鄧 鵬，羅 成，胡美璇

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮下，數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)正逐步與水利業(yè)務(wù)深度融合[1-3]。數(shù)字化技術(shù)在水利水電工程中實(shí)現(xiàn)深化應(yīng)用的基礎(chǔ)是建立一套完善的信息管理系統(tǒng)，形成數(shù)據(jù)中心，為所需對(duì)象提供數(shù)據(jù)服務(wù)[4-6]。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化采集、管理和存儲(chǔ)，一方面通過(guò)共享各類(lèi)信息，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)人員的高效協(xié)同，另一方面對(duì)存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘?qū)ふ揖哂袧撛趦r(jià)值的數(shù)據(jù)，進(jìn)而為決策人員提供依據(jù)[7]。

某升船機(jī)為齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)，是某水利樞紐中重要的通航建筑之一，具有建設(shè)規(guī)模大、工程設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工安裝難度高、運(yùn)行維護(hù)與設(shè)備檢修技術(shù)要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。塔柱作為升船機(jī)主要支撐結(jié)構(gòu)將承船廂、機(jī)電設(shè)備、上部機(jī)房結(jié)構(gòu)的荷載傳遞至地基，為混凝土薄壁式結(jié)構(gòu)。運(yùn)行期塔柱外側(cè)薄壁混凝土容易受環(huán)境溫度變化的影響，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)溫差，從而引起較大的結(jié)構(gòu)變形，影響升船機(jī)的安全及正常運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)對(duì)某升船機(jī)的數(shù)字化升級(jí)，對(duì)工程全生命周期數(shù)據(jù)的分析和管理，提高運(yùn)維管理效率，搭建了一套數(shù)字化管理系統(tǒng)。作為升船機(jī)船廂室段重要結(jié)構(gòu)的塔柱是安全管理的主要對(duì)象之一，因此需要建立一個(gè)仿真可視化平臺(tái)用于運(yùn)行維護(hù)階段的安全管理。

仿真模型的建立是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在水工結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)智慧化模擬的主要內(nèi)容之一，仿真模型一般由可視化平臺(tái)、計(jì)算數(shù)據(jù)和算法實(shí)現(xiàn)。一方面，受限于傳統(tǒng)的分析研究模式，計(jì)算數(shù)據(jù)主要以文字總結(jié)報(bào)告及圖表形式留存，后續(xù)的分析研究也基本停留在結(jié)論層面，產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果等過(guò)程數(shù)據(jù)無(wú)法被信息系統(tǒng)獲取利用；另一方面，受限于分析軟件C/S 端架構(gòu)，計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化僅能在本地進(jìn)行，分析軟件提供的有限接口也限制了進(jìn)一步的功能開(kāi)發(fā)。因此，水利水電工程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型亟須實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的信息系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行輔助分析及展示[8-10]。目前主流的無(wú)插件 Web 端三維輕量化展示技術(shù)主要有 2 種：一種是使用 WebGL（Web 圖形庫(kù)）技術(shù)，通過(guò)瀏覽器調(diào)用客戶(hù)端顯卡資源進(jìn)行渲染；另一種是基于云渲染技術(shù)，在服務(wù)器端進(jìn)行三維場(chǎng)景渲染后推送到用戶(hù)瀏覽器中，此種方式對(duì)服務(wù)器的性能要求較高，普通網(wǎng)站服務(wù)器無(wú)法同時(shí)處理大量用戶(hù)的訪問(wèn)需求。平臺(tái)用戶(hù)為專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，故采用可滿(mǎn)足較高并發(fā)訪問(wèn)量的 WebGL 技術(shù)。

目前，針對(duì)網(wǎng)頁(yè)端有限元仿真可視化平臺(tái)的研究還較少，李錦鐘[11]研究了基于有限元軟件（OpenSEES）的工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)可視化平臺(tái)，支持二維單元模型在 Web 端以云圖的方式進(jìn)行可視化展示；周秋景等[12]提取了有限元計(jì)算的結(jié)果，作為混凝土壩在線(xiàn)監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)的分析數(shù)據(jù)；葉復(fù)萌等[13]研發(fā)了蓄能電站群安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了有限元計(jì)算模型的實(shí)時(shí)在線(xiàn)反演分析，前端效果采用 BIMFace 系統(tǒng)進(jìn)行可視化展示；李明偉等[14]研發(fā)了基于 C/S 端的船閘安全智慧管理系統(tǒng)，將 Ansys 軟件窗口嵌入客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)有限元仿真結(jié)果的可視化。

