基于ANSYS的三维动态建模系统研究与开发

第29卷 第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol129 No14 2007年11月Journa l of Hebe i Polytechn ic Un iver sity(N atur a l Science Editi on)Nov.2007

文章编号:167420262(2007)0420101206

基于ANSYS的三维动态建模系统研究与开发

李占金1,张艳博1,2魏华3

(11河北理工大学交通与测绘学院,河北唐山063009;21中国矿业大学,北京100083:31保定师范专科学校,河北保定071000)

关键词:ANSYS;三维动态建模系统;三次样条插植法

摘 要:针对ANSYS软件三维数值建模的复杂性,基于三次样条插值法和趋势面分析原理,采

用Borland D el phi6.0可视化程序设计语言开发出了三维动态自动建模系统。该系统具有操

作性好、建模准确等优点,提高了建模效率,便于多方案的模拟计算。

中图分类号:TP311152 文献标识码:A

0 引言

ANSYS软件是近年来发展起来的最为通用有效的有限元分析软件之一,它的功能强大,用户界面友好,前后处理和图形功能完备,拥有丰富和完善的单元库,可以高效地求解各类结构的静力、动力、振动的线性和非线性问题,成为研究岩土力学及工程问题的主要手段之一。ANSYS软件在岩土工程的应用中需要建立三维实体模型,有时在一个岩土工程中由于参数的变化需要建立多个三维实体模型,若采用传统的建模法,每个模型都需要人工建模,不仅需要花费大量的时间,而且还易于出错。如果能开发出一套动态建模系统,实现与ANSYS的接口,自动生成有限元模型,对减小人工建模工作量、提高建模效率和精确程度,具有重要的现实意义。

1 动态建模系统算法研究

111 曲线拟合的理论模型

为满足图形精度要求,本研究采用两种样条播值的方法来完成对矿岩分界线的加密和光滑处理。

(1)三次样条插值法

已知折线四点P

1、P

2

、P

3

、P

4

的坐标分别为(x

1

,y

1

)、(x

2

,y

3

)、(x

3

,y

3

)和(x

4

,y

4

)作如下参数形式所定义

的曲线,使之通过以上四点:

x=A0+A1t+A2t2+A3t3

y=B

0+B

1

t+B

2

t2+B

3

t3

(111)

如果令参数t在P1、P2、P3和P4。四点处分别取-1、0、1、2,代入公式(211)中,就可以求出各个系数A i,B i。

A

0=x

2

A

1=-

x1

3

-

x2

2

+x

3

-

x4

6

A

2=-

x

1

2

-x

2

+

x

3

2

3=

x

6

+

x x

3+

x

6

(1.2)

收稿日期6282A-12

2

-

2

4

:200027

B

0=y

2

B1=-y

1

3

-

y

2

2

+y3-

y

4

6

B2=-y

1

2-y2+

y

3

2

B3=-y

1

6+

y

2

2-

y

3

2+

y

4

6

(1.3)

在P

1和P

2

点之间加入n个点t取值为:

t

j

=-1

j

n+1

(j=1,2,3,…n)(114)

在P2和P3点之间加入n个点t取值为:

t j=

j

n+1

(j=1,2,3,…n)(115)

在P

3和P

4

点之间加入n个点t取值为:

t

j

=1+

j

n+1

(j=1,2,3,…n)(116)

因为P1、P2、P3和P4四点是已知条件,即式(111)的系数是已知的,所以只要给定一个t j就可以得到相

应的插值点的坐标(x

j ,y

j

)从式(114)、式(115)和式(116)三式可以看出,P

2

和P

3

两点间的插值有比较好的

代表性,因此普通点之间的插值采用公式(115)。但是对于非曲线的第二段和最后一段来说,采用P1和P2

之间以及P

3和P

4

之间的插值公式(114)和式(116)显然是更加合适的。插值点个数n可以通过下面的公

式求行:

n=(x

i+1

+x i)2+(y i+1+y i)2

h

(117)

式中:n———插值点个数,取整数;

x i+1,x

i

,y

i+1

,y

i

———已知两点的坐标;

h———插值点间距,根据需要选取。

(2)三次B样条插值法

用均匀三次B样条进行曲线插值光滑处理,即是用参数轴t上等距分割的B样条曲线来光滑滑初始输入的矿岩界线。三次B样条函数的解析表过式为;

M

n (x)=

1

n!

