Dirichlet自由变形方法及其在建立尺寸驱动人体模型中的应用

自由变形(Free-FormDeformation,FFD)是与物体表示无关的变形方法的重要分支,被广泛地应用于计算机动画和几何建模领域中。Dirichlet自由变形(DirichletFree-FormDeformation,DFFD)是众多自由变形方法中的一种。相比其它的自由变形方法,它有更大的灵活性,能够任意设置控制点。简要论述了各种Dirichlet自由变形方法及其扩展,同时提出了建立在非Sibson坐标系统上的Dirichlet自由变形方法,最后应用它们定义了一种可由身高、胸围等服装领域关心的尺寸和体形特征进行驱动的人体模型。

使用Dirichlet自由变形算法实现三维人脸及其变形

人脸是人类相互交流的重要渠道,是人类的喜、怒、哀、乐等复杂表情和语言的载体。因此,具有真实感的三维人脸模型的构造和变形是计算机图形学领域中一个研究热点。如何在三维人脸模型上产生具有真实感的人脸表情和动作,是其中的一个难点。文中介绍了一种基于Delaunay和Dirichlet/Voronoi图的Dirichlet自由变形算法(Dirichlet Free-Form De-formations,简称DFFD)解决这一问题。文中详细介绍了DFFD技术,并根据MPEG-4的脸部定义参数,应用DFFD对一般人脸进行变形。同时提出了在进行人脸变形时利用脸部定义参数FDP与脸部动画参数FAP分层次控制的方法,这种两级控制点控制的设置,使三维人脸模型产生光滑变形,由此可将人脸各种表情平滑准确地展现出来。

三维空间中的Dirichlet自由变形算法

自由变形是与物体表示无关的变形方法的重要分支,被广泛地应用于计算机动画和几何建模领域中。Dirichlet自由变形是众多自由变形方法中的一种,相比其他的自由变形方法,它有更大的灵活性,能够任意设置控制点。Dirichlet自由变形算法在二维空间已获得了广泛的应用,但在三维空间中的应用却非常少。该文研究Dirichlet自由变形算法在三维空间的实现问题,将Dirichlet自由变形算法应用到三维空间中的头像变形中,获得了较好的变形效果。

Dirichlet自由变形算法研究

文章介绍了一类广泛使用的变形技术:自由变形算法及其优缺点,各种扩展的自由变形算法,重点介绍了Dirichlet自由变形及其教学基础(Voronoi图和Sibson局部坐标),指出了进一步的研究方向。

高阶剪切变形理论下Pasternak地基上FG-CNTRC梁自由振动及屈曲分析

功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite,FG-CNTRC)作为新一代先进复合材料,因其优越的力学性能而被研究者们广泛关注。该研究以Pasternak地基上FG-CNTRC梁为研究对象,基于不同高阶剪切变形理论,将一种具有插值特性的无网格法——稳定移动克里金插值(stabilized moving Kriging interpolation,SMKI)应用于求解Pasternak地基上FG-CNTRC梁的自由振动及屈曲问题。基于稳定移动克里金插值和不同高阶剪切变形理论给出FG-CNTRC梁的位移场,利用Hamilton原理和最小势能原理分别推导了Pasternak地基上FG-CNTRC梁的自由振动和屈曲控制方程。采用MATLAB软件编制了相关程序,将该研究解与解析解或文献解对比,证明了该方法在计算Pasternak地基上FG-CNTRC梁自由振动与屈曲的有效性及准确性。最后,还讨论了不同高阶剪切变形理论、地基系数、碳纳米管体积分数等对其自振频率和屈曲临界荷载的影响。

