强度在空间中的各个方向都是均等的。即朗伯物体表面的反射光线是独立于视角的, 只与入射光,物体表面形状和物体表面的材质有关。
双向反射分布模型同时考虑了入射光和反射光的影响,物体表面的反照率不再是独立于视角的函数,而是与视角相关的函数。
Phong模型是双向反射分布函数的一种表达形式,Phong模型将漫反射和镜面反射相结合,其中的漫反射部分与朗伯模型是相似的,镜面反射部分添加了与视角相关的镜面反射指数项,很好地模拟了光滑表面的高光效果。
三维热模型 篇6
关键词：结构设计,滚动螺旋,直线滚珠轴承
1 引言
对于企业来说, 为了生产所需而开发和设计小型运动和实验机构是比较普遍。尤其对于某些生产要求比较紧急, 而本身加工能力并不是很充足、精度不高的企业, 为了开发和设计某些设备耗时长, 耽误了生产。因此从效费比来看, 在某些重要部件上采用一些精度高的新型运动部件是很有必要的。本文以一台运动机构为例简述某些新型运动构件在其中的运用。
2 机构工作要求与步进控制设备的性能和结构
控制机构的运动性能要求。
该机构由计算机传送数据, 主要工作要求如下:
1) 机构在运动过程中, 在开始加速段中要求加速均匀, 中间运行段应匀速, 动作柔和平稳, 在末段应均匀减速保持平稳。2) 运动机构的最大速度应小于250mm/s, 冲击力小于0.5Kg。
由于在各行业中多种规格的直线滑动导轨, 步进电机, 交流伺服电机, 直线电机和多轴数控系统, 以此为基础在短时间内可以提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人, 完成装配、贴标、喷码、打码、 (软仿型) 喷涂等一系列工作, 选用直线滑动导轨机器人。本控制机构设计采用三自由度, 三动作的设计方案, 结构简图如图1, 其中各动作及其主要动作参数如下:a.机构的往复运动: (Y方向自由度) 工作最大行程约为700mm, 行走速度范围约为0.25m m/s~0.35m m/s。b.换行机构的运动 (X方向自由度) :工作最大行程为90mm, 每次换行距离约为20mm~25mm, 总换行格数为四格。3) 臂的升降 (Z方向自由度) :工作最大行程为100mm, 悬挂重量约为2Kg。
3 控制机构的总体结构设计
根据以上各种工作参数以及简单实用的原则, 确定各部件及机构的设计的设计方案。
3.1 水平面内运动结构
运动结构设计方案如图1, 采用两条直线导轨和一平台组成。驱动设计如图2, 龙门式直线导轨由精制铝型材、齿型带、直线滑动导轨和伺服电机等组成。作为运动框架和载体的精制铝型材其截面形状通过有限元分析法来优化设计, 生产中的精益求精确保其强度和直线度。采用轴承光杠和直线滑动导轨作为运动导轨。运动传动机构采用齿型带, 而且和链传动形式比较, 传动平稳、速度高、噪声小、传动准确;和丝杆比, 它结构简单、造价低, 符合传动要求。
机构采用双滑动导轨及滑动轴承结构, 如图1, 双滑动轴承的上顶板安装驱动升降臂的电机。驱动方式与喷印车驱动方式相同。
3.2 安装臂的升降
升降结构形式如图3, 采用丝杆螺母机构, 通过升降电机输出功率, 电机输出轴与丝杆联接, 螺母安装在升降部件的移动臂上, 丝杆的安装形式采用悬垂式结构, 重力使丝杆受拉应力。
螺旋传动主要是由螺杆和螺母组成, 一般可分为传动螺旋 (传递运动为主, 有较高的精度) , 传力螺旋 (传递能量和力为主) 。按螺旋副的摩擦状态, 则分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。根据运动特点以传动为主, 可选滑动和滚动螺旋。
滚动螺旋是近年来开发的一种新型传动装置。主要应用于数控机床和精密机床的传动螺旋, 它主要的特点是工作寿命长, 平均约为滑动螺旋的十倍, 运行平稳, 启动时无颤动, 低速时不爬行, 可得到很高的定位精度和轴向刚度。
为了满足机构的工作要求, 结构设计中各运动部件的精度要求较高。根据运动机构的工作要求, 为保证与目标之间的距离有较高的精度要求, 在设计中采用以下一些技术措施提高运动部件的精度, 如滚动螺旋, 滚珠直线轴承。
