一种基于物理引擎的型钢柱吊装碰撞仿真方法与流程

本发明涉及物理引擎，尤其涉及一种基于物理引擎的型钢柱吊装碰撞仿真方法。

背景技术：

1、物理引擎技术涉及对现实物理行为进行数字化建模、计算和仿真的相关内容，通常围绕刚体运动、柔体变形、碰撞检测、接触响应、约束求解、摩擦阻尼、动力学积分、空间坐标映射、质量属性配置、外力加载、边界条件约束等方面展开。

2、现有物理引擎技术领域通常围绕刚体运动、柔体变形、碰撞检测、接触响应、约束求解、摩擦阻尼、动力学积分和边界条件约束展开，实际运作中更偏向对物体位置、速度、质量、惯性、刚度、阻尼、接触法向量和穿透量进行通用化计算，碰撞对象之间的接触关系容易停留在几何检测和动力学响应层面，难以将工程构件的材料弹性模量、材料密度、屈服阈值、局部形变耗散能等参数纳入同一连续链路；在施工吊装场景中，若仅依据空间位置和穿透量触发接触响应，型钢柱接触脚手架局部杆件时，脚手架节点受力扩散范围可能被简化为固定邻域或整体响应，导致局部损伤传播、塑性折减、接触刚度变化难以精细表达。因此，需要进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于物理引擎的型钢柱吊装碰撞仿真方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种基于物理引擎的型钢柱吊装碰撞仿真方法，包括以下步骤：

3、根据提取的塔吊吊钩空间坐标与型钢柱动态包围盒轨迹，构建脚手架刚体节点群；

4、比对所述型钢柱动态包围盒轨迹与所述脚手架刚体节点群的边界坐标，得到几何穿透量；在判定所述几何穿透量大于零时，提取穿透区域关联的表面坐标数据与表面接触法向量，并根据所述表面坐标数据生成初始碰撞接触点坐标；

5、利用所述初始碰撞接触点坐标处的脚手架材料弹性模量与材料密度进行运算，计算出一维弹性应力波速；

6、提取自发生碰撞时刻至当前计算帧的累计碰撞时间参数，将所述一维弹性应力波速与所述累计碰撞时间参数进行运算，得到动态包络半径；

7、以所述初始碰撞接触点坐标为中心、所述动态包络半径为半径，构建空间扩展球体边界；

8、比对所述脚手架刚体节点群的空间坐标与所述空间扩展球体边界，将位于所述空间扩展球体边界内部的节点的状态标识位由零约束刚体数值变更为共旋节点数值，生成局部升维节点群；将位于所述空间扩展球体边界外部的节点的位移向量锁定为当前计算帧的边界常量；

9、结合所述局部升维节点群与所述边界常量，构建动态碰撞计算域。

10、较佳地，所述方法还包括：

11、计算所述局部升维节点群中各节点关联的梁单元形变应力张量；将所述梁单元形变应力张量与材料屈服阈值进行比对，在判定所述梁单元形变应力张量大于所述材料屈服阈值时，获取纯变形应变项；根据所述纯变形应变项对所述动态碰撞计算域的刚度矩阵进行更新，生成塑性折减刚度矩阵；根据所述纯变形应变项、所述塑性折减刚度矩阵与所述纯变形应变项的转置项，计算得到局部形变耗散能；

12、根据所述局部形变耗散能构建损伤劣化因子，利用所述损伤劣化因子对预设的初始接触刚度系数进行折减，得到等效接触刚度系数；提取所述初始碰撞接触点坐标处的型钢柱与所述脚手架刚体节点群的相对运动速度；结合所述几何穿透量、所述相对运动速度、所述等效接触刚度系数与预设的接触阻尼系数，计算出碰撞接触力幅值；将所述碰撞接触力幅值与所述表面接触法向量进行运算，生成碰撞接触力向量；将所述碰撞接触力向量作为外部激励项代入所述动态碰撞计算域的动力学平衡方程中进行求解，得到节点位移增量；将所述脚手架刚体节点群的初始空间坐标与所述节点位移增量进行更新，生成脚手架受损形变坐标；将所述脚手架受损形变坐标与当前计算帧的型钢柱空间位移参数映射至渲染参数寄存器中进行状态变更指令分发，得到型钢柱碰撞响应状态。

