一种三维有限元模型的板格识别方法及装置与流程

本发明涉及模型识别，特别涉及一种三维有限元模型的板格识别方法及装置。

背景技术：

1、在船舶与海洋工程结构设计及审图过程中，需要利用有限元方法对船舶与海洋工程结构进行结构强度的分析校核。按照行业规范，结构强度的校核主要包括：静强度分析、屈曲分析和疲劳强度分析。其中，结构的屈曲分析有别于一般意义的有限元特征值屈曲分析，它是以一个个板格作为分析对象，尤其对于船体结构，船体结构由板材以及骨架构成，板材被骨架分隔成大量的板格。因此在进行结构屈曲分析前，需要先根据结构有限元模型将所有板格(包括规则板格、非规则板格、曲面板格以及开口腹板板格)识别出来，确定构成每个板格的壳单元和梁单元，并计算出屈曲校核评估所需的板格参数。

2、船体结构三舱段模型或者海洋平合结构有限元模型单元大约在几万到几十万之间，板格数量庞大。目前缺少能够单独使用的板格识别方法，依赖现有的有限元分析软件进行二次开发，容易出现识别数量上限受限，或者有些类型的板格不能被识别，或者识别准确度低等问题，进而影响板格识别效果。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的至少一个技术问题，本发明实施例提供了一种三维有限元模型的板格识别方法及装置。所述技术方案如下：

2、第一方面，提供了一种三维有限元模型的板格识别方法，包括：

3、获取三维有限元模型，所述模型包括：板格，所述板格被划分为至少一个壳单元，所述壳单元包括：节点与单元边；

4、遍历所述壳单元的所述单元边，根据板格边界判定条件识别所述单元边中的板格边界，确定组成所述板格的所述壳单元；

5、根据所述壳单元与所述节点的对应关系以及所述壳单元与所述板格的对应关系，确定所述板格对应的所述节点；

6、根据所述板格对应的所述节点确定所述板格的类型，识别不同类型所述板格的轮廓节点，所述板格的类型包括：平面板格和曲面板格；

7、遍历所述轮廓节点，按照节点分组条件对所述轮廓节点分组，使每组所述轮廓节点对应于所述板格的同一条板格边。

8、进一步地，所述遍历所述壳单元的所述单元边，根据板格边界判定条件识别所述单元边中的板格边界，确定组成所述板格的所述元，包括：

9、遍历所述模型中任一所述壳单元的所有所述单元边，识别当前遍历到的所述单元边的共边单元，生成所述单元边的共边单元信息；

10、将当前所述单元边的共边单元信息与所述板格边界判定条件对比，识别所述板格的边界；

11、若当前所述单元边未被确定为所述板格边界，则识别所述单元边的共边单元，重复遍历所述共边单元的所有所述单元边，识别所述共边单元中所述板格边界，直到当前遍历到的所述单元边的所述共边单元仅有当前所述单元边所属的所述壳单元自身为止。

12、进一步地，所述将当前所述单元边的共边单元信息与所述板格边界判定条件对比，识别所述板格的边界，包括：

13、若所述单元边的所述共边单元信息符合如下判定条件中的任一项，则识别所述单元边为所述板格边界：

14、当前所述单元边上存在梁单元；

15、当前所述单元边只有一个所述共边单元；

16、当前所述单元边有不少于三个的所述共边单元；

17、当前所述单元边有两个所述共边单元，且两个所述共边单元的法向量夹角小于预设的法向量夹角阈值。

18、进一步地，所述根据所述板格对应的所述节点确定所述板格的类型，识别不同类型所述板格的轮廓节点，包括：

19、根据所述板格对应的所述节点确定所述板格的类型；

20、根据所述板格的类型建立用于识别所述轮廓节点的第一局部坐标系，确定所述板格中的节点在所述第一局部坐标系中的坐标；

21、根据所述节点在所述第一局部坐标系中的坐标，利用平面点云轮廓识别法识别所述板格的轮廓节点。

22、进一步地，所述根据所述板格对应的所述节点确定所述板格的类型，包括：

23、获取所述板格对应的节点的数量；

24、识别对应有三个所述节点的所述板格为平面板格；

25、对于对应有大于三个所述节点的所述板格，利用任意三个不共线的所述节点确定一个平面，并计算平面的法向量，将平面内的任一所述节点与所述板格的余下节点分别建立向量，计算建立的向量与所述法向量的夹角，若存在任一所述夹角满足角度阈值，则识别所述板格为曲面板格。

