基于精确Cosserat模型的柔性线缆物理特性建模与变形仿真技术

复杂机电产品中柔性线缆敷设时空间位姿和形态易发生变化,从而导致线缆在敷设过程中线缆取样信息不准确,严重影响线缆敷设效率.为此,提出一种基于精确Cosserat模型的柔性线缆物理特性建模与变形仿真方法.该方法针对线缆大变形特性,先建立线缆活动标架和线缆参数化模型,并分析线缆的空间演化过程;其次对线缆空间位姿和形态进行描述,综合考虑线缆的几何特性和物理特性建立了基于精确Cosserat模型的线缆物理特性模型,构建出柔性线缆的动力学平衡方程;最后对模型进行数值积分求解,模拟线缆在敷设过程中的变形过程.文中设计并开发了相应的柔性线缆布局仿真原型系统,并通过实例对文中方法进行了验证.

构架环形多道焊变形仿真与焊序选优

基于对焊接变形的产生机理分析,利用实体-壳单元混合模型,建立了转向架构架横梁组对环形多道焊变形仿真的有限元模型,以有效降低计算规模,并利用壳单元实现模型中实体与壳单元的连接.结合试验研究,利用3D双椭球模型,实现了焊接热源的校核,并通过提取和简化各层的平均热循环曲线,实现热源加载,以提高计算效率.在此基础上,对横梁组对环形多道焊不同焊接顺序下的变形进行计算,实现了面向变形控制的焊接顺序的选优.结果表明,采用的多道焊变形仿真建模与计算方法是可行的,能够满足工程仿真需求.

手术仿真中基于质点—弹簧模型的人体组织变形仿真

采用质点—弹簧建模方法提出了人体软组织面模型和体模型系统、程式化的计算模型建立方法。将连续的软组织离散为由弹簧/阻尼器及与其连接的质点构成的离散系统,用邻接表来表示离散系统的拓扑结构,即弹簧—质点间的邻接关系,依据该信息,可自动建立方程并计算与每个质点连接的弹簧、阻尼器对质点的粘弹性力的贡献,然后采用4阶Runge Kutta方法对得到的微分方程组进行数值积分。通过小肠模型(面模型)和规则块状软组织模型(体模型)2个实例介绍了采用所提出的方法实施软组织变形仿真的过程。

网络环境下人体器官的三维重建及变形仿真

背景:利用何种模型何种算法对不同器官组织进行变形仿真,既可保证逼真性又可兼顾实时性,目前的设计都是在单机系统上实现。目的:为了实现基于网络的人体器官的变形仿真及交互,设计以人体器官肾脏为例,利用CT图像,在VRML平台上实现器官模型的三维重建。方法:利用质点弹簧模型建立肾脏的物理模型,实现变形计算。最后通过VRML外部编程接口EAI和Java-Applet进行通信,实现器官模型在任意位置、任意外力作用下的变形模拟。结果与结论:在CT图像的基础上实现了人体器官肾脏的三维重建,并利用质点弹簧模型实现了人体器官肾脏的变形模拟。借助于JAVA和VRML的结合,实现了网络环境下肾脏的变形仿真,用户只需在网页界面中输入作用力的大小和作用位置点的序列,即可得到肾脏变形情况的场景。研究虽仅以简单的拉伸和挤压变形为例,其他变形亦可通过类似的方法实现。实验为人体器官的变形和虚拟手术系统的网络交互功能的实现提供了一种思路。

基于弹簧质点模型的织物变形仿真技术

讨论了一种基于弹簧质点模型的织物变形仿真技术,并提出了一种变形约束技术.在建立弹簧质点模型的基础上,通过受力分析得到织物变形的动力学方程,采用RungeKutta算法结合变形约束求解其方程,实现了织物变形仿真.用很少的运算时间取得了满意的仿真结果,证明了本弹簧质点模型的实时性.