基于自由变形技术的多投影颜色校正

为了解决多通道投影显示系统中各投影仪投影画面之间颜色不一致的问题,设计了一种基于自由变形技术的多投影颜色校正方法。首先,通过Bernstein基函数建立自由变形技术模型,建立各投影仪原始图像和摄像机拍摄图像之间的颜色转换关系;其次,采集原始图像集和摄像机拍摄的投影显示画面集,确定自由变形技术模型的参数;然后,通过Matlab分析验证投影图像各颜色通道之间是相互影响的;最后,对原始图像进行颜色扭曲,将本文颜色校正方法与传统方法进行直方图相似性评估对比。实验结果表明:对比广义颜色校正方法和基于B样条曲线的颜色校正方法,本文方法将投影画面的颜色强度平均差值在B通道减少了2.50,在G通道减少了2.34,在R通道减少了3.57,直方图的相关性提高了8.9%,巴氏距离降低了9.7%。基于自由变形技术的多投影颜色校正方法使投影画面衔接流畅,给用户带来更好的沉浸感受。

功能梯度多孔磁电弹板的等几何建模与自由振动分析

针对功能梯度多孔磁电弹(functional graded porous-magneto electro elastic,FGP-MEE)板结构,该文基于等几何分析法(isogeometric analysis,IGA),采用一阶剪切变形理论(first-order shear deformation theory,FSDT)建立了等几何数值分析模型。首先,根据修正幂律(modified power law,MPL)方法得到了具有4种不同孔隙分布形式(V_(u),V_(o),V_(x),V_(v))功能梯度多孔磁电弹结构的等效材料参数;然后,利用磁-电-弹耦合本构方程、哈密顿变分原理以及等几何分析方法推导了FGP-MEE板的控制方程,并通过与已有文献对比,验证了所建模型的有效性和准确性;最后,研究了孔隙系数、功能梯度指数、孔隙分布形式、结构的几何参数(宽厚比、长宽比)以及边界条件对FGP-MEE板自由振动的影响。研究结果表明,材料中孔隙分布形式、孔隙系数以及功能梯度指数的变化对FGP-MEE板的固有频率有较大影响,且在孔隙呈V_o型分布时板的固有频率最大。

爆炸下考虑钢梁翼缘变形的改进单自由度法

为解决爆炸下结构产生较大局部变形时采用等效单自由度方法计算结构整体位移会出现较大误差甚至错误的问题,在单自由度理论基础上,以工字型钢梁为研究对象,通过分析翼缘局部变形对钢梁整体位移的影响规律后,基于提出的钢梁截面简化变形模型对其弯曲抗力函数进行改进,提出钢梁抗爆分析的改进单自由度方法。通过有限元软件ABAQUS数值模拟不同爆炸工况下钢梁的动态位移响应与破坏特征,并与单自由度模型及改进单自由度模型的计算结果进行对比,研究了不同计算模型下钢梁的位移及破坏差异。结果表明:与有限元模拟结果相比,钢梁翼缘局部变形越大,单自由度模型计算结果偏小越严重,而改进单自由度模型计算结果较好,可以更好地适用于钢梁抗爆分析的位移简化计算。

基于自由变形的航空叶片模型快速修正

使用传统重构方法对航空叶片模型进行重构需要对叶片实际点云进行点云分割,曲面拼接等复杂操作,重构效率较低。针对此问题,提出了一种基于自由变形的航空叶片模型快速修正方法。首先,将叶片设计模型离散点云与叶片实际点云数据进行点云配准;其次,通过KD-tree计算叶片模型的特征点集与实际点云数据的误差,结合自由变形算法实现叶片设计模型局部或整体误差快速修正;最后,进行拓扑重构,完成叶片设计模型变形修正。实验结果表明,与传统方法重构的叶片设计模型相比,所提方法算法效率与重构精度得到显著提升,将重构精度提升至0.092 8 mm,并且算法运算效率为传统重构方法的7.231倍。

基于薄板样条径向基函数的复合材料层合板自由振动分析

基于复合材料层合板的三角剪切变形理论,推导了对称复合材料层合板的控制微分方程。利用基于薄板样条径向基函数的无网格配置方法离散的控制微分方程,预测了对称复合材料层合板的自由振动行为。计算了不同材料参数和层合板几何参数的固有频率,并与文献结果进行了比较。还研究了节点排布、模量比和边厚比对固有频率的影响。结果表明,本文结果与文献结果具有较好的一致性,节点数量越大,无量纲频率对网格分布越不敏感,固有频率随着边厚比和模量比的增加而增加。通过数值实验,证明了用薄板样条径向基函数离散的三角剪切变形理论对对称复合材料层合板的自由振动分析具有较高的数值精度和良好的收敛性。

