[发明专利]一种基于三维点云自动化生成既有结构有限元模型的方法

权利要求书

1.一种基于三维点云自动化生成既有结构有限元模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）数据预处理：通过三维激光扫描仪获取既有结构的点云数据，并通过数据预处理得到基本三维点云模型；

（2）建立结构的局部坐标系：根据结构的形状特征，选取结构的局部坐标系，并将点云转换到局部坐标系中；

（3）提取结构几何参数：基于切片的方法，对结构的每一个切片进行拟合，从而得到结构的几何参数；

（4）识别和量化结构表面损伤：将点云中的颜色进行灰度化，然后基于点云的颜色特征，自适应提取损伤区域的点，得到损伤区域点云簇，并进行量化，得到相应的损伤参数；

（5）有限元模型自动化生成：基于几何和损伤参数，生成带有损伤的结构有限元模型；

步骤（4）中，所述的结构表面损伤的识别方法具体为：

首先对点云的颜色进行灰度化，然后遍历点云中的每一个点pi，并使用KNN算法搜索其半径r以内的近邻点集pr，通过比较点pi的灰度值和近邻点集pr的灰度平均值，筛选可能的损伤位置处的点；以上遍历过程重复两遍，一遍为过滤噪点，另一遍为选择损伤点；

步骤（4）中，所述的结构表面损伤的量化方法具体为：

对于提取出来的损伤点云簇，通过构建Delaunay三角网并通过α-shape算法提取损伤点云簇的边界，然后基于损伤区域边界，计算损伤参数；

步骤（5）中，所述的有限元模型自动化生成方法中需要根据损伤位置自动化选择损伤单元，并根据材料残余强度与损伤大小的关系，设置损伤区域处单元的折减的材料属性。

2.根据权利要求1所述的基于三维点云自动化生成既有结构有限元模型的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，基本三维点云模型是经过点云配准，离群点过滤和降采样得到的。

3.根据权利要求1所述的基于三维点云自动化生成既有结构有限元模型的方法，其特征在于，所述步骤（2）需要对点云进行分割，得到结构的每一个部分；具体为：

采用两步聚类的方法，首先估算预处理后点云的法向量，然后基于法向量将点云映射到高斯球上，再在高斯球空间中，采用DBSCAN聚类方法，分离出不同朝向的一系列相互平行的点云平面；然后在笛卡尔坐标系下，再次使用DBSCAN聚类方法，分离每一个点云平面。

4.根据权利要求1所述的基于三维点云自动化生成既有结构有限元模型的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的基于切片的方法具体为：在局部坐标系中，沿着结构的拉伸方向进行切片，并对每一个切片中的已经分割后的点云的各个表面进行三维平面拟合，然后以平面片的方式表示每一个切片的几何体。