3.3 升降机构中滚珠丝杆螺母选择和校验
螺旋传动主要用来把旋转运动变成直线运动, 或把直线运动变成旋转运动, 根据螺纹副的摩擦状态, 分为滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋三种形式。根据本机构的传动要求及各螺旋传动的特点, 选用滚动螺旋。滚动螺旋具有摩擦阻力小, 传动效率高、工作寿命长的特点, 工作时运转平稳、启动时无颤动, 并且有很高的定位精度和轴向刚度, 这些都适合本机构。滚动螺旋的零件由专业厂家生产, 根据升降机构的受力计算并校核。
传动螺杆各参数按公式计算如下:
螺杆直径d=10mm
螺距p=3mm
旋合长度L=ψ×d2L=11m m
旋合圈数m=L/pm=5.5
螺纹工作高度H1=0.5×pH1=1.5m m
螺纹牙底宽度b=0.65×pb=1.95mm
根据以上计算所得的参数, 计算螺杆的强度如下
螺纹牙剪切强度τ=F/ (π×d×b) τ=0.15MP<[τ]=30Mp
螺纹牙弯曲强度σb= (3FH1) / (π×d×b2×m)
σb=0.302Mp<[σb]=40Mp
以上公式以及参数均取至参考资料1。由于丝杆的强度一般小于螺母的强度, 所以只计算丝杆螺牙强度。经过校核丝杆的螺牙强度, 采用的丝杆和螺母适合本机构使用。
3.4 增加机构运行的稳定性
根据前3.2节所述运动机构的工作过程可知, 机构在X和Y范围 (0, 0) ~ (90, 700) 内移动, 为了保证运动机构在各位置都能平稳运行, 我们对机构在运行中的平衡和稳定做了试验并取得了必要得试验数据。
3.4.1 轴承支点及支承跨度
在 (Y方向) 运行机构和 (X方向) 机构的滑轨设计采用滑动轴, 通过测量和计算各相关零件的重量及相对于支点的转距, 确定重心, 根据重心确定滑轨的支点。为保证机构运行的平衡, 在确定支承跨度时, 通过实验, 适当的增大支承跨度, 保证各构件的运动平衡性, 使 (X和Y) 两方向上的运动的平稳, 在Z方向的跳动误差小。
3.4.2 滚动直线轴承、直线轴
由于需要运动副有较高的运动灵敏度, 这时选用滚动摩擦式导轨。滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球, 使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦, 大大降低了二者之间的运动摩擦力, 从而以下特点:
1) 动、静摩擦力之差很小, 随动性极好, 即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短, 有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。
2) 驱动功率大幅度下降, 只相当于普通机械的十分之一。
3) 与普通导轨相比, 摩擦阻力可下降约40倍。
4) 适应高速直线运动, 其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。
5) 能实现高定位精度和重复定位精度。
使用直线轴承能实现无间隙运动、提高机械运动刚度。成对使用导轨副时, 具有“误差均化效应”, 从而降低基础件 (导轨安装面) 的加工要求。导轨采用表面硬化处理, 使导轨具有良好的可校性;同时心部保持良好的机械性能, 简化了机械结构的设计和制造。
3.5 实施效果
通过采用滚珠螺旋升降以及采用以上两项结构、滚动直线导轨的设计改进, 保证了整个机构的精度、机构在运行中的平衡和稳定性有了改善, 各方向的运行都较平稳, 可满足本机构的工作要求, Z方向的跳动误差 (即运动机构底部距目标之间距离) 可精确在1mm左右, (X方向) 机构运行误差小于1~2mm。
4 结语
本机构为实现运行要求采用了滚珠螺旋和直线轴承, 通过采用这些较新的结构设计部件, 运行机构的精度有了提高。在机构重量减轻的情况下, 机构的刚度及精度有了提高。
参考文献
[1]现代机械传动手册.编辑委员会编.机械工业出版社, 1995.
[2]机械设计手册.联合编写组编.化学工业出版社.
