3D有限元分析（精选7篇）
3D有限元分析 篇1
摘要：针对FLAC3D在复杂工况下三维隧道动态开挖模拟中代码编写的困难, 研究了基于Python编程语言的数值模拟自动分析方法, 编写了分析代码自动生成程序, 实现了工程数据到分析代码的自动转换。研究了隧道开挖过程复杂工况下的开挖、支护和加固等不同工序中工程数据的表示方法, 利用Excel表格和AutoCAD文件定义和维护不同开挖阶段不同工序的地理位置信息和工程属性信息, 实现了对隧道开挖过程的时间、空间和工程属性信息的完整描述。相对于传统的FLAC3D分析方法, 本方法能较好地满足对复杂工况下隧道开挖模型进行分析的需要, 对不同工况和不同参数的快速分析比选具有较好的适应性, 利用该方法对内蒙古某隧道开挖工法进行分析, 证明了其可行性。
关键词：FLAC3D,数值分析,编程,隧道,自动分析
1引言
为了克服FLAC3D命令流驱动分析方法造成的不便, 国内外进行过大量的研究。在利用辅助工具简化FLAC3D处理分析方面取得了良好的效果, 基于ADINA、Ansys、Surpack、Tettra等建模工具, 研究得出了多种建立FLAC3D复杂模型的方法[1,2]。这些研究和尝试, 采用了不同的工具和方法, 可以辅助具有不同软件使用背景的工程技术人员方便快速地建立数值模型, 进行模拟分析, 对简化FLAC3D的前处理, 有效缩短了建模时间。同时, 由于FLAC3D支持调用脚本文件执行分析过程, 因此可以利用Fortran、Visual Basic和VC++等编程工具, 生成FLAC3D脚本文件, 进行前处理建模或过程分析。
本文针对复杂工况下隧道三维动态开挖过程的自动化方法进行探索和研究, 利用Excel和AutoCAD管理隧道开挖工程数据, 利用Python动态编程语言建立分析代码自动生成程序, 实现工程数据的自动导入和提取和分析代码的自动生成, 并调用FLAC3D自动进行数值分析。
2隧道开挖模拟自动分析方法
2.1 FLAC3D中自带的fish语言存在的不足
FLAC3D中内嵌Fish语言以提高数值分析效率, Fish语言依赖于FLAC3D的宿主环境, 是一种功能强大的脚本语言, 可以在数值分析过程中, 加入循环、判断和转移等功能, 使得自动化处理成为可能, 但仍然存在一些不足: (1) 没有局部变量, 不支持命名空间, 无法实现模块化编程, 限制了针对特殊领域问题的第三方扩展库的开发。 (2) 第三方扩展库缺失, 使得处理大型复杂问题存在巨大的编程复杂度。 (3) 缺乏图形用户界面库, 难以建立形象直观的交互界面, 不能为用户提供统一标准的访问接口, 限制了其应用与开发。
2.2 FLAC3D隧道开挖模拟方法
隧道的施工过程可以分为开挖、支护和加固三部分[3], 模拟中存在的难点: (1) 隧道分部开挖中各工序在空间和时间上存在复杂对应关系, 给分析代码的编写造成了诸多不便[4]。 (2) Cable单元需要指定结构的起止坐标位置, 而shell单元则可以通过将结构体附着于指定的单元区域中[5]。
隧道施工中锚杆数量众多, 锚杆单元位置坐标的计算和提取比较困难, 代码编写工作量巨大。本文研究了利用组件对象模型 (COM) 技术访问AutoCAD的COM接口, 实现对AutoCAD的驱动控制, 从中自动提取锚杆位置坐标信息, 生成分析代码的方法。
2.3 隧道开挖过程分析
Ansys是功能强大的有限元分析软件, 利用Ansys进行前处理并将其转换为FLAC3D模型单元具有相当的意义。因此, 可以在前处理过程中, 根据工程施工需要, 对不同工序的作用范围进行区分, 导出并转换为FLAC3D中相应的组对象, 然后利用不同的组对象, 组合构成FLAC3D中。
3自动分析系统开发与实现
3.1 基本原理与功能
FLAC3D数值模拟自动分析方法基本原理是使用Excel定义工程数据, 利用AutoCAD绘制工程图纸, 利用COM对象和接口访问Excel和AutoCAD, 实现对程序驱动和属性提取的自动化。
利用高级编程语言, 对录入的工程信息进行预处理和科学计算, 生成满足分析需要的数据, 然后利用对象关联模型建立不同的对象之间的关系, 利用模板填充技术, 对工程数据进行渲染填充生成数值分析代码。
3.2 Python动态编程语言概述
Python语言是一种解释型面向对象高级动态编程语言, 由于具有清晰的语法和层次化的模块, 可以很方便地编写和扩展系统功能, 因此具有大量的第三方扩展库, 既可以利用语言本身的特性实现通用的编程需求, 又可以通过导入扩展库以清晰的逻辑、简洁的代码解决特定专业领域的问题。
隧道施工过程的自动分析, 主要包括数据模板的生成与维护、数据的自动导入与提取、数据的科学运算和代码的自动转换四个方面, 需要利用相应的编程环境和扩展模块, 组合利用相关技术予以实现。
运用PythonCOM基于对象的自动化驱动技术, 可以直接与Excel进行交互, 从Excel中提取数据并自动转换为Python内置的数据结构, 进行更深入的运算。
运用Excel中工作表定义各工序间空间对应关系, 表达不同开挖步骤信息。
运用Excel表格可表示加固参数和支护参数的属性值, 并利用动态编程语言的特性, 将Excel表示的二维平面数据, 表示为结构化的对象属性信息。
利用对象关系映射 (ORM) 技术, 快速建立不同对象之间的对应关系, 方便数据的调用与处理。