安全分析評(píng)估系統(tǒng)要求具備三維仿真成果的可視化展示能力，這是實(shí)現(xiàn)水利工程運(yùn)維數(shù)字化的主要工作內(nèi)容之一[15]，也是后續(xù)利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度智能化運(yùn)維目標(biāo)的基礎(chǔ)技術(shù)條件。本研究依托某升船機(jī)工程，研發(fā)了一個(gè)結(jié)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)，選用能夠跨平臺(tái)、免插件且具有高性能渲染能力的 WebGL 技術(shù)，通過(guò)接入結(jié)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)將有限元仿真計(jì)算成果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，支持云圖顯示及剖切功能、變形動(dòng)畫(huà)顯示、工況組合計(jì)算、監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)比等，為運(yùn)維過(guò)程中安全技術(shù)人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)提供可視化數(shù)據(jù)支撐。

1 模型重繪

1.1 數(shù)據(jù)輕量化

獲取有限元軟件中的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)體單元依序編制序號(hào)i，對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以序號(hào)j表示，組合形成單元集合E和單元網(wǎng)格類(lèi)型集合U，以Ei表示該實(shí)體單元詳細(xì)信息，主要有單元類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)信息等，以對(duì)象Ui表示單元類(lèi)型。將所有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出為集合N，集合中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按照節(jié)點(diǎn)依序編號(hào)，Ei所包含的節(jié)點(diǎn)索引號(hào)可組成數(shù)組Ii，具體可表達(dá)為

進(jìn)一步根據(jù)單元網(wǎng)格類(lèi)型和節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)該實(shí)體單元幾何模型進(jìn)行繪制，可以將表面信息解析為數(shù)組。有限元計(jì)算模型中通常采用多種單元類(lèi)型，常見(jiàn)的八節(jié)點(diǎn)六面體、六節(jié)點(diǎn)五面體實(shí)體單元組成及單元所含節(jié)點(diǎn)數(shù)組結(jié)構(gòu)如圖1 和 2 所示。

圖1 八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元

圖2 六節(jié)點(diǎn)五面體實(shí)體單元

有限元計(jì)算模型可視化技術(shù)主要有統(tǒng)計(jì)圖表、網(wǎng)格體表面和全量繪制 3 種數(shù)據(jù)表達(dá)方式，由于網(wǎng)格體全量繪制需要調(diào)用后臺(tái)的大量計(jì)算數(shù)據(jù)，在前端需要對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算重繪，在 Web 端渲染模型和表達(dá)數(shù)據(jù)將耗費(fèi)大量軟硬件資源。因此，采用繪制網(wǎng)格體表面數(shù)據(jù)的方式輕量化表達(dá)三維模型和計(jì)算數(shù)據(jù)，占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量少，渲染速度快，而且三維模型為實(shí)時(shí)繪制，便于進(jìn)行模型實(shí)時(shí)交互操作。

網(wǎng)格體表面繪制方法須將體數(shù)據(jù)解析為表面數(shù)據(jù)，從而輕量化表達(dá)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)分析，數(shù)據(jù)輕量化算法流程如下：1） 分析所有實(shí)體單元的單元類(lèi)型，根據(jù)不同的單元類(lèi)型，解析得到單元詳細(xì)信息；2） 比較所有單元的表面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，去除重復(fù)的節(jié)點(diǎn)索引號(hào)組合；3） 根據(jù)重構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，去除所有內(nèi)部的單元；4） 按照建筑幾何結(jié)構(gòu)分割實(shí)體單元集合；5） 對(duì)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)所有單元包含的表面節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行重新編號(hào)，并重構(gòu)每個(gè)單元的表面結(jié)構(gòu)數(shù)組。