三维热模型 篇7
在火电和核电设计领域中, 计算机辅助设计已从传统的二维设计手段发展到人机交互式的、高度集成化的、智能化的三维协同设计阶段[1,2]。
三维协同设计要求多个专业在统一的平台上共同工作, 其中土建专业的参与和应用非常重要。三维协同设计以布置设计为主, 机务、电气、热控、暖通等专业都要在土建结构梁、柱、墙、板三维模型的基础上开展工作, 土建专业三维模型给工艺专业提供设计参照[3]。
许多科研和设计人员对土建三维协同设计的应用做了思考和研究。邓志坚等[4]研究了PDMS建库原理, 结合中国土建规范, 建立了较完备的PDMS土建元件库和等级库, 使土建三维建模具备了基础条件;祝黎[5]将PKPM-PDMS三维接口技术应用在电厂渣水加药间、1号转运站、碎煤机的工程卷册中, 对模型转换技术做了尝试;王守利[6]研究了土建三维模型层次的命名规则, 尝试了层次命名的自动化实现;袁泉等[7,8]在研究三维模型和结构计算模型传递接口的基础上, 提出了新的土建结构设计流程;苏阳等[9]从三维建模、三维提资、三维收资、模型校核、碰撞检查、模型校审、出图等方面探讨了土建数据在三维协同设计平台中的流转。谢华[3]在比较传统设计和三维协同设计差别的基础上, 指出了三维模型数据的自由流动性, 土建专业可以在工艺荷载、楼面荷载、预埋件等方面受益。
但是, 目前土建结构专业在参与三维协同设计的过程中, 仍存在着诸多困难:
1) 事后抄模。即将成品CAD图纸中的模型重新在三维平台中建立一遍, 配合工艺专业做检碰, 而不是在三维平台中完成设计, 根据三维模型抽出成品图纸。
2) 重复建模。在结构计算软件中, 需要建立三维计算模型, 进行力学分析, 完成强度刚度稳定性检验校核。在三维建模过程中, 结构计算模型的价值无法利用, 导致建模工作重复。
3) 建模效率低。目前主流三维平台虽然都提供了土建结构建模功能, 但操作繁琐, 且设计习惯与国内软件相差较大, 导致设计人员掌握难度大, 建模效率低。
为解决以上问题, 本文提出了土建结构计算模型转换为三维模型的技术方案, 并基于PDMS三维设计平台, 采用盈建科转换接口进行了实际工程应用, 取得了良好的效果。
1 土建计算模型转三维模型技术方案
1.1 概述
土建计算模型转三维模型分两种应用场景:1) 计算模型初次导入三维设计平台, 形成对应的三维模型, 流程图如图1所示;2) 计算模型和三维模型局部发生变化时, 计算模型中变化的部分能更新到三维模型中, 三维模型中的变化部分在更新后能被保留下来, 流程图如图2所示。下面对这两部分技术方案分别做介绍。
1.2 计算模型导入到三维模型
1.2.1 构件截面库的匹配
模型构件截面库的匹配是模型转换的基础和前提, 必须将结构计算软件中的各种类型的截面与三维软件中的截面对应起来。
计算模型的截面库[10]以PKPM为例, 如图3所示;三维模型的截面库[4]以PDMS为例, 如图4所示。两者之间的匹配关系见表1。
另外需注意, 对于形状相同的截面, 两个中性轴也必须匹配, 否则会导致截面方向和位置错误。
1.2.2 构件坐标的正确转换
结构计算模型中, 结构构件一般简化为直线段, 构件的起点和终点坐标按构件的中性轴计算, 构件和构件直接按端点相连, 相交节点处的尺寸没有考虑扣除。而在三维模型中, 构件均为实体模型, 必须正确处理构件之间的连接关系, 扣除构件节点的尺寸, 这样才不会引起构件之间的碰撞, 如图5所示。
在电厂主厂房结构中, 还存在大量的构件偏心和对齐。在结构计算模型中, 构件的偏心一般采用轴线的坐标加上构件相对于轴线的偏心来考虑;而在三维模型中, 构件的偏心直接体现在构件的起点和终点坐标上, 模型转换过程中应注意区别和联系。
另外, 在三维模型中, 每根构件都有PLine线和对齐属性[11]。模型转换时, 根据实际情况灵活设置, 可简化坐标换算, 方便的实现梁顶与柱顶对齐, 梁边与柱边对齐等效果, 如图6所示。
1.2.3 对计算模型整体的平移和旋转