PythonCOM可以与AutoCAD进行交互, 从工程设计图纸中提取图形元素的属性信息, 并将其转换为Python中的二维数组形式的矩阵数据。
Numpy可对矩阵数据进行快速运算和处理, 采用C语言与Python主程序传递计算数据, 其计算速度相对于原生Python运算得到显著提高。
3.3 数据的定义与处理
为表征某一步隧道开挖时的三维对应关系, 需要准确地描述该步开挖过程中隧道各工序作用的区域。
(1) 本文采用Numpy数学运算库, 通过最简单的正规循环作业情况, 计算各步开挖中各工序空间位置属性的数值, 然后利用PythonCOM写入到Excel中, 自动生成工序信息属性模板, 并自动更新对应位置的关系, 只需要在此基础上进行少量修改, 就可以导入修改后的Excel文件生成数值分析代码。
(2) 通过COM接口访问图元对象, 提取出锚杆起止位置信息, 在隧道直线推进的分析过程中, 配合fish函数, 将沿着推进方向的起止坐标值设为变量, 在每一步的开挖中进行更新, 简化锚杆施工过程的模拟, 达到快速建立分析代码的目的。
(3) 采用Excel表格维护工程信息, 并将二维表格数据转换为层次对象结构, 建立不同表格之间的对应关系, 提取出需要的属性值。本文运用关系型数据库的设计理念和ORM的对象关系映射方法, 采用Excel表格定义和维护工程数据信息, 可以完备地表述开挖过程中的数据, 建立其相互的对应关系。
(4) 工程施工数据, 包括了隧道工程施工的时间、空间信息, 以及其工程属性信息, 所有信息组合起来, 构成了4D形式的的隧道工程三维动态开挖数据。每日隧道的施工台帐信息是这种形式的最好表示。本文利用该方式的启发, 以每次的开挖步数对应台帐中的日期, 以每次开挖中的三维进度信息对应隧道工程开挖过程中信息。
3.4 代码生成与实现
FLAC3D需通过代码进行工程分析, 因此每行代码中都包含了大量的工程信息, 对于开挖过程, 包含了更改模型类别, 调整单元属性, 设置结构单元。
Cheetah模板语言完全利用了Python语言的特性实现模板填充功能, 一个模板定义对应于一个Python语言中的模板对象, 字符串首先被转换为Python代码, 然后在内部进行变量替换和字符串拼接。
对于隧道同断面大小直线推进的情况, 利用Fish语言, 定义一个全局锚杆安设函数, 在程序中将锚杆安设的Y坐标位置起始位置和终止位置作为全局变量, 在每一步的开挖中, 通过从各工序数据信息中进行提取得到, 将从平面工程图中提取的锚杆位置信息写入到fish函数时, 在进行代码实际生成时, 更新全局变量, 然后调用函数进行锚杆安设和参数布置。
FLAC3D中利用COM组件技术从AutoCAD文件或者AutoCAD运行实例中查找到代表锚杆的图形元素, 提取出锚杆的空间位置信息, 并将提取出来的信息, 绑定到内部变量values中。
在代码生成界面中, 可调用FLAC执行或保存为脚本文件, 最大限度地保留目标代码的语法结构, 与利用编程语言进行字符拼接来生成目标代码的方法相比, 形式上更简洁, 逻辑上更直观, 方便模板编写和错误调试。通过修改模板, 可以生成相应的前处理和后分析代码, 提供了更大灵活性。
3.5 系统应用与分析
内蒙古某隧道全长3217m, 在某一里程处下穿煤矿办公楼和变电所, 为分析下穿过程施工对围岩扰动的影响, 利用自动分析程序生成了三组分析代码, 对循环进尺为1m工况进行分析。隧道采用台阶法施工, 模型采用Ansys进行建模, 本模型宽为160m, 高为80m。对构成隧道的网格区域进行加密, 隧道区域宽40m, 高30m, 通过对上台阶、下台阶、上台阶开挖区域、下台阶开挖区域、初期支护区域、二次支护区域设置不同的属性值, 在系统转换时自动将其转换为FLAC3D中的组对象, 利用程序建立了组对象与区域对象的关系, 以及区域对象和各工序之间的关系, 对各步开挖中不同工序的作用区域进行精确定义, 避免其相互影响。图1某隧道区域FLAC3D模型, 图2是隧道开挖中锚杆支护的实现, 图3是上台阶初支后竖向位移图。
4结论
(1) 针对FLAC3D脚本驱动的分析方式, 利用Python高级编程语言及第三方扩展库, 实现了三维隧道开挖模型的自动分析。利用COM组件对象模型技术, 从Excel和AutoCAD等软件中自动导入和提取数据, 利用模板引擎技术对工程数据进行填充, 简洁高效地生成分析代码, 缩短了程序开发周期, 提高了代码生成效率, 实现了工程数据和分析代码的统一, 方便了数据的管理和代码的维护。
(2) 利用Excel和AutoCAD对数值分析中的数据进行采集和管理, 充分利用了已有的工程数据, 无需二次学习, 方便了工程技术人员的使用。对工程分析中的参数进行改动后, 利用程序可实时生成分析代码, 可对不同工况和不同参数进行快速地分析与比选, 有利于选择最优方案。利用在同一工程中对同一参数的不同取值进行分析, 比较其对于最终分析结果的影响程度, 利于更好地评估不同因素的影响。
(3) 利用建模软件进行前处理建模, 根据工程施工需要对不同工序的作用范围进行划分, 转换为FLAC3D中的组对象, 并通过其组合确定不同施工工序的作用区域, 实现对不同开挖工法中不同工序过程的分析。
参考文献
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3D有限元分析 篇2
汽车车轮承受来自车辆的负载、驱动扭矩及行驶过程中所产生的多种不规则作用力,而轮辐是最终的承载零件。因此,要求轮辐具有高可靠性和高精度,另外还有精美的外观等要求。
