塔架三维实体几何建模方法研究

论文摘要

通常在工程中,对于每种新设计的输电塔架都需要辅以昂贵的真型试验来验证其安全性。一个更经济的替代方案是使用有限元方法来对塔架进行计算仿真。目前在工程上对塔架进行有限元分析时,通常都是建立一个简化的模型进行计算,比如采用二力杆或梁单元对构件进行离散,而将节点等效为铰接或刚接。显然,这样的简化模型难以准确地反应塔架的力学行为。为了提高输电塔架的有限元分析的准确性,应该采用梁单元或者梁单元与实体单元混合的方式对构件进行建模。但是由于塔架的实际模型非常复杂,在现有的有限元前处理软件中,要想对塔架进行准确的实体建模还比较困难。为解决这一问题,本文提出了一种基于图纸的塔架实体几何建模方法。该方法从塔架的线框模型和设计图纸出发,依次经过图纸识别、结构匹配、实体建模三个步骤,即可迅速建立起塔架的实体模型。图纸识别即识别出设计图纸中的梁构件、螺栓、连接板。本文分别针对这些构件在图纸上的表现特征,提出了相应的识别算法。对于梁的识别提出了基于相关度的限制迭代搜索算法,并提出一种复合数据结构Angle Tree以对该算法进行优化;对于螺栓的识别提出了一个简单的基于位置和半径的判定方法;对于连接板的识别,提出了一个启发式的识别算法,将可能位于同一连接板上的螺栓聚合成组,然后在这些螺栓组的邻域内进行连接板的搜寻。结构匹配目的是将平面图纸结构与三维线框模型中相应的子结构建立起对应关系。本文提出了一种基于近似编辑距离的容差结构匹配算法。该算法首先需要用户选择一对匹配种子和一个投影基平面,然后通过一个广度优先的扩散过程,完成整个结构的匹配。实体建模即根据结构匹配结果建立起实体梁构件及连接板构件。本文详细讨论了构件的尺寸确定及构件定位等问题。在处理构件之间的装配时,本文提出了一个自动对各构件进行偏移,以避免发生碰撞干涉的广度优先算法。基于上述方法,本文建立了一个完整的实体建模系统原型。经过实例验证,本文所提出的方法能够准确快速的得到塔架的局部实体模型。本文的研究成果可为进一步研制真型试验仿真平台系统提供基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究情况
• 1.3 本文的研究目标和内容
• 1.4 论文的章节安排
• 2 基于图纸的塔架实体几何建模
• 2.1 系统的总体结构
• 2.2 交互界面设计
• 2.3 实体建模处理流程
• 2.4 本章小结
• 3 图纸中的构件识别
• 3.1 梁构件的识别
• 3.2 螺栓的识别
• 3.3 连接板的识别
• 3.4 Angle Tree与最近平行线段查询
• 3.5 本章小结
• 4 结构匹配算法
• 4.1 结构匹配与子图匹配
• 4.2 基于近似编辑距离的容差结构匹配算法
• 4.3 本章小结
• 5 实体建模方法
• 5.1 方法简介
• 5.2 详细流程
• 5.3 本章小结
• 6 实例应用与结果分析
• 6.1 实体建模实例
• 6.2 算法的结果分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录（攻读硕士学位期间发表的论文）