26、进一步地，所述根据所述板格的类型建立用于识别所述轮廓节点的第一局部坐标系，确定所述板格中的节点在所述第一局部坐标系中的坐标，包括：

27、对于所述平面板格，基于所述平面板格中任一壳单元内的所述节点建立空间直角坐标系，确定所述节点在所述第一局部坐标系中的坐标；

28、对于所述曲面板格，选取所述板格内任意两个共边不共面的所述壳单元，基于两个所述壳单元公共边上的两个所述节点，以及两个所述壳单元中任一个单元内的非公共边上的所述节点，确定平面并计算平面的法向量，基于平面内的任一向量、法向量并利用右手定则，建立所述板格的所述第一局部空间坐标系，将所述第一局部空间坐标系上的节点坐标投影至平面坐标系上，确定所述节点在所述第一局部坐标系中的坐标。

29、进一步地，所述根据所述节点在所述第一局部坐标系中的坐标，利用平面点云轮廓识别法识别所述板格的轮廓节点，包括：

30、识别所述板格的特征，所述板格的特征包括：凸包特征和凹陷特征；

31、采用gamham扫描具有凸包特征的板格，识别所述板格的轮廓节点；

32、采用alpha shapes处理具有凹陷特征的板格，识别所述板格的轮廓节点。

33、进一步地，所述遍历所述轮廓节点，按照节点分组条件对所述轮廓节点分组，使每组所述轮廓节点关联所述板格的同一条边，包括：

34、遍历所述板格对应的所述轮廓节点，利用相邻的三个所述轮廓节点建立两个向量，并确定相邻两个向量的向量夹角；

35、判断相邻两个向量的向量夹角是否满足同边角度阈值，若满足，则识别三个所述轮廓节点对应同一条所述板格边，若不满足，则识别三个所述轮廓节点对应两条不同的所述板格边。

36、进一步地，所述方法还包括：

37、在所述板格上确定第一坐标系节点、第二坐标系节点、第三坐标系节点，建立用于应力转换的第二局部坐标系；

38、利用坐标系变换矩阵将所述板格中各所述壳单元的形心在全局坐标系转换到所述第二局部坐标系；

39、利用应力坐标变换关系，将全局坐标系下的应力转换到所述第二局部坐标系中，计算所述板格的等效应力。

40、进一步地，所述在所述板格上确定第一坐标系节点、第二坐标系节点、第三坐标系节点，建立用于应力转换的第二局部坐标系，包括：

41、对于所述平面板格，根据所述板格对应的所述板格边的数量，识别所述板格是规则板格还是非规则板格，按照规则板格或非规则板格的坐标系节点确定规则，确定所述第一坐标系节点、所述第二坐标系节点和所述第三坐标系节点；

42、对于所述曲面板格，根据各所述板格边的长度确定所述板格边为直边或曲边，按照曲边-直边-曲边-直边的顺序排列所述板格边，按照曲面板格坐标系节点的确定规则，确定所述第一坐标系节点、所述第二坐标系节点和所述第三坐标系节点；

43、确定所述第一坐标系节点为所述第二局部坐标系的原点，所述第二局部坐标系的原点向所述第二坐标系节点构建的向量作为x轴，所述第一坐标系节点、所述第二坐标系节点和所述第三坐标系节点确定的平面的法向量为z轴，x轴和z轴的叉乘结果向量作为y轴。

44、进一步地，所述方法还包括：

45、计算所述板格各所述板格边的尺寸：

46、对于所述平面板格，根据各所述板格边的尺寸计算所述平面板格的长边尺寸和短边尺寸；

47、对于所述曲面板格，根据各所述板格边的尺寸确定板格边为直边或曲边，计算曲边的圆弧半径和弧长，以及所述曲面板格的短边尺寸。

48、进一步地，所述利用应力坐标变换关系，将输入的全局坐标系下的应力转换到所述板格的第二局部坐标系中，计算所述板格的等效应力，包括：

49、利用所述应力坐标变换关系将全局坐标下的板格应力转换到所述第二局部坐标系中，根据所述板格的类型按照插值算法计算出所述板格的等效应力，所述应力坐标变换关系，包括：