三维模型要体现出电厂的全貌, 包含多个建 (构) 筑物且主厂房内包含多个机组的厂房。在建立结构计算模型时, 每个建 (构) 筑物会分别建模计算, 主厂房的每个机组也会分别建模计算。在将计算模型导入到三维平台的过程中, 需要将多个计算模型合并为一个三维模型, 这时需要指定导入模型的插入点位置和对应的坐标, 还需要指定导入模型的局部坐标系对应于全厂坐标系的方位角, 这样才能正确的将计算模型转换为三维模型, 为工程应用服务。
1.2.4 模型层次结构的划分
计算模型中, 构件常用的分类方式有以下几种:1) 按构件类型分:梁、柱、墙、板;2) 按层高分:地面、中间层、运转层……顶层;3) 按构件材料分:混凝土、钢、钢骨混凝土;4) 按截面形状分:矩形、工字形、槽形、圆管形等。
在三维平台中, 为满足管理大量模型的要求, 结构模型按Site, Zone, Frame, Sub Frame, Section存放在不同的层次结构中;同时, 为了按卷册绘制施工图的要求, 将主厂房结构按区域做了划分, 如:A列柱、汽机房、除氧煤仓间, 中间层、运转层等。
由于计算模型和三维模型对构件分类方式的不同, 在模型转换过程中会有一些障碍。转换过程中, 需将计算模型中的全部信息抽取出来, 再根据三维模型的要求划分区域, 划分层次, 满足工程应用的要求。
1.3 计算模型局部更新到三维模型
通过上节所述的计算模型转换三维模型的技术, 替代了土建设计师手工抄模建立三维模型的过程, 发挥了计算模型的价值, 提高了三维建模效率。
但在实际应用中还存在以下情况:
1) 导入的三维模型中, 只包含梁、柱、支撑、楼板等构件, 需要在初次导入的模型中, 在三维模型中增加牛腿、挑耳、埋件、孔洞等细部构件;
2) 在结构设计的过程中, 计算模型也不是一次完成的。在设计不断深化的过程中, 需要改变构件的截面尺寸, 移动构件的位置, 增加一些次要构件;
3) 将修改后的计算模型再次导入三维平台后, 在原三维模型中新增的细部构件都不存在了。
为解决上述问题, 需要实现计算模型到三维模型的局部更新功能。该功能要求计算模型和三维模型中的构件信息建立对应的索引关系, 如图7所示。模型更新时, 先判断构件是否发生了变化, 仅对于发生变化的构件, 用计算模型中的构件替换三维模型中的构件, 其他三维模型则保持不变, 如图8所示。这样既实现了计算模型的更新, 又保证了在三维模型中新增的细部构件的存在, 保证已完成的工作成果不受损失。更新完成之后, 需输出详细的更新报告, 报告中应指出, 新增了哪些构件, 删除了哪些构件, 修改了哪些构件及这些构件的属性变化情况。
2 模型转换应用实例
基于计算模型转三维模型的技术要求, 开展转换软件的选型。经调研, 目前能实现模型转换功能的软件有盈建科、探索者、迈达斯等。其中, 盈建科模型转换接口的功能与上述要求比较符合, 下面采用该接口进行实际工程的应用。
2.1 工程概况
测试项目采用新疆天山电力奇台热电联产一期2×350 MW工程, 其厂址位于昌吉回族自治州奇台县城东北方向拟建的喇嘛湖梁工业园内。主厂房按两机两炉超临界空冷燃煤发电机组进行设计, 布置方式为汽机房—除氧间—煤仓间—锅炉顺列布置, 汽轮发电机组纵向布置。主厂房采用现浇钢筋混凝土结构。厂房横向由A列柱—汽机房屋盖—除氧煤仓间框架组成框排架结构体系, 纵向采用钢筋混凝土框架支撑结构体系。汽机平台采用现浇钢筋混凝土框架结构, 平台与A, B柱之间通过牛腿交接连接。
2.2 主厂房计算模型导入三维平台
主厂房1号机的PKPM计算模型如图9所示;2号机的PKPM计算模型如图10所示。将计算模型通过转换接口转为PDMS三维模型, 如图11所示。经校核, 转换后的三维模型中:构件截面匹配正确, 构件位置坐标正确, 构件的偏心和对齐能正确处理, 1号机和2号机通过模型整体平移指定插入点, 正确的组合在一起。
2.3 主厂房计算模型局部更新到三维平台