重型钢制轮辐旋压条件复杂,在体积成形过程中易出现断裂、起皱等现象[1,2]。传统的轮辐成形工艺研究方法“试错法”凭借经验确定成形工艺参数,存在盲目性大、研发周期长、实验费用高等弊端。本文对重型钢制轮辐结构进行分析研究,提出采用错距旋压的方式来加工轮辐,建立有限元模型对旋压过程进行仿真模拟,可有效提高产品质量、缩短产品研发周期,为新产品的开发提供技术保障。
1 轮辐结构分析
轮辐旋压过程可分成2部分,曲母线段旋压部分和直母线段旋压部分,如图1所示。
(1)曲母线段部分
在轮辐曲母线段部分的加工成形过程中,毛坯形状发生了较大的变化,从平板变化为类似锥形件,并且半锥角不是按照由大到小的规律变化;壁厚从顶部到底部逐渐变薄,即从14mm到7mm。所以成形过程中应力应变、旋压力和旋压角都随着母线的变化而改变,并且金属材料的流动规律和变形机理非常复杂。将轮辐曲母线段离散成一系列小曲线段,利用线性逼近的思想,用小直线段替代小曲线段,则曲母线段旋压可看作无数个锥形段旋压的集合,总体上符合锥形件强力旋压,其变形规律遵循正旋规律。
(2)直母线段部分
旋压直母线段的过程是遵循筒形旋压件旋压规律,应按筒形旋压件的要求进行旋压。
2 错距旋压
错距旋压采用两个或三个旋轮并使其布置于不同的平面内,即沿着轴向旋轮彼此相隔一定距离,是各个旋轮承担各自规定的工作量[3],如图2所示。具有工件成形进度高,加工效率高等优点。
采用由两个旋轮组成的错距旋压加工轮辐,如图3所示。其中一个旋轮来改变毛坯的形状,为普通旋压;另一个保证轮辐的表面质量,改变壁厚,为强力旋压。旋压工序由过去的多道改为一道,即复合旋压。复合旋压工艺将两种不同的旋压成形方式组合起来使用,利用了其各自的特点,普通旋压改变形状,强力旋压控制壁厚,避免了最后一道旋压单纯采用普通旋压带来的精度不足的问题,毛坯的精度也可以达到强力旋压所能达到的精度。由多道工序变为一道,所以旋压时间缩短,生产效率显著提高。
3 旋压过程模拟
3.1 轮辐模型的前处理
首先在三维造型软件UG中建模,然后将生成的STL格式的文件导入DEFORM-3D软件。选取毛坯材料为Q235,毛坯的单元类型为四节点四边形单元,毛坯划分为2299个节点,7459个单元。同时定义芯模、旋轮和尾顶为刚性体。将毛坯与芯模间摩擦因数设定为1,即毛坯与芯模无相对运动,与尾顶的设置也是如此。毛坯和旋轮之间的摩擦因数设为0.15。
3.2 运动设置
在实际加工中,旋轮、芯模和毛坯三者之间的绝对运动比较复杂。毛坯和芯模在主轴的带动下做旋转运动;旋轮沿曲母线轴向进给,同时绕自身轴心旋转,其模型上图3所示。
4 旋压模拟结果及分析
轮辐旋压成形模拟结果,从图4中可以看出,采用错距旋压可以完成轮辐成形。直线段旋压后留有较多的余量,则需要进行余量切除。曲母线段的弧形并不明显,这主要是因为网格的划分不够精细。如果要实现曲线段的完全成形,则对曲母线部分需进行网格再划分,但模拟时间会增加。
影响旋压成形质量的工艺参数有很多,主要有旋轮进给速度、主轴转速、旋轮圆角半径等[4,5]。在实际生产中,为了提高生产率,进给速度应尽可能取大一些。进给速度对旋压加工过程影响很大,与零件的尺寸精度、表面光洁度、旋压力的大小和毛坯的减薄率都有密切的关系;主轴转速对旋压成形的影响较小,但是合理的转速会提高工件表面光洁度;旋轮圆角半径也是旋轮的重要参数,过大易引起隆起,降低工件表面质量,过小则容易产生扩径。
旋压力是旋压成形工艺的一个重要参数。旋压过程中,在工件变形区与旋压轮的接触点上会产生一定的旋压力,将旋压力分解为互相垂直的3个分力[6],其中径向分力,其作用方向是垂直于工件的旋转轴线;轴向分力,其作用方向是平行芯模的轴线;切向分力,其方向是与工件圆周相切。旋压力的大小与工艺参数的选取有着很大的关系。旋压力决定了旋压机床的负荷大小,对旋压工件的工艺设计和数控机床的选取具有指导作用。
旋压温度设为常温20℃,主轴转速分别为(400、435、475)r/min,旋轮进给率(0.6、0.72、0.84、0.92)r/mm,选择不同主轴转速和旋轮进给率的组合,进行有限元数值模拟,在每次模拟中,其他参数保持不变。
从图5中可以看出,旋压力随着旋轮进给速度和主轴转速的增加而增大,但主轴转速影响相对较小。旋轮进给速度越大,旋轮每转之间的间隔也越大,变形区也就越大,则要更大的旋压力使变形区金属向工件轴向方向流动,发生塑性变形。主轴转速增加,单位时间内变形区增加,则旋压力增加。
采用各组不同工艺参数进行模拟后,根据工件旋压后的质量选取一组较优数值(旋轮进给速率为0.6mm/r,主轴转速400r/min)。再用这组优化的工艺参数进行模拟,得到新的模拟结果如图6所示,试验样品如图7所示。
5 旋压力变化
采用优化后的参数进行模拟,其旋压力情况如图8,图9和图10。随着旋轮的进给运动,各向旋压分力先是渐渐增大,然后增大到一定程度就在一定范围内变化。当旋轮进给到变形区某接触点时,旋压分力出现最大值,随后旋压分力渐渐变小。这主要是因为在变形过程中,材料的隆起和堆积逐渐增加,旋轮与变形区接触面积增大,使得旋轮的相对旋压量变大,当进行到一定程度后,材料的隆起和堆积程度又开始变小的原故。在旋压力的各个分力中,径向旋压力是主要作用力并且最大,和总旋压力大小相近,轴向旋压力和切向旋压力相近且比较小。整个旋压过程旋压力相对稳定,符合实际加工的要求。
6 结论
