[发明专利]一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型有效

专利信息
申请号: 201310680358.9 申请日: 2013-12-12
公开(公告)号: CN103678806A 公开(公告)日: 2014-03-26
发明(设计)人: 张小瑞;杨松;孙伟;宋爱国;牛建伟;朱建栋;沈舒豪 申请(专利权)人: 南京信息工程大学
主分类号: G06F17/50 分类号: G06F17/50
代理公司: 南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人: 朱小兵
地址: 210044 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 模拟 柔性 扭转 变形 盘香 弹簧 模型
【说明书】:

技术领域

发明属于计算机仿真技术领域,尤其涉及一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型。

背景技术

虚拟手术作为一种新式的手术训练手段,即在计算机建立的虚拟环境中进行实时手术仿真已成为近几年研究的热点。虚拟手术仿真系统除在视觉上给使用者营造一种沉浸感、真实感之外,还要提供一种力触觉反馈机制,使人们在看见虚拟对象的同时,还可以触摸到它的几何形状和物理特征,视觉和触觉的有机结合使虚拟现实、虚拟仿真更加真实可信。

准确性和实时性是虚拟手术系统至关重要的性能指标,良好的建模方法将为此提供必要的保障。目前,主要有质点-弹簧模型,具有简单易行、计算量较小、易于实现等优点,但存在拓扑分析困难等弊端;有限元建模方法,虽然可对物体的形变进行精确和定量的模拟,但涉及大量繁杂的计算,实时交互性能差;边界元建模方法虽对建模方法的边界进行离散,简化了计算,但在稳定性方面却存在一定的不足。因此,深入开展用于柔性体扭转变形仿真技术建模的研究无疑对推动虚拟手术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型。

为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:

一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型,包括如下步骤:

步骤1,建立空间直角坐标系,确定柔性体表面上任意点处安放的盘香弹簧,其过程如下:

步骤1.1,建立空间直角坐标系,

在给定扭矩M作用下,在柔性体表面任意点O处设置一盘香弹簧;在距离任意点O为r处,选取盘香弹簧可旋转芯轴外侧点A0,r为盘香弹簧可旋转芯轴半径;以任意点O为原点,以射线OA0所在方向为X轴正方向,建立XYZ空间坐标系;

步骤1.2,按圈设置盘香弹簧,

其中,第i圈盘香弹簧是以原点O(0,0,0)为圆心,以Ri=r+ih为半径的圆,h为第i圈盘香弹簧的厚度,i=1,2,3,……S,S为自然数;

第i圈盘香弹簧的悬挂截面宽度为b,截面惯性矩为弹性模量为E取决于柔性体的材质,且柔性体材质均相同;

步骤2,确定任一圈盘香弹簧所消耗的扭矩;

设定给定扭矩M的作用线与盘香弹簧可旋转芯轴外侧点A0所在的圆相切,且在给定扭矩M作用下,如果柔性体中共有前P圈盘香弹簧产生扭转变形,则第P圈盘香弹簧称为扭转变形截止圈;P≤S,也就是盘香弹簧的圈数至少等于P;

根据盘香弹簧特性,设定:

前P-1圈盘香弹簧上任意一点在给定扭矩M作用下,所消耗的最大扭转力相等且均为F0;第P圈盘香弹簧上任意一点在给定扭矩M作用下,所消耗的最大扭转力FP′均相等,且不大于F0

步骤2.1,确定前P-1圈盘香弹簧中,第i圈上所有点共消耗的扭矩Mi为:

Mi=li·F0=2πRi·F0

其中,li为第i圈盘香弹簧的有效长度,Ri为第i圈盘香弹簧的半径,

步骤2.2,确定第P圈盘香弹簧所有点共消耗的扭矩MP′为:

Mp=M-Σi=1P-1Mi]]>

第P圈盘香弹簧在给定扭矩M作用下,任意一点消耗的最大扭转力FP′为:

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