在主厂房1号机PKPM模型使用局部更新功能。原始计算模型如图12所示, 构件局部修改后模型如图13所示, 从左到右依次为:移动次梁位置、删除次梁、增加次梁。经校核, 计算模型的局部修改正确的更新到了三维模型中, 如图14所示。同时, 在三维模型中手工建立的牛腿、埋件、孔洞等细部构件, 在模型更新后被保留, 如图15所示。
2.4 应用效果
该模型转换技术能保证计算模型和三维模型的一致性, 且能随着设计不断深入保持三维模型的实时更新, 保证了设计质量。同时, 该技术能极大提高三维建模效率, 以主厂房为例, 原来手工建立三维土建模型需花费约2周时间, 采用模型转换技术后, 1 d就能建立模型。若考虑到后期三维模型的更新和维护, 厂区内主厂房之外的内建 (构) 筑物的三维建模, 节省的时间会更多。
3 结语
工程测试和应用表明, 土建计算模型转三维模型的技术方案是切实可行的。采用该转换技术, 能充分利用土建计算模型的价值, 避免重复建模和事后抄模, 大幅提高三维建模效率, 保证了三维平台中土建模型的及时性和正确性, 满足了工艺专业的检碰需求, 提高了整体工程质量。同时, 为下一步利用三维平台进行孔洞、埋件提资, 利用三维模型抽框架外形图和楼板布置图打下了基础。目前该技术在国核电力规划设计研究院已成功应用于多个国内外项目, 取得了良好的应用效果。
摘要：针对电厂设计土建专业参与三维协同过程中遇到的建模困难问题, 提出了土建计算模型转三维模型的技术方案和流程, 基于PDMS三维设计平台, 采用模型转换软件接口进行了实际工程应用, 大幅提高了建模效率, 保证了工程质量, 取得了良好的效果。
城市三维模型视频映射技术研究 篇8
1 Open GL概述
Open GL是SGI公司于1992年发布的三维图形编程接口, 是目前2D和3D图形应用程序开发中应用最广泛的三维图形标准, 已经成为唯一真正开放的、独立于经销商的多平台图形标准。它集成了大量的图形变换、光照、渲染、材质、纹理映射、特殊效果和其他强大的可视化函数, 能快速的建立逼真的三维模型。
1.1Open GL的主要技术特点
工业标准:由国际协会Open GL Architecture Review Board指导规范。
稳定性:具备多种平台上的实现程序, 确保已有的应用程序实时更新。
可靠性和可移植性:任何Open GL应用程序在兼容硬件上都显示出一致的视觉效果。
可扩展性:使程序开发者和硬件经销商在产品新版本中快速将其新特征集成进去。
易用性:具有很强的逻辑性, 代码量很小, 方便易用, 且不必考虑硬件特点。
1.2Open GL的图形操作步骤
Open GL对图形进行操作并将图形绘制到屏幕上的基本步骤如下:
1.根据基本图元构造物体模型, 对物体模型进行数学描述。
2.将物体模型放置到三维空间中, 选择适合的视点以便观察感兴趣的场景。
3.计算物体的颜色, 结合光照和纹理, 确定所观察的场景中物体的最终效果。
4.光栅化:将场景中物体模型的数学描述和颜色信息转换为计算机屏幕上的像素。
注:Open GL在绘制曲面前, 必须进行初始化 (将像素格式加入到图形设备接口) 。
1.3像素格式
像素格式是描述Open GL绘制曲面的一些属性。包括像素缓冲区、像素数据色彩模式、缓冲区的字节数、各种可见性屏蔽等。通过填充PIXELFORMATDESCRIPTOR结构来描述。由Set Pixel Format () 为当前像素格式赋值。1.4绘图描述表
绘图描述表是传递所有Open GL命令必须通过的端口, 调用Open GL函数的每一线程都需要一个当前设备描述表, 一个线程只能由一个激活的绘图描述表, 一个绘图描述表具有和它相关的设备描述表, 两者具有相同的像素格式。管理绘图描述表的相关函数有:创建绘图描述:wgl Creat Context () ;设置当前绘图描述表Wgl Make Current () ;为当前绘图描述提供句柄:Wgl Get Current Context () ;提供相关设备描述表句柄:Wgl Get Current DC () ;删除绘图描述表:Wgl Delete Contex () 。
1.5Open GL在VC中的使用方法