1.2 WebGL 渲染技術(shù)

解析有限元計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)，從而可在有限元計(jì)算數(shù)據(jù)的幾何模型表面繪制云圖，并動(dòng)畫(huà)顯示形變動(dòng)效。將應(yīng)力或位移數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，設(shè)置顏色梯度，按照數(shù)值范圍處理每個(gè)節(jié)點(diǎn)的顏色值。

WebGL 是基于三角面片渲染三維模型的，首先，通過(guò)頂點(diǎn)著色器處理每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，頂點(diǎn)著色器通過(guò)坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)模型的選中、平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作。然后，通過(guò)片元著色器處理每個(gè)三角面片的顏色，片元著色器逐片處理由頂點(diǎn)著色器傳遞來(lái)的顏色，并進(jìn)行光柵化處理。

2 可視化平臺(tái)研究

2.1 功能介紹

可視化平臺(tái)獲取有限元分析的前、后處理數(shù)據(jù)，將不同節(jié)點(diǎn)所在位置直接在 Web 端三維空間中重構(gòu)生成模型并進(jìn)行展示，各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠直觀地根據(jù)顏色深淺進(jìn)行表達(dá)?？梢暬脚_(tái)采用 B/S 架構(gòu)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) MySQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用數(shù)字孿生技術(shù)軟件 iTwin 進(jìn)行三維渲染，采用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言 TypeScript 進(jìn)行前端編寫(xiě)，數(shù)據(jù)處理成JSON 格式傳給前端，后端部分采用 JAVA 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。提取有限元分析數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和分析數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化建模，用云圖著色模式對(duì)節(jié)點(diǎn)及周邊平面進(jìn)行著色，同時(shí)設(shè)定色域范圍，從計(jì)算結(jié)果中劃分?jǐn)?shù)據(jù)的上下限范圍，以此制定顏色劃分機(jī)制，最終使用 WebGL 技術(shù)，在網(wǎng)頁(yè)端呈現(xiàn)三維的圖形化分析結(jié)果。

2.2 架構(gòu)圖

可視化平臺(tái)架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層3 個(gè)層次，具體架構(gòu)如圖3 所示。數(shù)據(jù)層和功能層介紹如下：

圖3 平臺(tái)架構(gòu)

1） 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是有限元可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，也是可視化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其中基本信息、網(wǎng)格幾何信息、荷載信息、位移數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2） 功能層。功能層是可視化平臺(tái)的主要組成部分，可對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和發(fā)布，為應(yīng)用層提供服務(wù)功能。主要功能如下：a.可視化渲染。是對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示的主要功能，可對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行解析，支持視圖調(diào)整和交互操作。b.數(shù)據(jù)預(yù)處理及管理。是有限元軟件與平臺(tái)間的轉(zhuǎn)換器，對(duì)多種不同文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并統(tǒng)一文件中的數(shù)據(jù)格式，用于平臺(tái)的前端加載及后端存儲(chǔ)，提供統(tǒng)一的入口維護(hù)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行管理。其中：工況管理功能是對(duì)平臺(tái)中可視化的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，利用組合工況功能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自定義在線(xiàn)計(jì)算的功能；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比功能是將實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化比對(duì)，通過(guò)2種數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的綜合性判斷。

2.3 數(shù)據(jù)流

將有限元分析計(jì)算所依賴(lài)的數(shù)據(jù)文件通過(guò)相應(yīng)的聚合加工，生成對(duì)應(yīng)的易于前端WebGL處理的JSON格式文件并存儲(chǔ)到對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器中，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)化的文件元數(shù)據(jù)。在應(yīng)用中根據(jù)場(chǎng)景提取相應(yīng)的元數(shù)據(jù)，再通過(guò)文件元數(shù)據(jù)檢索相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，返回給前端進(jìn)行渲染。數(shù)據(jù)流過(guò)程如圖4 所示。

圖4 可視化平臺(tái)數(shù)據(jù)流

2.4 接口定義

根據(jù)數(shù)據(jù)流，可視化平臺(tái)需要定義以下 3 種接口：1） 計(jì)算數(shù)據(jù)提取接口，將有限元中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)處理為 JSON 格式；2） 工況組合計(jì)算接口，將可視化平臺(tái)中的工況組合關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行前端配置，用于調(diào)用計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的組合及計(jì)算；3） 根據(jù)前端場(chǎng)景，返回對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果文件用于前端的數(shù)據(jù)展示。