考虑地基基础协同变形的超长自由曲面预应力混凝土薄壳结构一体化分析

常规设计中,上部结构和地基基础一般分开考虑,上部结构设计时,不考虑地基基础的变形,上部结构的支座假定为铰接或固接;地基基础设计时,不考虑上部结构的刚度,仅将支座反力作用于基础之上。但对于复杂的结构,若不考虑二者的协同变形作用,可能会导致结构存在安全隐患。以超长自由曲面预应力混凝土薄壳结构——第十届中国花卉博览会世纪馆为例,详细分析了考虑地基基础协同变形的一体化分析方法。结果表明:考虑地基基础协同变形的一体化分析方法,对于结构设计更加合理;温度作用下,不考虑地基基础协同变形,结构设计偏保守;与实测数据相比,考虑地基基础变形后,壳体竖向位移的理论计算值与实际监测值吻合更好;考虑地基基础协同变形一体化分析时,需合理确定桩刚度。

三维激光扫描仪自由设站法在施工期水工隧洞变形监测中的应用

针对施工期水工隧洞工况恶劣、环境复杂多变的特点,设计了一种三维激光扫描仪自由设站的监测方法,通过在隧道顶部设置固定不动的若干个靶球作为公共基准点,将每期扫描的点云都通过公共点配准到相同的坐标系统下,通过专业三维变形分析软件计算出隧洞在施工期的变形情况。该方法无需在隧洞中事先布设固定观测墩,极大降低了观测成本,且观测实施过程受到施工干扰小,通过实际案例论证,该应用能够有效提取施工期水工隧洞的三维形变。

三维自由弯曲过程中临界偏距对管材成形精度影响

三维自由弯曲成形过程中弯管处于少约束状态,弯管弯曲半径的大小及轴线形状取决于相应的弯曲模偏距值。为了准确成形出预设弯管的形状,提高弯管的自由弯曲成形精度,基于弯曲模临界偏距Ue建立了弯曲模偏距U和弯管弯曲半径R(U-R)关系数学模型。采用有限元模拟与实验相结合的方法,研究了不同摩擦系数及材料参数条件下临界偏距的演化规律及其对弯管成形精度的影响。研究结果表明:引入临界偏距的U-R关系拟合结果更加符合实验结果。随着摩擦系数的增加,弯管塑性变形程度增加,临界偏距的数值降低,弯管弯曲半径减小。相比于SS304不锈钢弯管,相同工艺参数下6061铝合金弯管的弯曲半径增大,临界偏距降低。

双参数弹性基功能梯度圆柱管自由振动的高阶梁理论解

基于高阶剪切变形梁理论,推导了Winkler-Pasternak弹性基径向功能梯度空心圆柱管自由振动行为的控制方程。该方法无须引入剪切修正系数,自动满足空心圆柱管内外表面剪应力自由边界条件。通过引入辅助函数,将关于挠度和转角的耦合控制方程化为单一高阶微分控制方程。给出了典型边界条件下功能梯度空心圆柱管的频率和振型。将计算结果与已有文献结果对比,验证了所提理论的精度。可以为工程中常见的Winkler-Pasternak弹性基梁结构提供更高精度的一维弹性理论解,研究结果表明,功能梯度材料的梯度参数和弹性地基刚度系数对固有频率值影响显著。与高阶固有频率相比,刚度系数对低阶固有频率的影响更加明显。