50、[σ']＝[β][σ][β]t

51、其中[σ']为所述板格在所述第二局部坐标系下的应力张量，[σ]为所述板格在全局坐标系下的应力张量，[β]为全局坐标系和所述第二局部坐标系坐标轴夹角余弦。

52、第二方面，提供了一种三维有限元模型的板格识别装置，包括：

53、模型获取模块，用于获取三维有限元模型，所述模型包括：板格，所述板格被划分为至少一个壳单元，所述壳单元包括：节点与单元边；

54、单元确定模块，用于遍历所述壳单元的所述单元边，根据板格边界判定条件识别所述单元边中的板格边界，确定组成所述板格的所述壳单元；

55、节点确定模块，用于根据所述壳单元与所述节点的对应关系以及所述壳单元与所述板格的对应关系，确定所述板格对应的所述节点；

56、轮廓节点识别模块，用于根据所述板格对应的所述节点确定所述板格的类型，识别不同类型所述板格的轮廓节点，所述板格的类型包括：平面板格和曲面板格；

57、分组模块，用于遍历所述轮廓节点，按照节点分组条件对所述轮廓节点分组，使每组所述轮廓节点对应于所述板格的同一条板格边。

58、进一步地，单元确定模块，包括：

59、共边单元信息生成模块，用于遍历模型中任一壳单元的所有单元边，识别当前遍历到的单元边的共边单元，生成单元边的共边单元信息。

60、边界识别模块，用于将当前的单元边的共边单元信息与板格边界判定条件对比，识别板格的边界；若当前单元边未被确定为板格边界，则识别单元边的共边单元，重复遍历共边单元的所有单元边，识别共边单元中的板格边界，直到当前遍历到的单元边的共边单元为仅有当前单元边所属的壳单元自身为止。

61、进一步地，板格边界判定条件，包括：

62、若单元边的共边单元信息符合如下判定条件中的任一项，则识别单元边为板格边界：

63、当前单元边上存在梁单元；

64、当前单元边只有一个共边单元；

65、当前单元边有不少于三个的共边单元；

66、当前单元边有两个共边单元，且两个共边单元的法向量夹角小于预设的法向量夹角阈值。

67、进一步地，轮廓节点识别模块，包括：

68、第一类型确定模块，用于根据板格对应的节点确定板格的类型。

69、第一局部坐标系建立模块，用于根据板格的类型建立用于识别轮廓节点的第一局部坐标系，确定板格中的节点在第一局部坐标系中的坐标。

70、轮廓识别模块，用于根据节点在第一局部坐标系中的坐标，利用平面点云轮廓识别法识别板格的轮廓节点。

71、进一步地，第一类型确定模块，具体用于：

72、识别对应有三个节点的板格为平面板格；

73、对于对应有大于三个节点的板格，利用任意三个不共线的节点确定一个平面，计算平面的法向量，将平面内任一节点与板格中余下节点分别建立向量，计算建立的向量与法向量的夹角，若存在任一夹角小于角度阈值，则识别板格为曲面板格。

74、进一步地，第一局部坐标系建立模块，具体用于：

75、对于平面板格，基于平面板格任一壳单元内的节点建立空间直角坐标系，确定节点在第一局部坐标系中的坐标。

76、对于曲面板格，选取板格内任意两个共边不共面的壳单元，基于两个壳单元公共边上的两个节点，以及两个壳单元中任一个单元内的非公共边上的节点，确定平面并计算平面的法向量，基于平面内的任一向量、法向量并利用右手定则，建立板格的第一局部空间坐标系，将第一局部空间坐标系上的节点坐标投影至平面坐标系上，确定节点在第一局部坐标系中的坐标。