2.5 結(jié)果展示

不同工況應(yīng)力、位移等有限元分析數(shù)據(jù)反映了結(jié)構(gòu)形變等物理特征，為直觀分析有限元分析數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，需要在三維模型上以云圖形式展示。目前實(shí)現(xiàn)云圖的算法主要有點(diǎn)和面 2 種填充法，點(diǎn)填充法比面填充法具有更高的精度。從有限元軟件中獲取計(jì)算結(jié)果，可得到升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型網(wǎng)格中所有應(yīng)力和位移點(diǎn)數(shù)據(jù)：針對(duì)節(jié)點(diǎn)荷載，采用矢量箭頭形式標(biāo)識(shí)應(yīng)力方向，箭線(xiàn)長(zhǎng)度按比例標(biāo)識(shí)應(yīng)力數(shù)值大小；針對(duì)面荷載，獲取有限元分析網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)集合，解析得到有限元分析表面數(shù)據(jù)集合，據(jù)此渲染面荷載數(shù)據(jù)；針對(duì)體荷載，比較得出所有點(diǎn)數(shù)據(jù)的極值，通過(guò)等值色階平滑過(guò)渡得到以不同顏色區(qū)分的云圖模型。

為更直觀地展示變形特征，可視化平臺(tái)提供變形動(dòng)畫(huà)功能。以初、末狀態(tài)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，利用插幀的形式顯示變形的中間狀態(tài)，組合后形成變形動(dòng)畫(huà)。中間狀態(tài)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)采用線(xiàn)性插值的方式進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)設(shè)置放大倍數(shù)直觀體現(xiàn)較小變形。

2.6 關(guān)鍵技術(shù)

2.6.1 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算數(shù)據(jù)利用腳本程序調(diào)用有限元軟件導(dǎo)出。腳本程序執(zhí)行流程如下：查詢(xún)單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)的最小值和最大值，通過(guò)極值遍歷所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)和單元，依次獲取單元和節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、單元-節(jié)點(diǎn)索引關(guān)系、單元材料和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為文本格式的數(shù)據(jù)文件。

通過(guò)有限元軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件根據(jù)原本軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，核心以計(jì)算節(jié)點(diǎn)—計(jì)算網(wǎng)格—計(jì)算數(shù)據(jù)的模式存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)文件主要依賴(lài)于有限元軟件的函數(shù)命令，無(wú)法直接轉(zhuǎn)化為三維圖形表達(dá)時(shí)所用的三角面片格式，因此需要將這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換改寫(xiě)為計(jì)算機(jī)圖形引擎能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指對(duì)原本的文本文件進(jìn)行解析，分離其中原本混雜存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格和計(jì)算數(shù)據(jù)，包含以下3 個(gè)處理過(guò)程：1） 利用數(shù)據(jù)文件中的分隔符號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分離，以數(shù)組的方式存儲(chǔ)，索引字段為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，便于后期數(shù)據(jù)定位。2） 對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。網(wǎng)格數(shù)據(jù)是將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)按一定的順序和數(shù)量進(jìn)行組合形成的數(shù)組，1 個(gè)網(wǎng)格由數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)及各自的外表面（四邊形或三角形）組成，每個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)內(nèi)部包含組成網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)編號(hào)集合，索引字段采用單元編號(hào)。3） 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)單獨(dú)以節(jié)點(diǎn)為索引進(jìn)行存儲(chǔ)，計(jì)算數(shù)據(jù)包含每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三向位移和應(yīng)力，用于控制此節(jié)點(diǎn)的顏色。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)可以識(shí)別有限元軟件的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，但繪制前還需進(jìn)行處理，即將內(nèi)部網(wǎng)格中包含的所有四邊形與三角形拆分成為 Mesh （三角面片網(wǎng)）。計(jì)算機(jī)內(nèi)部識(shí)別三維對(duì)象時(shí)均以 Mesh 的方式由顯卡進(jìn)行圖形處理，所有的四邊形與三角形都會(huì)被轉(zhuǎn)換為相連的三角面片，這一過(guò)程不被用戶(hù)感知，是由圖形引擎內(nèi)部自行操作的，因此開(kāi)發(fā)過(guò)程中只需將所有組成網(wǎng)格的面數(shù)據(jù)離散化傳入圖形繪制程序即可。