根据轮辐旋压的改进方案,利用线性逼近的思想处理曲母线旋压成形,并提出采用错距旋压的加工方式加工轮辐;应用DEFORM软件对轮辐旋压建立模型进行仿真。结果表明,当旋压进给量为0.6mm/r和主轴进给速度为400r/min时,旋压力较小且稳定,旋压件的质量较好。同时证明曲母线形件的旋压加工可采用错距旋压的方式来完成。
参考文献
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3D有限元分析 篇3
1 3D试验频道
3D电视试验频道的节目信号以高清帧兼容的格式, 通过卫星覆盖到全国各地, 面向数字有线电视网前段进行接收, 整个传输的过程采取加密方式, 通过有线电视的转播[1], 只要家中有高清机顶盒和3D电视机, 在家中就可以收看到免费的3D电视节目。
《中国3D电视试验频道》是由六家电视台负责不同的栏目板块, 整体涵盖了日常生活中的各方面内容。每个栏目各司其责, 每天负责规定的时间的首播时段, 电视台自己插播广告, 所获得的收益用来补充节目制作的费用。
通过3D试验频道网站上的一个小版块——3D热点调查上的两个调查所得数据可以看出3D电视长期以来所处的尴尬境地。对于当前中国3D电视试验频道的播出编排方面, 有45.6% 的受众表示目前收不到该频道, 27.2% 的受众表示内容不是很好, 没有我想看的内容, 14.2% 的受众表示家里没有3D电视, 无所谓节目好坏, 只有不到13% 的受众表示还不错, 我每天都会看一会儿。对于付费购买收看3D频道, 有47.9% 的受众表示普通电视还看不过来, 不会购买, 34.6% 的受众表示也许吧, 我可能会考虑一下是否购买, 17.5% 表示是的, 我是3D发烧友, 一定会购买该频道。这个板块推出至今, 两个调查问题的参与者分别是1 408名和1 475名, 针对我国收视群体和电视拥有量而言可谓寥寥无几。这些参与者首先是对3D电视抱有很大的兴趣才会去到网站上看到这个调查, 但是在这些参与者中真正有收看到节目的却也只是极少的一部分。
2微博看3D试验频道
3D试验频道在新浪微博上的中国3D电视试验频道官方微博, 从2011年12月25日开通微博至今共有3 075个粉丝, 发布了1 646条微博。微博的内容主要集中在节目预告、热门比赛, 或是节目、 电影电视推荐、有奖活动等几个方面, 其中直播或转播最新的体育赛事最能吸引粉丝的关注。
其中2012年6月14日发布的关于直播2012欧洲杯足球赛的微博就获得了较高的转发量和评论量。同年7月份发布的直播伦敦奥运会部分比赛项目以及开闭幕式的微博有非常多粉丝的互动, 一些粉丝在微博下留言表示出非常大的期待。2012年8月份奥运会期间, 3D试验频道全天24小时进行了伦敦奥运会的转播, 这个时期的中国3D电视试验频道官微上的粉丝活动数量相对而言比较多, 微博评论中有不少网友表示收看3D奥运赛事的视听感受非常好, 对3D电视表现出了非常大的兴趣。
但是除去相关奥运会的微博受到网友们的关注转发以外, 同一时间发布的其他内容的微博的转发评论则没有较多的网友关注。比如2012年6月14日发布的微博中除了欧洲杯的微博以外, 还有日常节目预告的微博, 但是这条微博只有1条转发量, 0条评论。而欧洲杯的微博则有则有21条转发量, 18条评论。根据统计显示, 除去少数一些高转发量高评论的微博以外, 其他微博基本维持在0 ~ 5的转发量和评论量。
观众和网友的喜好是维持3D频道走下去的重要组成部分, 3D试验频道所播放的节目大部分是养生类、风光类节目, 除去体育赛事的播出以外其他的播出内容并不是观众们感兴趣的节目。微博推出的节目预告等无法引起观众的兴趣, 微博的活动量低也就在所难免。
从2015年初起, 中国3D电视试验频道官方微博重振旗鼓, 微博保持每日更新, 并展开了有奖转发微博的活动来吸引观众, 尤其从4月份开始每日基本保持10条左右的发布量, 虽然网友的评论量依旧比较不乐观, 但是和网友的互动明显增多。从微博的活动量上可以看到中国3D电视试验频道有了新的生机。
3中国3D试验频道发展走向
3D试验频道从开播至今已经四年多的时间, 标志了我们国家3D电视紧随世界大的发展潮流, 在我国广播电视的发展史上具有里程碑的意义。从2011年的起步, 到2012年的迅速发展, 3D电视产业带给我们更多的是惊喜, 尽管在许多方面没有完善, 但是给观众带来了不一样的收视体验。3D试验频道一直在探索的过程中慢慢前进。经历了2012年伦敦奥运会的辉煌也经历了淘汰的危机, 如今3D电视没有被淘汰并一直坚持做好节目, 逐渐开始有了新的生机。
中国3D电视产业想要在未来有更好的发展空间, 各个方面的改变是不可少的。对管理部门而言, 应该明确3D产业标准。有了相关标准的制约, 3D电视产业才会更加规范, 形成产业链发展。加大法律法规政策的支持, 保障3D产业的合法权益, 在内容选材、广告投放、节目制作等方面增加政策的支持, 才可以保障3D电视的推广和普及。
摘要：在国际整体形势萧条的状况下, 国内3D频道同样面临尴尬的处境, 对其官方微博等研究数据统计分析后得出3D试验频道在开办以来发展曲线及观众对国内3D电视的态度变化, 通过深层次分析探讨国内3D产业运营及发展。
关键词：3D电视,中国3D电视试验频道,微博
参考文献
3D虚拟试衣软件的应用分析 篇4
1 3D咕咕试衣间
3D咕咕试衣间由北京华创振新科技发展有限公司开发, 目的是为了帮助用户解决网购衣服时无法试穿的问题, 是目前世界上首款可实现3D真人试穿的移动终端。