纱线织物结构的变形仿真

根据文献描述,建立了纱线织物结构三维线圈模型。根据质点-弹簧模型原理,对原模型进行简化,建立三维线圈简化模型,对简化模型的相对误差进行了分析。基于简化模型设计VRML变形仿真程序,选择显式欧拉法对简化模型进行数值求解,实现对服装衣片上的某一质点施加一空间方向的力,对纱线织物结构受力变形情况进行了仿真。仿真结果真实反映了织物在受力状态下的变形情况。

铣削加工薄壁工件的变形仿真

以平板薄壁工件为研究对象,在Matlab平台实现其铣削加工过程的变形仿真。根据瞬时刚性力学模型将轴向铣刀离散化处理,得到微元的切削力,进而求得整个铣刀切削力,建立了铣削加工过程铣削力模型。利用理论计算和有限元分析方法,推导了平板薄壁工件有限元模型的变形控制方程。模拟了铣削过程中瞬态铣削力和变形量的相互作用,预测了工件在铣削力作用下的变形情况。通过实例验证了该仿真方法的可行性与有效性。

车用液力变矩器的变形仿真研究

为确保液力变矩器的使用安全,对液力变矩器(空壳)在同一离心力场下的不同油压作用进行了实际工况仿真和有限元分析,通过对实际车用液力变矩器空壳的试验测试,结果表明液力变矩器颈端(Hub)和柄端(Pilot)的轴向变形与油压呈线性关系,理论计算值与试验测试结果吻合较好。

一种用于软组织变形仿真的支撑球弹簧模型

基于经典的质点弹簧模型原理,提出一种用于软组织变形仿真的物理模型——支撑球弹簧模型。定义一系列具有质量、惯性以及体积特征的六自由度弹性支撑球,贴近软组织面模型下表面排布,支撑球之间由弹簧连接,共同构成软组织的支撑骨架来控制软组织的整体变形。软组织面模型的网格节点通过独立的弹簧与支撑骨架相连,当支撑骨架发生变形时将带动整个软组织发生变形。将此模型运用到角膜变形仿真中,获得了快速、稳定的变形效果,可进一步用于角膜虚拟手术。理论与实践均表明,该模型简单实用,效果良好。

旋印电解加工残余应力释放试验与变形仿真研究

针对薄壁机匣的加工需求,以机匣毛坯圆筒件为研究对象,进行了旋印电解加工过程中圆筒件残余应力释放再分布与变形试验研究。首先,进行了不同材料及毛坯制造工艺圆筒件旋印电解加工过程中残余应力释放规律试验,发现材料种类对圆筒件旋印电解加工残余应力释放影响不明显,而毛坯制造工艺影响明显;其次,研究了旋印电解加工凸台结构对圆筒件残余应力释放变形的影响,发现凸台结构的存在会使剩余残余应力相对增多、残余应力分布不均匀程度增大,导致圆筒件各处变形差异加剧。

超大型集装箱船舷侧结构焊接变形仿真与预测

近年来,随着船舶大型化的发展趋势,集装箱船舶的建造规模越来越大,针对大型集装箱船结构安全问题,国际船级社协会(IACS)成立专项工作组,针对船用高强度特厚钢板制定了一系列的统一要求,提出超大型集装箱船在设计和建造过程中应对舱口围、甲板结构的脆性裂纹止裂性能进行校核和确认。

大尺寸LTCC焊接组件热变形特性的仿真研究

为了研究不同封装条件对低温共烧陶瓷(LTCC)基板封装焊接后残余热应力的影响,该文针对不同温变载荷下LTCC基板的热应力变形进行了仿真计算和实验测试,结果显示仿真计算与实验测试结果具有较好的一致性,验证了数值仿真用于LTCC基板封装焊接后残余热应力仿真的可行性。在此基础上对零膨胀合金底板和硅铝合金封装条件下3种典型工作温度对应的LTCC基板的热应力进行了仿真计算。结果表明,封装焊接后LTCC基板两侧边缘应力集中,中间残余应力小,呈翘曲状态,采用硅铝合金封装焊接的热应力小于零膨胀合金封装。

基于变形有限元仿真的薄壁套筒加工参数优选

为了实现薄壁件加工中的最小形变,利用UG NX软件的有限元仿真模块,对薄壁件车削加工参数优选进行了研究。通过建立有限元仿真模型,分析某一加工瞬时薄壁件受力变形情况,并通过切削实验对比仿真结果,实验结果表明:仿真模拟数据与实际测量数据具有较高一致性。最后设计了基于有限元仿真模拟的正交实验,优选最佳切削参数组合。