2.6.2 面片生成

由于計(jì)算模型中包含上百萬(wàn)個(gè)單元，因而面集合數(shù)據(jù)量達(dá)到千百萬(wàn)數(shù)量級(jí)，這些龐大的數(shù)據(jù)體量會(huì)造成內(nèi)存溢出，難以通過(guò) WebGL 技術(shù)在瀏覽器端進(jìn)行三維可視化表達(dá)。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型數(shù)據(jù)體量，可移除重合的面，僅保留外表面集合?？蛇M(jìn)一步將外表面計(jì)算模型網(wǎng)格單元按照材料類(lèi)型劃分為更小的集合體，通過(guò)表面計(jì)算模型數(shù)據(jù)分割、異步加載，優(yōu)化了計(jì)算模型渲染速度，避免了內(nèi)存溢出。表面計(jì)算模型數(shù)據(jù)處理流程如圖5 所示。

圖5 表面計(jì)算模型數(shù)據(jù)處理流程

2.6.3 剖面云圖分析

對(duì)于復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)，一般利用剖切功能在選定結(jié)構(gòu)位置生成剖面，剖面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)利用云圖形式進(jìn)行展示，剖面云圖詳細(xì)描繪建筑物內(nèi)部有限元分析網(wǎng)格單元的各類(lèi)結(jié)果數(shù)據(jù)，以便直觀分析建筑物形變、受荷情況。剖面云圖生成算法主要流程如下：1） 獲取剖切平面的法線(xiàn)和原點(diǎn)；2） 計(jì)算網(wǎng)格單元的棱線(xiàn)向量；3） 判斷網(wǎng)格單元中棱線(xiàn)是否與剖切平面相交，如果相交，利用網(wǎng)格單元與剖切平面求交點(diǎn)算法計(jì)算得到相應(yīng)的交點(diǎn)；4） 計(jì)算交點(diǎn)之間的排列順序，利用網(wǎng)格單元與剖切平面求交面算法生成凸截面；5） 根據(jù)計(jì)算所得的交點(diǎn)與棱線(xiàn)端點(diǎn)之間的比例關(guān)系，計(jì)算該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的有限元分析數(shù)值；6） 劃分顏色梯度區(qū)間，計(jì)算得到交面的頂點(diǎn)顏色值；7） 繪制每個(gè)網(wǎng)格單元與剖切平面的交面，展示剖面的云圖效果。

3 應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

3.1.1 計(jì)算基礎(chǔ)

某升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)采用通用有限元軟件 Ansys進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型中包含地基和塔柱筒體 2 種結(jié)構(gòu)模型，塔柱筒體上部的建筑結(jié)構(gòu)作為永久均布荷載施加在塔筒結(jié)構(gòu)中。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為 2 253 351 個(gè)，單元數(shù)為 633 604 個(gè)，以八節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，部分次要結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為六節(jié)點(diǎn)五面體。

塔柱結(jié)構(gòu)受到運(yùn)行過(guò)程中涉及的永久和可變及異常等作用在內(nèi)的自重、活、風(fēng)、溫度和事故等荷載共計(jì) 21 個(gè)單工況，并且通過(guò)荷載組合形成 16 種不同工況結(jié)果。

3.1.2 文件基礎(chǔ)

獲取有限元計(jì)算的前處理及計(jì)算結(jié)果等數(shù)據(jù)，不同有限元軟件涉及的數(shù)據(jù)格式和文件格式不一，但基本原理類(lèi)似。本研究在 Ansys 軟件中主要利用APDL（Ansys 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言）編制程序和 PyAnsys工具實(shí)現(xiàn)調(diào)用 Ansys 及其文件達(dá)到數(shù)據(jù)獲取的目的，主要數(shù)據(jù)如下：