1.设置Open GL编程环境的方法:添加头文件到STDAFX.H中, 进而连接库函数。
2. 基于Open GL的VC编程框架:
(1) 构造Open GL的窗口风格; (2) 设置支持Open GL的像素格式; (3) 创建绘图描述表, 设置为当前绘图描述表; (4) 对Open GL的绘图环境进行初始化; (5) 添加Windows消息响应函数; (6) 结束时删除绘图描述表。
2地形三维可视化和纹理映射研究
2.1 地形三维可视化
2.1.1 地形三维可视化的原理和技术
地形三维可视化是通过三维的表现形式来表达地形。常用的地形三维表达包括立体等高线图、现况透视图、立体透视图等。常用的地形三维可视化技术有下三:一是利用常用的参数曲面通过插值和拟合生成三维地形;二是利用分形技术生成三维地形;三是利用数字高程模型或数字地形模型的三维坐标数据, 生成不规则格网 (TIN) 或者规则格网 (GRID) , 建立三维地形的基本骨架。
2.1.2 数字高程模型
数字高程模型 (DEM) 是地形信息的一种数字表达, 是GIS的基础数据, 可用于土地利用现状分析、水利工程设计、城市规划等。有两种存储方式:一是规则格网点的存储形式, 二是不规则三角网的存储形式。规则格网DEM是一种栅格数据结构, 数据结构简单, 数据存储量小, 利于各种分析和计算。不规则三角网是一种简单的拓扑矢量数据结构, 具有更高的分辨率, 其数据存储和操作都较复杂。
2.1.3 三维建模
Open GL提供了点、线、多边形三种基本的几何图元, 可以构造更复杂的形体对象。在地形三维可视化中首先需要进行三维模型的建立。可以利用多个三角形或四边形拼接而成的曲面来近似模拟地形表面。使用Bezier曲面或NURBS曲面来创建所需要的模拟地形表面的曲面。
2.1.4 三维图形变换
三维几何对象是处于三维坐标中的几何图形, 计算机屏幕的像素是二维的, 在屏幕上显示三维模型就必须将几何对象的三维坐标转换到屏幕上的像素位置。进行一系列的变换, 统称三维图形变换, 有投影变换、视口变换和几何变换三种。
2.1.5 三维漫游
虚拟漫游是虚拟现实技术的重要分支, 其方式可以分为电子沙盘和目标沿路径飞行两种。电子沙盘是目标绕着某一固定点转动, 通过实时改变基本的模型变换矩阵中的参数来改变目标的实时显示效果。目标沿路径飞行则是按照一定的飞行路线观察地形景观。记录路线采样点平面坐标, 根据采样点在DEM中内插确定观察路线上采样点的高程坐标。
2.2 纹理映射的原理和方法
纹理映射是将纹理图像投射到物体表面从而获得真实感效果的物体模型。Open GL可采用一维、二维或三维的纹理进行映射, 纹理图是由R、G、B、A数值组成的矩形数组。它不仅能反映地表起伏状况, 还能更真实的反映地表的真实面貌。
2.2.1 地形三维可视化中常用的纹理
从专业摄影图片中获取;实地摄影获取纹理图像;航摄图片、航空遥感图像;
扫描地形图或专题图得到的数字图像;通过分形产生纹理等。
2.2.2 纹理映射的步骤
(1) 定义纹理; (2) 控制纹理; (3) 映射方式 (三种) ; (4) 纹理坐标: (将纹理坐标与构成三维模型的点坐标联系起来, 能有效改善变形情况) ; (5) 激活和取消纹理映射。
3视频读取方法和视频纹理映射的研究
3.1 视频和视频帧
连续的图像变化每秒超过24帧画面以上时, 根据视觉暂留原理, 人眼无法辨别单幅的静态画面, 看上去是平滑连续的视觉效果, 这样连续的画面叫做视频。视频帧是视频中最小单位的单幅影像画面, 是一幅静止的画面, 连续的视频帧就构成了动态的视频。视频帧频是指视频剪辑每秒显示的帧数。
3.2 Open CV读取视频的原理和方法
3.2.1 简介Open CV及Open CV在VC中的使用方法
Open CV是由Intel公司基于C/C++语言开发的跨平台开源图像处理函数库。具有良好的可移植性, 可用于实时图像处理。功能完善, 包括图像数据操作、摄像头定标、运动分析、目标识别等, 且支持多种动态数据结构。Open CV包括cv (核心函数库) 、cvaux (辅助函数库) 、和ml (机器学习函数库) 等模块。在VC中Open CV需要首先设置预编译的头文件, 随后设置链接库。