基于模板驱动的大型舰船传动装置零部件加工仿真

针对大型舰船传动装置建模仿真问题,提出了“工艺模板驱动”的思想,将专家知识和设计经验进行软件固化。针对4类传动装置零部件的参数化建模、切削力热仿真及零件变形仿真三个环节,通过ANSYS APDL参数化建模语言和AdvantEdge软件,制定了针对性的设计规范,并据此总结了一系列工艺模板。当面对相似结构的零部件时,系统启用相应模板,将其实例化,并根据预设路径,驱动仿真流程的依次执行和数据传递,提升了设计流程的效率。以加工仿真集成框架为依托,使用C#和Winform开发了加工仿真集成平台,用户可在交互界面中对传动装置零部件的几何参数与工艺参数进行设置。仿真结果表明,提出的基于模板驱动的零部件加工仿真方案具有很好的可行性。

双通道力/触觉交互的虚拟肺手术仿真系统

如何设计出交互性好、逼真、高实时性的虚拟手术仿真系统是当前虚拟手术领域研究的热点,以一种新颖的基于物理意义的层状菱形链连接模型为基础,利用SenAble Technologies公司生产的PHANTOM OMNI交互设备,搭建了支撑双通道力/触觉交互的虚拟肺手术仿真系统。通过虚拟双手对正常肺组织与肺硬块在多点交互下的按压、拉拽等变形仿真,分析了该系统的应用情况和性能指标。实验结果表明,将该模型应用于虚拟手术研究中,系统能动态实时逼真地模拟软组织的变形过程,反馈的力/触觉信息真实稳定,为虚拟手术仿真的实用化探索出一条可行的道路。

腹腔镜手术中软组织按压仿真

精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精确度。为验证模型各方面性能,首先分别与有限元模型和真实软组织对比变形效果,然后记录力反馈输出与变形响应时间并与弹簧-质点模型比较,最后邀请受试者评分。实验结果表明,模型变形精度高,变形与力反馈输出响应时间均在20ms以下,且普遍低于弹簧-质点模型响应时间。在评分实验中本模型所模拟的3种软组织各指标均分分别为9.2、9.0和9.0,普遍高于其他模型均分。

基于质点-弹簧模型的布料仿真研究

运动微分方程的数值求解,是实现基于物理模型的织物仿真的技术关键。全面介绍了质点-弹簧模型的织物变形仿真技术,精确构建了织物的力学模型,并对几种不同的显性数值积分方法进行了详细比较,尤其是用RK-4方法对微分方程求解大大提高了解的稳定性。在此基础上,针对质点-弹簧模型在应用中存在过度拉伸的问题,指出了传统方法处理这个问题的缺陷,构造约束变形,合理解决了“超弹性”问题。此织物变形仿真技术已经应用于实际的织物动画仿真软件中,实践证明其仿真技术具有实用性和先进性。

织物仿真三维模型的建立方法

织物变形仿真是近年来计算机图形学的研究热点。对当前较为流行的仿真模型的建立方法分别从几何的、物理的和混合的 3个方面进行了综述 ,并在最后对 3种技术的优缺点进行了评价。

核电箱形结构焊接变形的模拟计算与分析

传统的体积收缩法能够快速计算焊接结构的变形分布,却不能分析焊接顺序对焊接变形的影响。本文基于体积收缩法,并通过改变焊缝单元焊接前后的弹性模量来反映其刚度的变化,实现分析焊接顺序对变形影响的目的。以核电箱形结构为例,利用壳单元建立了三维计算机模型,对其中的一面侧墙装配焊焊接过程中的焊接变形进行模拟计算,并分析了焊接顺序对其焊接变形的影响。研究表明,该方法能够快速地获得不同焊接顺序下结构的变形分布情况。模拟结果显示采用分段焊会减小变形量,与理论经验吻合。

应用于生物膜组织的虚拟手术仿真技术研究

生物膜组织的交互实时仿真是建立生物膜组织虚拟手术仿真环境的基础。针对生物膜组织的一些主要特征,结合虚拟眼手术仿真问题的研究,提出了一种基于弹簧质点模型的膜组织变形仿真建模,并特别考虑了碰撞检测和碰撞响应问题。对模型采用了准静态方法求解从而使变形仿真效果更稳定、真实感更强。所提出的方法被应用于眼角膜,较好地模拟了膜组织的基本特征。理论与实践均表明,该方法简单实用,效果较好。