∑n-1

j=0

(-1)j(C1

n-1

(x+

n+1

2

-j)n(118)

本文采用第一区间函数为插值公式,即可定义为;

x=+++

3

3 y=+++33(1)

201 河北理工大学学报(自然科学版) 第29卷 

a 0a

1

t a

2

t2a t

b0b1t b2t2b t

19

式中: a 0=

16[x i +4x i+1+x i +2] b 0=1

2

[y i +4y i +1+y i +2] a 1=-1

2[x i -x i +2] b 1=-1

2[y i

-y i +2] a 2=

1

2[x i -2x i+1+x i+2]b 2=

1

2[y i -2y i +1+y i +2] a 3=-1

6[x i

-3x i +1+3x i +2-x i +3]b 3=-1

6[y i -3y i +1+3y i +2+y i+3]t =

1

n

其中x i ,y i 是已知点的坐标,在x i 和y i 之间插值点坐标为:

x i =a 0+a 1t +a 2t 2

+a 3t 3

y i =b 0+b 1t +b 2t 2

+b 3t

3

(i =1,2,3…n)(1110)

112 曲面生成理论模型

矿岩界面是矿体和岩体的交界面,它控制着矿体的空间位置及预、底板的变化规律。而矿岩界面往往是利用有限的地质勘探数据资料,采用一定数学方法建立相应的地质界面模型拟合而生成的。其中趋势面分析法就是矿岩地质界面拟合的常用方法[3]

从几何观点看,趋势面法就是寻求一个能较为准确的反映参数Z 的分布规律的(x,y,z )空间上的一个曲面。如果令Z 等于一组等差常数所表示的平面切割此空间曲面,将交线投影在(x,y )平面上,得到一组类似等高线的等值线图,趋势面分析通常就是用这种等值线图反映其结果。为了考虑参估点距离的影响,本文采用了文献[4]中的改进方法作为曲面生成理论模

一般来讲,如果平面上分布的某参数用Z 表示,那么趋势面分析也可简单看成寻求一个方程,按二次多项式拟合空间曲面有:

Z =f (x,y )

(1.11)f(x,y)=(C 00+C 10x +C 01y +C 20x 2

+C 11xy +C 02y

2

(1.12)

令Q =∑n

i =1

[f (x,y)-Z 0i ]2w (d ),按最小二乘法原理使:

5Q /5C rs =0 (r ,s =0,1,2)

(1.13)

可得到有6个未知数的6个方程组,求得式(1112)的系数C rs 。

式中:x,y ———矿体所在范围某平面的坐标;

Z 0i ———点(x,y)上的观测值;

Q ———所有数据点的拟合值f (x,y )和观测值Z 。,的误差的平方和;n ———观测点数;

w (d i )———权值,是距离的函数。

113 三维实体模型的形成原理

将三维实体模型视为有限多个小正六面体的集合,每一个正六面体为最小单元块,用(x,y,z )表示其中心点的空间位置,并用不同的符号或数字标识每个单元块的矿岩类型和力学参数。在模型离散化过程中划分的单元尺寸越小,越能精确表示矿体轮廓。

在模型建立过程中,首先输入矿体横剖面线及矿岩分界线的关键点坐标,并对矿体横剖面矿岩界线进行拟合。然后根据单元块尺寸对矿体横剖面进行水平剖分,并得到同一水平的矿岩分界点数据,对所得数据进行拟合形成平面矿岩分界线,如图111所示。由于在空间上每个单元体的中心位置是确定的,只要判断每个水平分层上各单元体与矿岩分界线的位置,即可区分出每个单元块的矿岩类型,如图112和图113所示。将所有水平分层的单元体赋以矿岩类型代码和力学参数就自动形成了矿岩矩阵。将有限多个分层平面采用趋势面分析法处理即可形成矿岩界面(如图1)。

最后,根据开采中段水平和矿块结构尺寸,在矿体内生成采场三维模型。

3

01 第4期 李占金,等:基于ANSYS 的三维动态建模系统研究与开发14

图111 分层平面矿岩界线 图112 矿体水平分层网格划分

图113 矿岩矩阵示意图 图114 趋势面形成原理示意图

2 三维动态建模系统开发

211 系统开发语言的选择

系统采用Borland De l phi 610可视化程序设计语言,采用面向对象的开发思想,并对ANSYS 进行了二次

开发,实现了ANSY S 与De l phi 的无缝集成。212 系统流程图

根据上述的系统开发思想,系统流程图如图211所示。

3 系统功能介绍

针对三维建模的复杂性和系统实现的难度大等问题,研究中采用了系统化、模块化、面向对象的思想,依据投影法、趋势面分析法以及三次样条插值法原理,使用可视化编程语言Borland Delphi 60开发了三维动态建模系统。

启动软件,将会出现如图311系统主界面,输入正确的用户名和密码后即可使用本系统。点击系统菜单中的“实体模型范围”子菜单项将弹出图312所示窗口,输入实体模型研究范围的坐标,点击不“保存数据”保存设置。击“数据采集”菜单将弹出横剖面矿岩分界线上坐标点采集窗口(见图313),输入不同横剖面上矿岩分界线的关键点坐标,设定插值点间距,系统将自动进行点加密和光滑处理,形成横剖面矿岩分界曲线。