1） 基本信息?；拘畔橛?jì)算前的配置信息，包含前處理過(guò)程中涉及的參數(shù)，包括材料名稱(chēng)、序號(hào)、密度、彈性模量、泊松比、初始溫度及線(xiàn)膨脹系數(shù)在內(nèi)的材料參數(shù)及單元類(lèi)型編號(hào)在內(nèi)的單元信息。

2） 荷載信息。前處理中各類(lèi)荷載按照主要作用方式，分為點(diǎn)荷載、面荷載、體荷載、約束及慣性荷載等信息，其中：點(diǎn)荷載中包含作用節(jié)點(diǎn)編號(hào)、類(lèi)型及數(shù)值，面荷載中包含作用節(jié)點(diǎn)編號(hào)和數(shù)值，體荷載中包含作用節(jié)點(diǎn)編號(hào)、數(shù)值，約束包含作用節(jié)點(diǎn)編號(hào)、約束類(lèi)型和數(shù)值等，慣性荷載包含全局坐標(biāo)系下X，Y，Z3 個(gè)方向上的慣性加速度矢量大小。

3） 網(wǎng)格幾何信息。主要包含模型的節(jié)點(diǎn)和單元等信息，節(jié)點(diǎn)信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、空間坐標(biāo)，單元信息包括單元編號(hào)、單元所含節(jié)點(diǎn)編號(hào)及相應(yīng)的連接順序。由于網(wǎng)格的連接方式主要受單元的影響，因此須對(duì)不同類(lèi)型的單元分別進(jìn)行處理。

4） 結(jié)果信息。有限元計(jì)算的結(jié)果信息主要包含節(jié)點(diǎn)解中的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照不同荷載分類(lèi)，位移數(shù)據(jù)包含節(jié)點(diǎn)編號(hào)及X，Y，Z3 個(gè)方向及合位移方向的位移值等數(shù)據(jù)，應(yīng)力數(shù)據(jù)包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以及X，Y，Z，XY，XZ，YZ方向上的應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

3.2 求解設(shè)置

求解設(shè)置主要包含材料與荷載展示，是計(jì)算前處理部分的可視化部分材料展示，包含材料名稱(chēng)、密度、彈性模量、泊松比、定義的參考溫度和線(xiàn)脹系數(shù)等材料信息，不同材料采用不同的顏色渲染方案，可以選擇特定材料進(jìn)行突出顯示，便于查看各材料結(jié)構(gòu)。荷載展示主要以云圖的方式顯示施加的面荷載及體荷載，節(jié)點(diǎn)荷載采用矢量箭頭的方式進(jìn)行顯示，支持單工況顯示，并附有相應(yīng)的荷載大小、作用梯度及方向等文字說(shuō)明，能夠較為直觀地說(shuō)明受荷情況。集中力下點(diǎn)荷載、均布面荷載及體荷載作用下的展示效果如圖6～8 所示。

圖6 集中力下點(diǎn)荷載顯示效果

圖7 均布面荷載顯示效果

圖8 溫度荷載作用下云圖顯示效果

3.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況展示是綜合展示計(jì)算結(jié)果的模塊，能夠顯示各項(xiàng)應(yīng)力或位移的云圖數(shù)據(jù)。選擇相應(yīng)工況的結(jié)果類(lèi)型，前端利用接口從存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，后端將數(shù)據(jù)生成 JSON 格式的文件傳給前端進(jìn)行顯示。結(jié)果類(lèi)型支持X，Y，Z方向上的位移，以及相應(yīng)的X，Y，Z，XY，YZ，XZ方向上的應(yīng)力?？梢暬脚_(tái)中塔柱結(jié)構(gòu)變形云圖效果如圖9 所示，原計(jì)算軟件變形云圖效果如圖10 所示，可以看出 2 種渲染效果基本一致。

圖9 平臺(tái)中塔柱結(jié)構(gòu)變形云圖效果

圖10 原計(jì)算軟件中塔柱結(jié)構(gòu)變形云圖效果

前端頁(yè)面中提供計(jì)算結(jié)果的文字說(shuō)明，包括該工況下當(dāng)前結(jié)構(gòu)類(lèi)型中的最大位移值，當(dāng)前選中結(jié)果類(lèi)型數(shù)據(jù)中的最大和最小應(yīng)力值，以及最大和最小位移值。