进入3D咕咕试衣间首页后, 用户可以在“形象”里选择与自己类似的发型, 并且根据自己的身高和身体各部位的尺寸调整模特的身材;挑选自己喜欢的衣服, 并让虚拟的自己试穿。
试穿一件宽松的衣服时, 此试衣软件呈现出的却是贴身正装的感觉, 无法体现宽松的效果。众所周知, 衣服的材质具有特殊性, 会随着身体结构的变化而变形, 但目前的技术尚未达到这个高度, 因此, 采用该软件的虚拟试衣效果一般。
此外, 当将模特身材调整至偏胖时, 除了单纯地将模特的身体宽度拉宽以外, 其他并未产生任何变化, 效果生硬、死板、不自然。该软件的初衷是为了解决消费者在网上购物时无法试穿的问题, 但试穿效果给人一种为了试衣而试衣的感觉, 这是该软件没有得到广泛应用的重要原因之一。
2 虚拟试衣间
虚拟试衣间是一款具有虚拟试衣和随意搭配服饰功能的软件, 其比3D咕咕试衣间多了“上传用户照片”的功能, 只要按照软件提供的标准姿势摆造型拍照, 如图1所示, 即可获得比较真实的试衣体验。
但是该软件只可平面展示, 无法360°查看。此外, 调整模特的胖、瘦时只能通过拉宽和拉长衣服来实现, 并没有达到应有的效果。
3 每日新款试衣间
与前两个试衣软件相比, 每日新款试衣间增加了换发型、拍写真、秀恩爱和晒宝贝等娱乐功能。其试衣方式是将模特人脸换成用户的脸, 并智能合成一个整体, 但人脸与模特衔接不自然, 效果一般。
4 结束语
综上所述, 现阶段, 3D试衣技术还处于初级阶段, 有待发展和推广。视觉是人体最重要的身体感知, 因此, 3D试衣的效果一定要尽可能逼真。如果试衣软件首页设置了可完全模拟用户身体尺寸的专属虚拟3D模型, 且购物网站可提供每件衣服在各种身材上呈现出的试穿效果, 即当用户选择了自己喜欢的衣服后, 系统会自动呈现逼真的上身效果图, 从而为用户提供可靠的、有参考价值的虚拟试衣画面, 则可充分发挥虚拟试衣的作用。
未来的世界一定是智能的世界, 3D虚拟试衣软件的功能一定会更加齐全, 为网络购物提供更加实用、便捷的服务。
摘要：人们在网上购物中总会买到一些模特穿着合适, 但自己穿着时尺码不合适的衣服, 进而引发一系列的换货、退货问题。在此情况下, 各种3D虚拟试衣软件诞生了, 目的是使消费者在网上购物时可虚拟试衣, 判断衣服是否适合自己后再购买, 还可帮助消费者搭配流行、时尚的服装。但这些软件没有得到很好的推广, 因此, 对阻碍虚拟试衣软件推广的因素进行了分析, 并阐述了该类软件的发展趋势。
关键词：网络购物,3D试衣软件,3D咕咕试衣间,网络商品
参考文献
[1]胡静.三维试衣的理论方法研究——网上购物顾客试衣系统的研究[D].上海:华东师范大学, 2002.
[2]高峰, 董兰芳.网上3D试衣系统技术研究[J].计算机仿真, 2006 (06) .
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3D动画的制作流程与技术分析 篇5
关键词：3D动画,定义,制作流程,3D技术,分析
近年来, 随着计算机软、硬件的不断发展, 动画领域在二维动画的基础上向三维动画升级。三维动画, 又称3D动画, 其在新兴3D动画技术的支持下顺利实现了动画行业的跨越性发展。因而, 了解3D动画技术及3D动画的制作流程, 这对于我国3D动画行业的发展意义重大。
1 3D动画的定义及3D动画技术的优势
3D动画是在平面二维动画的基础上发展而来, 借助三维动画软件在平面二维系中再加入一个方向向量, 进而构成一个新的空间系, 通过三维动画软件及技术在计算机中建立一个虚拟的三维世界。而后, 设计师根据动画剧本需求来建立符合对象形状尺寸的模型、场景, 设定模型的运动轨迹、其他动画参数等, 同时在对象模型上覆盖特定的材质, 并借助灯光辅照, 最终在计算机上完成自动运算以生成画面。
与传统动画技术相比, 3D动画技术表现出一定的优势, 主要包括: (1) 强大的操作功能, 许多镜头的展现是二维动画无法实现的; (2) 较强的可修改性; (3) 较强的模拟功能, 对于许多无法重现的特效可利用3D动画技术来模拟实现; (4) 真实、细致、自然的视觉效果, 动画布景、人物设计的制作过程中在3D动画技术的支持下能达到最佳的视觉审美; (5) 制作成本较低、周期较短, 3D动画是软硬件技术与人才技术的艺术, 其具有传统二维动画无法比拟的制作优势。
2 3D动画的制作流程与技术分析
2.1 创建模型
创建模型, 这是制作3D动画的第一个流程, 也可称为造型工作。在这一制作流程中设计师需要以故事为依据, 运用三维软件在计算机上进行三维立体模型的雕塑, 雕塑的过程就是创建模型的过程。一般常用的建模方法有2种, 一种是将动画的基本集合形体描绘出模型, 并利用工具制作出所需的形状, 最后运用相关方法将这些模型部件组合成一个完整的模型, 如此模型创建工作即完成。另一种是采用放样造型技术, 即先绘制出动画对象的二维轮廓, 从而得到形体骨架, 而后将几何形体放置在骨架上制作出所需的立体模型。
2.2 创建材质与贴图
通过第一个流程中创建的模型属于原始胎体, 其类似于瓷器烧制前的泥胎, 因而在3D动画制作的第二道程序中就需要对模型进行特定的“装饰”, 即创建材质与贴图。为了让已创建的模型更加符合动画对象的特性, 这就需要设计师根据故事中的对象属性选用适合的材料来表现物体的材质, 从而令物体的颜色、透明度、反光度等贴合物体的真实材质, 相当于为模型种植皮肤。而所谓的贴图, 其相当于给动画对象穿上合适的衣服, 设计师利用三维动画制作软件给模型的相应位置贴上对应的图像, 从而使制作出的模型外形更加酷似于真实物体。
