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河源東江大橋垮塌模擬的高真實感展示

轉載：陸新征課題組　 2019/6/21 22:00:00　 812

內容簡介：前幾天因為介紹宜賓地震的分析結果，這篇文章耽誤了幾天。橋梁事故調查往往需要科學和真實地再現事故過程，為事故原因分析提供參考依據。有限元分析結果可以保證事故過程模擬的科學性，而通過結合虛擬現實，可以進一步提升模擬的真實感。考慮到參與事故調查的還有大量非專業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領域的應用情......

前幾天因為介紹宜賓地震的分析結果，這篇文章耽誤了幾天。

橋梁事故調查往往需要科學和真實地再現事故過程，為事故原因分析提供參考依據。有限元分析結果可以保證事故過程模擬的科學性，而通過結合虛擬現實，可以進一步提升模擬的真實感。考慮到參與事故調查的還有大量非專業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領域的應用情況。本分析僅供科研使用，具體事故原因應根據實際情況由專業人員確定。

一、事故回顧

2019年6月14日凌晨2點12分19秒，廣東河源市源城區東江大橋發生中間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現，隨著模擬的進行，橋梁構件一個個都消失了。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構破壞的過程。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致模擬過程的真實感降低。如此一來，圖2的模擬結果肯定不能很好的滿足橋梁事故調查的需要，所以我們還需要設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。具體實現手段是當橋梁構件破壞失效后，將破壞失效的構件有限單元轉化成非連續碎塊模型（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構、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。從而實現結構-碎片運動過程的高效、真實感模擬。

利用上述技術，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果

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

圖5 虛擬現實（VR）視圖

相關成果可參閱：

[J1]Xu Z (許鎮), 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), 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), 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

橋梁倒塌事故發生后，調查單位希望可以科學和真實地再現事故過程，為事故原因分析提供參考依據。利用有限元模擬和可視化技術對橋梁倒塌進行場景再現，可以滿足橋梁事故調查模擬結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”方面的相關成果在國內一些重要橋梁倒塌事故分析中得到了成功應用。系統總結上述有關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.