13、较佳地，所述一维弹性应力波速的获取步骤为：

14、调用塔吊吊钩空间坐标，逐帧读取型钢柱动态包围盒轨迹中的顶点坐标序列，将顶点坐标序列映射至统一空间坐标系，按照脚手架立杆节点、横杆节点和斜撑节点的空间位置关系写入固定约束项，对固定约束项标记的节点位移自由度进行锁定，对未锁定节点保留空间坐标索引，形成脚手架刚体节点群；

15、提取所述脚手架刚体节点群的边界坐标，逐帧比对所述型钢柱动态包围盒轨迹的外扩边界坐标和所述脚手架刚体节点群的边界坐标，计算各方向边界坐标的重叠距离，将重叠距离中满足正向侵入关系的数值确定为几何穿透量，在所述几何穿透量大于零时，锁定穿透区域关联的表面坐标数据，提取穿透区域关联的表面接触法向量，按照表面坐标数据的空间位置聚合中心生成初始碰撞接触点坐标；

16、检索所述初始碰撞接触点坐标对应的脚手架杆件编号，读取脚手架杆件编号绑定的脚手架材料弹性模量，读取脚手架杆件编号绑定的材料密度，将脚手架材料弹性模量作为被开方比值的分子，将材料密度作为被开方比值的分母，对脚手架材料弹性模量和材料密度的比值进行开平方运算，得到一维弹性应力波速。

17、较佳地，所述动态包络半径的获取步骤为：

18、读取发生碰撞时刻的帧序号，读取当前计算帧的帧序号，将当前计算帧的帧序号减去发生碰撞时刻的帧序号，按仿真帧间隔换算为累计碰撞时间参数，将所述一维弹性应力波速与累计碰撞时间参数进行乘积运算，得到动态包络半径。

19、较佳地，所述动态碰撞计算域的获取步骤为：

20、调用初始碰撞接触点坐标，将所述初始碰撞接触点坐标确定为空间球心坐标，将所述动态包络半径确定为空间球面外扩距离，按照脚手架刚体节点群所在空间坐标系，对空间球心坐标周围各方向的边界位置进行外扩标记，形成空间扩展球体边界；

21、根据所述空间扩展球体边界，逐一读取脚手架刚体节点群中每个节点的空间坐标，计算每个节点的空间坐标到空间球心坐标的距离，将距离小于或等于所述动态包络半径的节点状态标识位由零约束刚体数值变更为共旋节点数值，生成局部升维节点群，将距离大于所述动态包络半径的节点位移向量锁定为当前计算帧的边界常量，按照所述局部升维节点群的节点索引和所述边界常量的锁定索引建立计算边界，形成动态碰撞计算域。

22、较佳地，所述梁单元形变应力张量的获取步骤为：

23、逐一读取所述局部升维节点群中各节点的节点索引、节点空间坐标和节点连接关系，按照节点连接关系定位各节点关联的梁单元，提取梁单元两端节点在当前计算帧的空间坐标差值，计算梁单元轴向伸缩量、弯曲转角变化量、截面扭转变化量，将梁单元轴向伸缩量、弯曲转角变化量、截面扭转变化量分别映射至梁单元局部坐标方向，形成梁单元形变应力张量。

24、较佳地，所述局部形变耗散能的获取步骤为：

25、逐项读取所述梁单元形变应力张量中的轴向应力分量、弯曲应力分量和扭转应力分量，将各应力分量分别和材料屈服阈值进行比对，在任一应力分量大于材料屈服阈值时，读取所述局部升维节点群关联的位移矩阵，将位移矩阵中由整体平移和整体转动产生的矩阵分量标记为大位移分量，将位移矩阵中由梁单元伸缩、弯曲、扭转产生的矩阵分量标记为局部形变分量，从位移矩阵中剔除大位移分量并保留局部形变分量，得到纯变形应变项，根据所述纯变形应变项对应的屈服位置索引，对所述动态碰撞计算域的刚度矩阵中相同屈服位置索引的矩阵元素进行折减更新，生成塑性折减刚度矩阵；