2.3 创建灯光
灯光在3D动画制作过程中发挥着不可或缺的重要作用, 其不仅是照亮场景的主要光源, 而且还是营造与烘托场景基调、气氛的重要工具, 可见3D动画的整个图像外观设计离不开灯光的创建。所以, 3D动画制作的第三道程序就是创建灯光, 一般的场景灯光主要由自然光、人工光、自然与人工结合光3种类型来表现, 设计师在创建3D灯光时需要提前了解场景环境类型, 了解故事剧情中相关场景所需的环境类型, 进而确定主光、补充光、背景光, 把握场景的基调与气氛。在3D灯光创建中协调好三类光源的相互配合, 从而实现以主光源营造初步的场景效果, 以补充光来丰富、烘托场景的景深及真实效果, 以背景光令目标物体分离出背景。
2.4 动画设置
对于动画的控制, 实现动画“动起来”的变化状态, 在计算机动画制作中通过利用关键帧实现, 3D动画制作也是同一原理, 因而需要进行更为关键的一道程序, 即动画设置。所谓的动画设置, 实则是对场景及其物体设置关键帧, 将动画中动作或场景变化最大的一瞬间设置成关键帧, 之后由计算机来完成插值 (即完成关键帧之间的过渡) 。在三维动画制作软件中, 动画曲线 (横轴是帧, 竖轴是动画值) 是动画信息的表现形式, 动画设置中物体快慢移动、上下跳跃等状态都可以在动画曲线中看出。
2.5 渲染
在三维动画制作软件中要得到3D动画的动态画面, 这时就需要完成最后一道程序, 即渲染。渲染过程就是经过程序计算绘制完成动画的过程, 在这过程中需要设计师将场景中的所有信息输入计算机, 包括三维造型、材质贴图、灯光信息等, 将这些信息输入到既定的程序计算中, 进而最终得到动画绘制的结果。在完成渲染流程工作之后, 一部3D动画的制作就可以基本算是完成了。
3 结语
3D动画制作是对计算机动画的升级发展, 是技术与艺术紧密结合的产物。与平面二维动画制作相比, 3D动画制作仍然遵循着二维动画制作的相关法则, 不同的是3D动画提出了时间、空间的概念, 所以在制作过程中需要3D动画设计师具备一定的技术与艺术素质。中国3D动画的发展正处于探索阶段, 因而了解3D动画的制作流程, 掌握相关3D动画制作的软件应用、技术等, 这是我国3D动画产业人才需要不断努力的方向。
参考文献
[1]十字舵.3D动画设计师:用艺术与技术将梦境幻化成真[J].中国大学生就业, 2008 (21) :38-40.
3D有限元分析 篇6
关键词：DEFORM-3D,花键,冷滚压成形,有限元分析
0 引言
花键冷滚压成形作为一种无切削加工新工艺,是先进制造技术的组成部分,与传统的制造方法比较,具有节材显著、生产效率高、成形质量好等优点[1,2,3]。在花键冷滚压成形过程中,金属材料的塑性变形是很大的,在位移与应变的关系中存在几何非线性,在金属材料的本构关系中存在材料非线性,在模具与工件的接触中存在接触非线性。基于花键冷滚压成形过程的许多非线性特征,要获得精确解是很难的,而有限元法是目前进行非线性分析的最强有力工具,可以获得变形体应力、应变等场量的详细解[4]。
1 成形工艺
花键冷滚压成形原理如图1所示。采用一对参数相同的滚压轮分别安装在两根主轴上,在传动机构的驱动下同向同步旋转。工件以两端中心孔定位夹紧,始终与两滚压轮处于自由对滚状态。在滚压力的作用下,两个滚压轮径向进给挤压工件,产生摩擦力矩带动工件旋转,滚压轮克服工件材料的变形抗力,使工件坯料外圆产生塑性变形,同时逐渐挤入工件坯件中。随着挤入量的增加,工件坯料外圆部分的金属就相应凸起。凸起部分的金属在成形工具(滚压轮)与坯件接触而产生相互转动时,借助范成运动来形成齿形,在坯件表面上滚压出花键来[5,6]。该方法可实现齿形加工的连续、局部塑性成形,能解决成形时成形力高的问题。它加工出的花键有着塑性加工共同的特点,即尺寸精度高、表面质量好、生产率高、综合机械性能优。
2 刚塑性有限元法的理论基础
在金属塑性成形过程中,对于大多数体积成形的问题,弹性变形量远远小于非弹性变形量,往往可以忽略不计,在计算中可以将材料视为刚塑性材料。由金属塑性成形原理可知,变形体必须满足下列基本方程[7,8]:
(1)平衡微分方程:
σij,i=0 。 (1)
其中:σij,i为应力张量对坐标变量的偏微分。
(2)几何方程:
undefined。 (2)
其中:undefined为应变速率张量;ui,j、uj,i分别为位移分量和速度分量的偏微分。
(3)体积不可压缩条件:
undefined。 (3)
其中:undefined为体积应变速率。
(4)应力边界条件:
σijnj=Fi (在SF上) 。 (4)
其中:σij为应力张量;nj为已知力面SF上的单位法向矢量;Fi为已知力面SF上给定的外力分量。
Markov变分原理是刚塑性有限元的理论基础,在满足速度边界条件、几何方程和体积不可压缩条件的运动许可速度场ui中,真实解使泛函取极值:
undefined。 (5)
新的泛函是在式(5)中引入惩罚因子a,采用罚函数法处理体积不变条件得到:
undefined。 (6)
该新泛函的一阶变分方程为:
undefined。 (7)
其中:undefined为等效应力;undefined为等效应变速率;a为罚因子,一般情况下a=105～106;ui为已知位移面SU上的速度分量;δui为变分的任意性;undefined为等效应变速率的任意性;undefined为体积应变速率的任意性;undefined为体积应变速率。