3.2.2 Open CV读取视频及抓取视频帧的方法
Open CV支持视频的输入输出等操作, 读取视频涉及的Open CV函数如下:Cv Capture*capture=cv Capture From AVI (文件名) ;利用cv Capture From AVI函数获取指向视频文件的指针。而后还需要释放视频流捕捉器, 采用cv Release Capture (&capture) 函数实现。利用Open CV的函数cv Grab Frame (capture) 和cv Retrieve Frame (capture) 可以从视频流中抓取某一帧的影像。
3.3 视频纹理映射研究
3.3.1 视频纹理映射的概念
在地形三维可视化中, 通过纹理映射可以将真实世界的影像反映到模型上从而达到更真实的效果。视频纹理映射即用视频替代单幅影像作为映射单元映射到三维模型上。由此获得的三维景观能够实时动态的反映地形真实面貌和变化情况。
3.3.2 探讨实现视频纹理映射的方法
利用Open GL的命令函数可以实现二维图像的纹理映射, 而视频是由一帧一帧的单幅影像组成的, 因此视频纹理映射是可行的。基本思路是:利用Open CV函数读取视频, 抓取视频帧影像并存储下来, 然后将一帧影像映射到三维模型上。再读取第二帧影像替代第一帧进行映射, 这样不断的将所有视频帧影像映射到三维模型上。连续映射到模型上的视频帧就会形成动态效果, 从而实现视频纹理映射。
4结论与展望
4.1 结论
传统的多窗口的影像进行监控, 视觉上的不直观, 定位和观察上更不便。本课题提出了一种有效的改善这种不足的方法———城市三维模型视频映射技术。基于VC语言和Open GL函数库, 对地形进行三维重建并将视频影像作为纹理映射到模型上。这样生成的视频具有很强的立体感, 能够更加真实的反映现实世界, 此外对于不同区域的摄像机所获得的视频, 可以整合到同一个三维模型上, 从而达到整体监控和快速定位的效果。
4.2 展望
回顾论文的研究过程, 对基于Open GL实现地形三维可视化和视频纹理映射有了一定的研究, 并且实现了三维漫游和视频纹理映射系统的各种功能, 但是, 由于时间、实验条件和个人水平限制, 本文在以下几个方面还需要作进一步的研究:
数据点多时, 在GRID构建三维模型的基础上进一步研究构建TIN模型的算法。
三维地层模型构建辅助软件设计 篇9
工程地质勘测包括地质测绘、勘探、室内实验、原位测试等, 以便对工程地质条件进行评价, 为工程建设的规划、设计、施工提供必要的依据及参数。三维地层模型可以将地下复杂的地层情况直观地呈现在工程师面前, 对工程地质勘测起到辅助设计作用。三维地层模型在地下空间开发、油气资源开发和岩土工程问题分析中具有重要作用[1]。
三维空间数据模型总体上可分为面模型、体模型、及混合 (集成) 模型三大类[2]。
软件采用Delaunay三角剖分方法将钻孔连接成网状, 采用统一土层划分方法, 利用钻孔数据建立三维地层模型[3], 形成Delaunay三角网[4]。
Delaunay三角网具有如下性质[5]:
(1) 唯一性:不论从区域何处开始构建, 最终结果都一致。
(2) 最优性:最接近的三点构成三角形, Delaunay三角网与其他三角网相比, 对所有三角形的最小角而言, Delaunay三角网的最小角最大。
(3) 区域性:增加、删除、移动一个顶点只会影响临近的三角形。
构造Delaunay网的方法有分治算法、逐点插入法、三角网生长法等[6]。
2. 软件体系结构设计
数据库设计
钻孔表和地层表, 对应的E-R图如图1所示。
软件中主要涉及七个类, Delaunay三角剖分中要用到的Vertex, Ed ge, Trian g le, Delau n ay四个类, 地层信息存储和显示涉及L a y e r P r o p e r t y, D r i l l i n g h o l e, DrillingholeCollection三个类, 其UML类图如图2所示。