26、读取所述纯变形应变项的行列序号，将所述纯变形应变项按照行列序号转置为纯变形应变项的转置项，将纯变形应变项、塑性折减刚度矩阵、纯变形应变项的转置项按照相同行列序号进行二次型乘积运算，提取所述动态碰撞计算域中每个梁单元对应的空间积分权重，将二次型乘积运算结果按空间积分权重逐项累加，得到局部形变耗散能。

27、较佳地，所述碰撞接触力向量的获取步骤为：

28、读取所述局部形变耗散能对应的梁单元编号、屈服位置索引和空间积分权重，按照梁单元编号匹配预设的初始接触刚度系数，将所述局部形变耗散能转换为损伤劣化因子，利用所述损伤劣化因子对预设的初始接触刚度系数进行折减，得到等效接触刚度系数，提取初始碰撞接触点坐标处的型钢柱速度向量和脚手架刚体节点群速度向量，计算型钢柱速度向量和脚手架刚体节点群速度向量的差值，得到相对运动速度，结合几何穿透量、相对运动速度、等效接触刚度系数、预设的接触阻尼系数，计算碰撞接触力幅值，将碰撞接触力幅值沿表面接触法向量方向展开，生成碰撞接触力向量。

29、较佳地，所述型钢柱碰撞响应状态的获取步骤为：

30、读取所述动态碰撞计算域中的局部升维节点群节点索引、边界常量的锁定索引、当前计算帧的时间步长，将所述碰撞接触力向量按照初始碰撞接触点坐标对应的节点索引写入外部激励项，将外部激励项代入所述动态碰撞计算域的动力学平衡方程，按当前计算帧的时间步长逐项求解局部升维节点群的节点位移变化量，得到节点位移增量，将脚手架刚体节点群的初始空间坐标按照相同节点索引叠加节点位移增量，生成脚手架受损形变坐标；

31、读取当前计算帧的型钢柱空间位移参数，将所述脚手架受损形变坐标按照脚手架刚体节点群的节点索引写入渲染参数寄存器，将当前计算帧的型钢柱空间位移参数按照型钢柱构件索引写入渲染参数寄存器，核对脚手架刚体节点群的节点索引和型钢柱构件索引的写入状态，在写入状态均完成时分发状态变更指令，将所述脚手架受损形变坐标对应的形变显示状态和当前计算帧的型钢柱空间位移参数对应的位移显示状态同步更新，得到型钢柱碰撞响应状态。

32、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

33、本发明中，通过塔吊吊钩空间坐标和型钢柱动态包围盒轨迹构建脚手架刚体节点群，并以边界坐标比对获得几何穿透量，使碰撞判断从单纯空间重叠识别转向具有穿透深度量化依据的接触判定；在几何穿透量大于零时，进一步提取穿透区域表面坐标数据和表面接触法向量，生成初始碰撞接触点坐标，使后续接触力计算具备明确空间作用位置和方向依据；通过脚手架材料弹性模量、材料密度计算一维弹性应力波速，并结合累计碰撞时间参数形成动态包络半径，使碰撞影响范围能够随时间扩展，而非固定选取邻近区域；通过空间扩展球体边界筛选脚手架刚体节点群，将内部节点变更为共旋节点数值，将外部节点位移向量锁定为当前计算帧的边界常量，使动态碰撞计算域兼顾局部变形精度和整体计算稳定性；通过梁单元形变应力张量、材料屈服阈值、纯变形应变项、塑性折减刚度矩阵、局部形变耗散能之间的连续处理，使脚手架损伤程度能够参与等效接触刚度系数折减，进而使碰撞接触力幅值、碰撞接触力向量、节点位移增量、脚手架受损形变坐标和型钢柱碰撞响应状态形成闭环映射关系，提升吊装碰撞仿真对局部损伤、接触力变化和可视化响应的一致性表达能力。