方程(7)为有限元离散的基本方程,当δ∏=0时,可得到变形体内的真实速度场。
3 有限元模型的建立
3.1 模型简化与约定
花键在冷滚压过程中受到的载荷、边界条件及环境因素的影响非常复杂,在对计算精度影响不大的前提下,本文对有限元分析模型作了如下的约定:①忽略模具的弹性变形,假设滚压轮的材料为完全刚性体;②假设工件材料为各向同性,材料本构关系为刚塑性;③忽略工件自重及惯性力的影响;④假设工件与模具接触面之间的摩擦类型为常摩擦系数;⑤滚压过程中的温度保持室温不变。
3.2 造型及参数定义
在外部三维实体造型软件Pro/E中分别构造出模具和坯件的几何模型,并以“STL”标准接口导入DEFORM-3D中[9],如图2所示。
根据理论研究及实践经验,选取如下参数进行模拟:①定义环境温度为20℃恒定;②定义滚压轮为速度控制的刚体,并给定恒定的转速ω=3.6 rad/s,恒定的进给速度v=3 mm/s,滚压轮齿数Z=200,宽度W=35 mm;③定义坯件为塑性体,材料为AISI1045(相当于45钢),初始直径φ=25.25 mm,长度L=25 mm;④分析中采用剪切摩擦模型,将摩擦系数设定为μ=0.2。
3.3 有限元网格的划分
由于冷滚压花键是坯件表层金属局部塑性变形,所以很有必要对坯件进行网格局部细化,即在坯件表层细化处理。本文采用四节点四面体单元对坯件进行有限元离散,工件被离散为51 649个单元和11 542个节点。
4 模拟结果分析
4.1 花键成形模拟效果图
图3为花键冷滚压成形的有限元模拟效果图,可以看出该花键的齿廓清晰,成形效果良好。
4.2 成形过程分析
图4是花键滚压成形过程中不同阶段时的变形情况。从图4中可以看到,整个变形过程可以分为3个阶段。第一阶段(step-1至step34),从滚压轮刚与坯件表面接触到坯件在两滚轮间被旋转半周时,在其外表面上成形出规定参数花键齿数、齿距均相同的凸起和凹槽,以便在后续的滚压过程中滚压轮能准确导入坯件凹槽中实现进一步滚压;从增量步step34可以看出,在这一阶段内只是坯件表层的金属发生很微小的凹凸,可将这一阶段定义为分齿阶段。第二阶段(step35至step104),即工件旋转半周至滚轮进给行程达到最大值,此阶段内进给量持续增加,压缩量保持不变,在这一阶段内金属材料的变形愈发明显,随着齿形模具进给量的不断增大,材料不断流入齿槽,直至完全填充;从增量步step104看出材料已经完全填充模具,这一阶段可定义为齿形形成阶段。第三阶段(step104至step184),在这一阶段内滚压轮无进给量、无压缩量;从增量步step184可以看到,齿形得到了校正,表明此阶段对齿廓的精度与表面质量起到了关键作用,可定义为齿形精整阶段。
4.3 成形过程等效应力分布
本文选择第34步、第104步、第160步和第184步4个不同时刻进行等效应力分析,见图5。
从图5中可以看出,滚压的第一阶段的应力分布比较简单,随着滚压的深入,应力也逐渐向工件心部传递并趋于复杂。就滚压过程某一时刻来看,应力的最大值总是出现在工件与模具接触的两个对称位置,这体现了花键冷滚压成形的旋转对称性。在这两个位置,出现应力最大值的接触区的应力在小范围内向心部作辐射扩散,应力值逐渐减小,这是因为接触区的滚压力较大,材料已经完全屈服,滚压力比较容易渗透到工件内部导致小范围的辐射状应力分布,而在接触区附近的区域应力分布相当复杂,这主要是由于材料本身的刚性以及该处材料受模具约束的双重作用所引起的。
4.4 成形过程等效应变分布
图6是该花键成形过程中的等效应变分布图。
从图6中可以看出,工件是从非稳态到稳态的变形过程,滚压第一阶段工件与模具发生接触作用并产生纯滚动,模具的齿开始促使工件变形,变形由变形区迅速向心部扩展,这时的工件变形很不均匀,工件截面呈现非圆状态,经过前半周滚压后变形扩展范围并不大,该阶段即为分齿阶段,也是滚压过程的非稳态阶段;之后随着模具进给量的不断加大,花键齿逐渐成形,变形区逐渐向心部扩展,塑性应变呈现出有规律的环状分布,到稳态滚压的齿形精整阶段时,总体等效塑性应变的范围已经扩展到最大(在step184时)。整个变形过程中,工件材料产生剧烈流动的范围集中在工件表层,应变最大值总是出现在工件与模具接触的位置,而工件中心处几乎没有应变。这说明,在花键冷滚压成形过程中工件的变形主要发生在距离工件表面一定范围内,且呈现出明显的层状分布,工件中心处基本不产生变形。
5 结论
通过对花键冷滚压成形全过程的有限元模拟,实现了花键成形可视化,对模拟结果分析可以得到以下结论:
(1) 花键冷滚压成形的整个过程分为3个阶段,即分齿阶段、齿形形成阶段和齿形精整阶段。
(2)由成形过程等效应力分布可知,等效应力最大出现在滚压轮与工件接触的两个位置,并且关于两个接触区位置的连线基本上呈旋转对称分布,体现了花键冷滚压成形的旋转对称性。
(3)由成形过程等效应变分布可知,在花键滚压成形过程中工件的变形主要发生在距离工件表面一定范围内,工件中心处基本不产生变形。最大等效应变出现在滚压轮与工件接触处,即工件齿槽处。
参考文献
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[4]江树勇,孙金凤,赵立红,等.纵向内筋薄壁筒反向滚珠旋压的有限元分析[J].锻压技术,2009(8):35-38.