3. 主要算法设计
Delaunay三角剖分采用逐点插入法中的Bowyer-Watson算法, 算法步骤如下:
(1) 构造一个包含所有点的外框三角形, 放入三角形链表中;
(2) 在点集中依次不重复取出一个点, 执行以下操作:
在三角形链表中找出该点的所有影响三角形, 影响三角形是指其外接圆包含该点的三角形。找出所有影响三角形的公共边, 并将其删除, 连接该点与所有影响三角形的顶点, 将新形成的三角形加入三角形链表中, 同时在三角形链表中删除该点的所有影响三角形;
(3) 重复步骤2, 直至对点集中所有的点执行完操作;
(4) 删除三角形链表中顶点含有外框三角形顶点的所有三角形, 最终三角形链表中的三角形构成Delaunay三角网。
构造包含所有点的外框三角形伪代码如下:
如此构造的外框三角形如何能够包含所有点呢?不妨设对应矩形中心坐标为 (0, 0) , 则由图3知构造的外框三角形包含了所有点。
由于岩土介质空间分布的不连续性、不均匀性和不确定性, 地层之间相互交叉侵蚀, 地质实体之间的关系错综复杂。在三维地层信息系统中, 如何对地层进行划分是涉及到三维地层建模的一个关键问题[7]。
软件中采用的统一地层划分的方法如下:对钻孔原始数据进行预处理, 充分考虑交错、重叠等, 确定适用于每个钻孔的地层分布情况, 但其中允许地层的厚度为零。这样可以较好地处理不连续、不均匀的地层分布, 便于分别对每一地层建立实体模型。统一地层划分方法伪代码见下:
4. 软件实现
考虑到AutoCAD在土木建筑行业中应用广泛, 同时便于对三维地层数据进行进一步加工处理, 软件采用V B对AutoCAD进行二次开发实现。
运行程序建立三维地层模型, 如图4所示:
选定某一地层, 可以知道该地层的属性, 如图5:
对三维地层进行剖分, 可以看到地层内部情况, 见图6:
5. 结论
软件采用Delaunay三角剖分和统一地层划分方法建立三维地层模型, 进行了数据库E-R图设计和UML类图设计, 讨论了主要的算法, 利用VB对AutoCAD进行二次开发来实现软件。软件可以使工程师直观了解地下复杂的地层情况, 方便对地层进行分析, 对工程地质勘测有辅助作用。
摘要：三维地层模型对工程地质勘测很重要, 软件采用的Delaunay三角网和统一地层划分方法构建三维地层模型。在软件体系结构设计中设计了数据库E-R图和UML类图, 讨论了软件的主要算法 (Delaunay三角剖分、统一地层划分) 的实现方法。最后利用VB对AutoCAD进行二次开发实现了软件, 展示了软件运行效果。
关键词：三维地层,Delaunay,统一地层划分,VB,AutoCAD
参考文献
[1]周翠英，赵宏坚，杨锡鎏.三维地层构造发展现状[J]. 中山大学学报 (自然科学版) .2009年9月第48卷第5期.
[2]程朋根等.三维地层模型构建方法的研究及应用[J].吉林大学学报 (地球科学版) .2004年4月第34卷第2期.
[3]陈永锋等. 基于钻孔数据的地质面Delaunay三角剖分[J]. 金属矿山.2009年第9期总第399期.
[4]Delaunay B Sur la Sphere Vide.Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR.Classe des Sciences Mathematiques et Naturelles, 1934 (8) .
[5]武晓波, 王世新, 肖春生.Delaunay三角网的生成算法研究[J].测绘学报.1999年第28卷第1期.
[6]武晓波, 王世新, 肖春生.Delaunay三角网的生成算法研究[J].测绘学报.1999年第28卷第1期.
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