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河源東江大橋垮塌模擬的高真實感展示

轉(zhuǎn)載：陸新征課題組　 2019/6/21 22:00:00　 674

內(nèi)容簡介：前幾天因為介紹宜賓地震的分析結(jié)果，這篇文章耽誤了幾天。橋梁事故調(diào)查往往需要科學和真實地再現(xiàn)事故過程，為事故原因分析提供參考依據(jù)。有限元分析結(jié)果可以保證事故過程模擬的科學性，而通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實，可以進一步提升模擬的真實感?？紤]到參與事故調(diào)查的還有大量非專業(yè)目擊證人及管理人員，因此一個高真實感的模擬對這些非專業(yè)人員也是必不可少的。聲明本研究基于公開獲取信息，主要目的是介紹計算機模擬在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情......

前幾天因為介紹宜賓地震的分析結(jié)果，這篇文章耽誤了幾天。

橋梁事故調(diào)查往往需要科學和真實地再現(xiàn)事故過程，為事故原因分析提供參考依據(jù)。有限元分析結(jié)果可以保證事故過程模擬的科學性，而通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實，可以進一步提升模擬的真實感?？紤]到參與事故調(diào)查的還有大量非專業(yè)目擊證人及管理人員，因此一個高真實感的模擬對這些非專業(yè)人員也是必不可少的。

聲明

本研究基于公開獲取信息，主要目的是介紹計算機模擬在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。本分析僅供科研使用，具體事故原因應(yīng)根據(jù)實際情況由專業(yè)人員確定。

一、事故回顧

2019年6月14日凌晨2點12分19秒，廣東河源市源城區(qū)東江大橋發(fā)生中間2孔垮塌，兩輛小型車輛墜落河中。

圖1 新聞視頻

二、數(shù)值模擬與高真實感可視化

在上一次的推送中（鏈接：6月14日河源東江大橋垮塌事故有限元模擬及分析），我們采用通用有限元軟件MSC.Marc建立了該拱橋的有限元模型模擬此次倒塌事故。

由于時間所限，上一次的分析中我們采用了2D模型，以快速得到有限元模擬結(jié)果。此后，我們在MSC.Marc中補充建立了東江大橋的3D模型，模擬結(jié)果更加準確、真實（圖2）。

(a) 有限元模擬

不過，細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，隨著模擬的進行，橋梁構(gòu)件一個個都消失了。這是因為利用有限元方法模擬橋梁倒塌過程，往往需要通過“單元生死”算法將破壞嚴重的單元殺死，來模擬倒塌過程中結(jié)構(gòu)破壞的過程。這個方法雖然比較簡便易行，但是大量單元失效退出工作必然會導(dǎo)致模擬過程的真實感降低。如此一來，圖2的模擬結(jié)果肯定不能很好的滿足橋梁事故調(diào)查的需要，所以我們還需要設(shè)法模擬倒塌碎片的運動，有效提高橋梁倒塌過程模擬的真實感。

6、7年前，我們提出可以利用基于GPU計算和物理引擎的離散體模擬方法來模擬碎片運動，從而提升橋梁倒塌過程的真實感。具體實現(xiàn)手段是當橋梁構(gòu)件破壞失效后，將破壞失效的構(gòu)件有限單元轉(zhuǎn)化成非連續(xù)碎塊模型（圖3）。然后利用基于GPU計算和物理引擎的離散體模擬方法來模擬碎片的運動過程。

(a) 倒塌碎片的理論原理

(b) 無倒塌碎片模擬效果

圖3 橋梁倒塌過程中殺死單元轉(zhuǎn)化成碎塊模型

在碎片的運動過程中，需要深入考慮碎片和原結(jié)構(gòu)、其他碎片，以及地面之間相互接觸行為的模擬方法。并通過碎片的聚類算法進一步提高模擬效率。從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-碎片運動過程的高效、真實感模擬。

利用上述技術(shù)，我們對東江大橋的倒塌過程進行了可視化（圖4），相比于有限元軟件模擬結(jié)果（圖2），真實感得到了大幅提升。

(a) GIF動畫
圖4 包括倒塌碎片特效的模擬結(jié)果

此外，橋梁倒塌過程的高真實感展示還可以進一步結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）（圖5），實現(xiàn)倒塌模擬場景內(nèi)部的實時漫游，對倒塌全過程進行多角度觀察。

圖5 虛擬現(xiàn)實（VR）視圖

相關(guān)成果可參閱：

[J1]Xu Z (許鎮(zhèn)), Lu XZ, Guan H, Lu X. Progressive-collapse simulation and critical region identification of a stone arch bridge. Journal of Performance of Constructed Facilities-ASCE, 2013, 27 (1): 43-52. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000329

[J2]Xu Z(許鎮(zhèn)), Lu XZ, Guan H, Ren AZ. Physics engine-driven visualization of deactivated elements and its application in bridge collapse simulation. Automation in Construction. 2013, 35: 471–481. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2013.06.006

[J3]Xu Z(許鎮(zhèn)), Lu XZ, Guan H, Ren AZ. High-speed visualization of time-varying data in large-scale structural dynamic analyses with a GPU. Automation in Construction, 2014, 42: 90-99. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2014.02.020

三、總結(jié)

橋梁倒塌事故發(fā)生后，調(diào)查單位希望可以科學和真實地再現(xiàn)事故過程，為事故原因分析提供參考依據(jù)。利用有限元模擬和可視化技術(shù)對橋梁倒塌進行場景再現(xiàn)，可以滿足橋梁事故調(diào)查模擬結(jié)果的科學性和真實感的雙重要求。

課題組在“橋梁倒塌過程的過程反演分析與場景再現(xiàn)”方面的相關(guān)成果在國內(nèi)一些重要橋梁倒塌事故分析中得到了成功應(yīng)用。系統(tǒng)總結(jié)上述有關(guān)工作的資料可以參閱：基于計算機輔助的橋梁倒塌事故分析, 清華大學出版社, 2015.