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[8]齐会萍,李永堂,付建华.螺纹冷滚压工艺力学分析及数值模拟[J].山西冶金,2008(2):9-12.
3D有限元分析 篇7
激光3D打印(也称为增材制造)技术是近二十年来制造技术的一项重大突破,其对制造业的影响力可以与二十世纪中期的数控机床相比。激光3D打印技术可直接快速制造复杂的功能零部件,在材料选择、设计自由度以及产品研发等方面具有很大的竞争优势,并能大大缩短加工周期,大幅减少制造准备和数据转换的时间,该技术随着近两年3D打印以及数字制造概念的迅速升温而越来越多的被市场所接受,相对于传统的材料切削成形,该技术所代表的增材制造方式是一种重大的创新,其本身也是应用数字化技术的产品创新。
目前,3D打印技术应用在国内发展很快,而目前国外设备价格高昂。因此,需要尽快完成设备的开发与技术储备,降低设备制造成本,这样在3D打印技术的应用大范围推广中占据主动,掌握先机。
影响激光选区熔化3D打印效果的因素很多,其中最主要的因素包括材料的成份、激光的功率、光斑直径,扫描的速度、路径、粉层厚度,工作环境中的氧含量、水含量,模型支撑的设置,铺粉的平整性与稳定性、举升机构的精度等。其中工作环境中的氧含量、水含量对成型的质量也是最重要的参数,本文也重点研究在3D打印过程中,工作环境的水含量和氧含量的参数分析和实现气氛保护的原理及结构。
1气氛技术指标及分析
(1)真空箱可达到极限真空为50Pa。
(2)抽气速率:从大气开始抽气,在≤15分钟内,达到极限真空。
(3)充气速率:在抽到极限真空后往工作腔内充氩气,工作腔内有金属粉末,充气过程过快会引起工作环境的金属粉尘飞溅,这样会对内部的执行机构和气体的循环再生系统造成损害,所以充气过程大约在20分钟。
(4)氧含量:在充完氩气的情况下氧含量在500PPM左右,然后在进行循环除氧大约一个半小时能达到10PPM能够满足烧结要求。
(5)水含量:在充完氩气的情况下水含量在80PPM,然后在进行循环除水大约一个半小时能达到10PPM能过满足烧结要求。
2设备构造
激光3D打印工作腔体采用密封真空腔体,同时腔体内设有循环净化除氧系统,采用可再生铜触媒与分子筛循环净化腔体中的氧气与水分,并通过传感器实时监测腔体中的氧与水分含量,由可编程控制器实时控制循环系统保证工作腔体中的氧含量小于10ppm。腔体中有精密运动机构,需要进行真空动密封设计。
(1)真空手套箱。真空手套箱分上下两室,上室为成型腔,下室为加工平台升降驱动室。上下两室胶圈密封,螺栓联接,两室外有道通相联保证两室气氛一致。
(2)成型腔(上室)。箱体材料为304不锈钢材质。前后开门,上盖可打开(螺栓联接,胶圈密封)。铺金属粉末,由伺服电机驱动导轨刮板对落料往复刮动;驱动电机由左侧引入,需要侧留有驱动部分矩形法兰安装口,并保证法兰端面与上室底部平面的垂直度公差不大于0.05mm。在上室两侧壁下方有循环气体通道,通道口装有除尘滤网,通道口为矩形口通过过渡接口转成KF40法兰,右侧与下室相联,左侧联接再生循环系统回气管道;上室底部开有一个250×250mm方孔用于安装成型平台导向筒;上室底部设计焊接一个内径Φ38管道,用于上室内各种电路走线(自上室引至下室后与下到右侧安装的引线法兰相接)并进行密封。
上室上盖:装有Φ150的石英玻璃用入激光的射入;上盖开有矩形口,用于安装落料仓(胶圈密封),另外上盖上需装有一只24V 50W照明灯。上室前门处装有两只丁基手套并设计可挂装手套的装置,前面有一个观察窗。
(3)成型平台升降驱动室(下室)。下室为垂直进给机构安置用途。自上室下方安装粉料回收斗并穿过下室侧壁与箱体外收集罐相联,304不锈钢材质。通过上端矩形法兰与上室相联,前后开门。右侧下方有8个KF40接口,其中3个为预留口,2个安装KF40四芯引线法兰,2个装有8芯航空插头,1个与循环系统进气管道相联。
(4)粉斗机构:分粉仓与下粉通道两部分。粉仓:仓盖可打开,仓盖上方有KF40法兰接口用于安装料罐(配有两个KF40真空球阀),仓体下方落料口为扁口通过矩形法兰安装在上室上盖。另仓盖上方有一KF40法兰通过管道与成型腔上盖相联使两室相通,可调节高度的支座用于支撑料仓。
下粉通道:安装于成型腔上盖下方。
3循环再生系统
(1)净化系统。净化柱1个,使用铜催化剂和分子筛,吸附饱和后用含氢的氮气或氩气再生,其中氢气含量为5%;低噪音、高效率日本松下循环风机,流量80m3/h;电气动控制的循环主阀,KF40标准接口;所有气路都由电磁阀控制,净化柱再生完全实现自动控制。
(2)控制系统。PLC控制系统及触摸屏式控制面板,实现以下功能:单键实现过渡舱多次抽充气操作,自动控制箱体压力,自动控制箱体气氛,箱体气氛自动报警,避免不安全操作损坏设备或破坏箱体内的气氛;脚踏开关,用来调节箱内的相对压力。
(3)水氧指标。H2O﹤10ppm,O2﹤10ppm(氧分析仪采用美国AII公司GPR1500型氧分析仪,测量范围0~1000ppm,精度0.2ppm。水分析仪采用美国Xentaur公司LPDT型水分析仪,测量范围20~100℃,精度2℃。)
4结论