数据驱动的两级轴流涡轮多自由度气动优化设计

针对涡轮气动优化过程中设计变量多、评估耗时长、传统完全替代精确函数评估的代理模型辅助算法全局搜索性较差等问题,采用基于预筛选策略的代理模型辅助差分进化算法(Pre-SADE),并结合直接操纵自由变形方法 (DFFD)实现多自由度参数化控制,建立了基于数据驱动的多级涡轮三维气动优化平台。以某两级轴流涡轮为研究对象,选取44个设计变量开展流道-叶片排联合气动优化设计。结果表明:优化后涡轮设计点等熵效率提高1.10%,流量增加2.16%,落压比降低0.94%,激波强度降低,径向二次流得到抑制,内部流动损失减小。此外,涡轮设计转速全工况特性均有所改善。该平台在保证优化效果的同时,可大幅减少设计变量和真实评估次数,有效适用于多级涡轮、多自由度气动优化问题。

无额外自由度广义有限元扭曲网格仿真研究

研究了无额外自由度广义有限元方法在扭曲网格中仿真的健壮性。使用选择插值最小二乘方法构造的强化函数与额外自由度和网格无关。这使得此方法在避免了刚度阵奇异的同时,还拥有了对网格扭曲的鲁棒性。推导证明并展示了,无额外自由度广义有限元近似函数在扭曲网格中仍具有完美再生性。分别采用了规整和扭曲的网格对超弹性和亚弹-塑性两种材料进行了大变形仿真,在仿真中同时考虑了几何和材料的非线性,并将此方法同传统的线性有限元方法做了对比。三个典型仿真结果表明,所采用方法在扭曲网格中仍具有良好的准确性和收敛稳定性。

内水压作用下盾构隧道自由变形法力法推导和力学特性研究

基于自由变形法理论对内水压作用下的盾构隧道结构内力进行了力法推导,并将计算结果与整环足尺加载试验数据进行了对比验证,进一步研究了不同埋深以及不同内水压作用下隧道结构的力学特性。研究结果表明:非满管状态下隧道结构的弯矩随着内水压力的增加而增大,轴力略微减小;满管状态下,随着内水压力的增大,隧道结构弯矩基本保持不变,轴力大幅度减小;偏心距随着埋深的减小而大幅度增大,结构受力状态从压弯逐渐过渡为拉弯,对结构的承载以及裂缝控制极为不利,设计时要预留足够的安全储备。相关结论为类似工程计算提供了参考,具有一定的工程实用性。

基于自由曲面变形技术的离心压气机叶片优化设计

为提高离心压气机叶片优化设计的效率、灵活性以及精细化程度,提出基于自由曲面变形技术的离心压气机叶片优化设计。利用自由曲面变形技术结合具有局部特性的B样条基函数,构建B样条基自由曲面变形技术方法,并结合多目标DNSGA遗传算法计算流体动力学对离心压气机叶片进行了额定工况、常用工况下的气动性能寻优设计。优化结果表明,优化设计可有效改善流场结构以及气动性能,利用较少的设计变量实现了离心压气机复杂曲面叶片高效灵活的精细化设计。

全站仪自由设站法在基坑三维形变监测中的应用

针对传统基坑水平位移和竖向位移监测方法存在的作业烦琐、效率较低等弊端,采用徕卡TS15智能型全站仪自由设站法对其进行改善,实现基坑围护结构顶部水平和竖向位移的快速同步获取。通对自由设站法的原理及平差过程进行详细阐述,利用某建筑基坑项目进行实例应用,分析研究设站精度,并与传统监测方法获取的变形数据进行对比分析,结果表明:自由设站法设站点点位中误差在2mm左右,满足规范中点位中误差小于3mm的要求,与传统监测方法的差值相对较小,满足二等基坑监测规范精度要求;但当基坑监测等级为一级时,应采用测角精度为0.5"的高精度全站仪进行监测作业,确保监测数据满足规范精度要求。

第一单元——变形记

习作剖析“变形记”这个主题,看起来轻松、灵动、好驾驭,似乎只要自由想象就行。但实际并非如此,如果有几个“关节”把握不好,文章就会“立”不起来。第一个“关节”:为什么要变。世间事物千千万,变啥都可以。那你为什么选择变成蚂蚁不变成大象?为什么要变成玫瑰不变成牡丹?所以,简单交代变的原因,是需要的。