可視化平臺(tái)支持模型剖切功能，剖切后形成的切面利用結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成云圖進(jìn)行顯示，能夠?qū)φ麄€(gè)模型的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行查看及分析。模塊中可以將靜態(tài)云圖通過(guò)插幀算法進(jìn)一步渲染成變形動(dòng)畫(huà)進(jìn)行展示，相應(yīng)的變形倍率可以進(jìn)行人工設(shè)置，以便將微小的變形放大，突出顯示效果。

可視化平臺(tái)能夠?qū)ο嚓P(guān)工況進(jìn)行自定義組合，用戶(hù)通過(guò)前端對(duì)計(jì)算工況進(jìn)行相關(guān)配置，將單工況進(jìn)行自定義組合，形成組合工況計(jì)算數(shù)據(jù)，能夠更廣泛地拓寬整個(gè)計(jì)算的應(yīng)用范圍。

3.4 監(jiān)測(cè)對(duì)比

在某升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的上部和下部 2 個(gè)高程上，分別埋設(shè)有正垂線(xiàn)及倒垂線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器?？梢暬K中加入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比功能，將接入的測(cè)點(diǎn)與網(wǎng)格模型中的節(jié)點(diǎn)綁定，能夠較為直觀地展示監(jiān)測(cè)儀器所在位置，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以過(guò)程線(xiàn)圖的形式進(jìn)行展示。相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可視化平臺(tái)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增加了有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化對(duì)比。通過(guò)儀器埋設(shè)坐標(biāo)位置確定相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，通過(guò)調(diào)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，讀取所選擇工況下計(jì)算數(shù)據(jù)中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果數(shù)值，平臺(tái)中測(cè)點(diǎn)對(duì)比效果如圖11 所示，對(duì)比結(jié)果可用于展示計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖11 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比效果圖

通過(guò)以下對(duì)比，可以利用有限的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)推斷塔柱結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的變形情況：1） 數(shù)值對(duì)比。利用表格展示監(jiān)測(cè)及計(jì)算數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，并計(jì)算偏差率。2） 歷史數(shù)據(jù)對(duì)比。對(duì)比計(jì)算值和監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)，可研究分析影響塔柱結(jié)構(gòu)變形的主要環(huán)境因素。3） 根據(jù)塔柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將上下層測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)所形成的測(cè)點(diǎn)位置相連，形成水平位移線(xiàn)，定量展示塔柱的變形情況，有限元計(jì)算的結(jié)果也在圖中顯示，用于對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比效果如圖12 所示。安全管理人員可根據(jù)對(duì)比效果圖對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行評(píng)判，并基于預(yù)設(shè)荷載計(jì)算成果評(píng)估該工況下的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

圖12 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

研究的升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)仿真可視化平臺(tái)在某升船機(jī)數(shù)字化升級(jí)項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用效果良好，可提供可視化展示及接口服務(wù)，一方面滿(mǎn)足結(jié)果分析的可視化需求，另一方面接入相關(guān)數(shù)據(jù)用于擴(kuò)展應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性?？梢暬脚_(tái)功能適用于常見(jiàn)的水工結(jié)構(gòu)，可以作為工程數(shù)字孿生平臺(tái)中的仿真可視化引擎。

相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)，本研究具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1） 平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立于有限元計(jì)算軟件的運(yùn)行，不需要額外購(gòu)買(mǎi)軟件授權(quán)；2） 對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)和顯示技術(shù)進(jìn)行研究，將體模型優(yōu)化成表面模型，減少了三角面片的渲染量，渲染時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的 1/4；3） 通過(guò)研究剖面算法，實(shí)現(xiàn)Web端的剖面云圖生成。

目前僅對(duì)結(jié)構(gòu)靜力分析中的荷載可視化及云圖顯示進(jìn)行了研究，不能完全覆蓋水利水電工程中各種類(lèi)型的仿真分析，后期擬對(duì)流體計(jì)算中涉及的流線(xiàn)圖顯示和地震響應(yīng)計(jì)算過(guò)程中的變形展示進(jìn)行研究，擴(kuò)充結(jié)構(gòu)仿真可視化平臺(tái)在水利水電工程領(lǐng)域的適用性。