按设定的剖分步长对矿体横剖面进行水平剖分,经拟合形成水平分层的矿岩分界线。系统将根据矿岩分界线确定每个水平分层上各单元块的矿岩类型,并自动进行标记。通过输入的中段标高和矿块尺寸,系统将识别单元块的类型并在矿体中建立采场模型。用户界面如图31~315所示。

401 河北理工大学学报

(自然科学版) 第29卷 

2

图211 系统流程图

图31 系统主界面

5

01 第4期 李占金,等:基于ANSYS 的三维动态建模系统研究与开发1

图312 采场模型范围设置窗口 图313 横剖面矿岩界线坐标数据采集窗口

图314 本维实体模型设置窗口 图315 采场参数设置窗口

4 系统评价

本系统具有以下优点:

(1)本系统可视化程度较高,界面友好,易于操作。

(2)本系统实现了ANSY S 与可视化编程语言的无缝集成,弥补了人工建模之不足,对减少建模工作量、

提高建模效率和模型精度,具有重要的现实意义。

(3)本系统具有易用性、高效性、通用性等特点。

5 结论

针对A N SYS 三维数值建模的复杂性,基于三次样条插值法和趋势面分析原理开发了三维动态自动建模

系统。实路证明,该系统实现了与A N SY S 的无缝集成,具有操作性好、建模精确等优点,大大减少了三维建模工作量,提高了建模效率,便于多方案的模拟计算。

参考文献:

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[] 白润才,赵树贤,刘淑让1关于趋势面分析法在矿岩界面拟合应用中的改进[]1阜新矿业学院学报(自然科学版)51,()~

1

(下转第页)

2:19922:20004J 1994142:10110110

任意值。如果物体是方形的,纹理也是方形的,并想将整个纹理应用到物体上,四角的纹理坐标分别为(010,010),(010,110),(110,110),

(110,010),当纹理坐标对应于物体四角的几何坐标时,纹理

图像恰好覆盖整个物体表面。另外纹理坐标还可以自动生成,要自动生成纹理坐标,可使用函数glTexGen

()。

3 结论

通过使用OpenG L 这一开放的图形标准,能够比较方便的实现三维图形的生成与展示。开发者可以利用OpenG L 提供的功能函数便捷有效的实现建模、动画、消隐、光照及纹理贴图等效果处理,从而开发出理想的三维系统。本文所涉及的纸盒结构动态成型完成了上述的功能性处理,但是本文只是模拟了纸盒的动态成型,并不是生产应用中的成型过程。存在不足有:仍需完善纸盒贴图功能,使其装潢效果更好;继续完善纸盒C AD 系统,使其可以从外部读取相应格式的结构图,然后动态成型为三维立体图等。

参考文献:

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[M ]1北京:中国轻工业出版社,2005:12701

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[5] Dave Sh reiner,Mas on Woo,Jackie Neider,To m Davis 1Op enG L 编程指南1第四版[M ]1北京:人民邮电出版社,2005(4):122081[6] Edward Angel 1OpenGL 程序设计指南1第二版

[M ]1北京:清华大学出版社,20051

The Applica t i o n of O pen GL Techn ique i n D ynam ic M old i n g of Pa per Box

C AO L i 2jie 1

,L I Jia

2

(11College ofMechanical Enginee ring,Hebe i Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009,China;21Xi ’an University of Technol ogy,Xi ’an Shaanxi 710048,China )

Key wor ds: packaging pape r box;2D structure figure;OpenG L;3D molding

Abstrac t: W e can m ake use of the str ong 3D figure da taba se of OpenG L t o carry out the vari ous functions of the pape r box during the str uctur e dyna m ic molding 1W e can m ake it born 2D struc tur e figure,and can m ake the struc 2ture figure carry on f olding to for m the 3D s olid figur e finally 1W e can lay out the s olid paper box during its revolv 2ing,and j oin a serie s of p r ocessing on i m p ression,such as changing the textur e,show ing p r e ssing line,adding the light and s o on 1

(上接第106页)

R esea rch and D evelopm en t Ba sed on the 3D A uto m a t ic 2dynam ic Bu ild i n g 2m odel System

L I Zhan 2jin,ZHA NG Yan 2bo,W EI Hua

(College of Transportation and Ma pping,Hebei Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009,C hina )Key wor ds:ANSYS ;the 3D aut om atic 2dyna m ic building 2model syste m ;cubic spline inte r polati on

Abstrac t:Faced the c omp lexity of building the 3D num erical model byANSYS soft w are,the 3D autom atic 2dyna m ic building 2model syste m is developed based on the m ethod of cubic spline inter pola tion and the principle of trend sur 2f y B D 6I y y ,y,2T ff y f y,f 2ace ana sis and using visua l pr ocedur e lang uage orland elphi .0.t is pr ov ed in prac tice that the s stem has

m an me rits such as ou tstand ing m aneuverab ilit accu rate bu ild ing mode l and s o on.he e icienc o bu ilding

model is increased greatl which is c onveient or multi sche mes nu merical si mula tion .

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