77、进一步地，轮廓识别模块，包括：

78、特征识别模块，用于识别板格的特征，板格的特征包括：凸包特征和凹陷特征。

79、gamham扫描模块，用于采用gamham扫描具有凸包特征的板格，识别板格的轮廓节点。

80、alpha shapes处理模块，用于采用alpha shapes处理具有凹陷特征的板格，识别板格的轮廓节点。

81、进一步地，分组模块，包括：

82、夹角确定模块，用于遍历板格对应的所述轮廓节点，利用相邻的三个轮廓节点建立两个向量，并确定相邻两个向量的向量夹角。

83、判断模块，用于判断相邻两个向量的向量夹角是否满足同边角度阈值，若满足，则识别三个所述轮廓节点对应同一条板格边，若不满足，则识别三个所述轮廓节点对应两条不同的板格边。

84、进一步地，本发明实施例公开的板格识别装置，还包括：

85、第二局部坐标系建立模块，用于在板格上确定第一坐标系节点、第二坐标系节点、第三坐标系节点，建立用于应力转换的第二局部坐标系。

86、坐标转换模块，用于利用坐标系变换矩阵将板格中各壳单元的形心在全局坐标系转换到第二局部坐标系。

87、等效应力计算模块，用于利用应力坐标变换关系，将全局坐标系下的应力转换到第二局部坐标系中，计算板格的等效应力。

88、进一步地，第二局部坐标系建立模块，包括：

89、坐标系节点确定模块，用于：

90、对于平面板格，根据板格对应的板格边的数量，识别板格是规则板格还是非规则板格，按照规则板格或非规则板格的坐标系节点确定规则，确定第一坐标系节点、第二坐标系节点和第三坐标系节点；

91、对于曲面板格，根据各板格边的长度确定板格边为直边或曲边，按照曲边-直边-曲边-直边的顺序排列板格边，按照曲面板格坐标系节点的确定规则，确定第一坐标系节点、第二坐标系节点和第三坐标系节点。

92、坐标系建立模块，用于确定第一坐标系节点为第二局部坐标系的原点，第二局部坐标系的原点向第二坐标系节点构建的向量作为x轴，第一坐标系节点、第二坐标系节点和第三坐标系节点确定的平面的法向量为z轴，x轴和z轴的叉乘结果向量作为y轴。

93、进一步地，本发明实施例公开的板格识别装置，还包括：

94、板格边尺寸计算模块，用于：

95、对于平面板格，根据各板格边的尺寸计算平面板格的长边尺寸和短边尺寸；

96、对于曲面板格，根据各板格边的尺寸确定板格边为直边或曲边，计算曲边的圆弧半径和弧长，以及曲面板格的短边尺寸。

97、进一步地，等效应力计算模块，具体用于：

98、利用应力坐标变换关系将全局坐标下的板格应力转换到第二局部坐标系中，根据板格的类型按照插值算法计算出板格的等效应力，应力坐标变换关系，包括：

99、[σ']＝[β][σ][β]t

100、其中[σ']为板格在第二局部坐标系下的应力张量，[σ]为板格在全局坐标系下的应力张量，[β]为全局坐标系和第二局部坐标系坐标轴夹角余弦。

101、第三方面，提供了一种电子设备，包括：

102、一个或多个处理器；以及

103、与所述一个或多个处理器关联的存储器，所述存储器用于存储程序指令,所述程序指令在被所述一个或多个处理器读取执行时，执行如第一方面任一所述的方法。

104、第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现如第一方面任一所述的方法。

105、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

106、1、本发明实施例公开的板格识别技术方案，通过识别板格包括的壳单元以及节点，确定了板格的轮廓节点以及板格的类型，可识别出三维有限元模型包括的所有类型的板格。

107、2、本发明实施例公开的板格识别技术方案，采用遍历循环算法并设定算法结束条件，对板格的识别数量不设上限，全面完整地识别出模型包括的板格。

108、3、本发明实施例公开的板格识别技术方案，无需依赖现有的有限元分析软件进行二次开发，可独立运行。

109、4、本发明实施例公开的板格识别技术方案，通过建立板格的局部坐标系，可计算板格的等效应力。

110、5、本发明实施例公开的板格识别技术方案，可计算板格边的尺寸，以及平面板格的长边尺寸、短边尺寸，有利于用户进一步掌握板格信息。