[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

说明书

本发明公开了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，该方法利用三维激光扫描仪对既有结构进行扫描，从而获取结构的三维点云数据。然后通过对点云的聚类和拟合，得到结构的几何参数和实际变形；通过对点云颜色特征的过滤和分割，实现结构表面损伤的提取，进而通过量化算法得到损伤参数。基于以上参数，即可在有限元软件中自动化生成可用于结构分析的带有损伤的有限元模型。本发明基于三维点云同时完成了结构几何体和结构表面损伤的建模，克服了传统人工检查，手工建模费时费力的缺点，便于基于有限元模型对既有结构进行精细化分析。

技术领域

本发明涉及结构检查及结构评估分析领域

背景技术

现役混凝土结构由于环境影响，材料性能不断退化，同时社会的快速发展又给服役的结构带来了超出原本设计承载力的荷载，于是，现役结构大部分存在一定程度的损伤，如结构裂缝，混凝土剥落等。为保证结构的安全运行，便需要对结构进行定时的检查和评估。以桥梁工程为例，这主要依赖于结构管养部门的日常检查和定期检查，这不仅费时费力，而且容易出错。即使是近年来发展的基于图像的损伤识别方法，仍然存在损伤尺寸难以量化，损伤位置难以确定的问题。此外，在结构检查后期进行结构评估时，常需要建立结构的有限元模型进行精细化分析，并结合专家及工程经验进行承载能力评估。其中，有限元模型的建立通常由人工手动完成，也是一项非常费时的工作。而且，很多现有结构，尤其是分布广泛，类型众多的中小跨径桥梁设计图纸缺失，结构实际尺寸无从得知，也给人工建模带来了较大的困难。因此，为确保结构安全，减少结构管养费用，对于既有结构的检查和评估亟需准确的、快速的以及自动化的解决方法。

发明内容

针对现有结构检查与评估方法存在的问题，本发明提出了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，开发了包括数据预处理，建立结构局部坐标系，结构几何参数与损伤参数提取以及有限元模型自动化生成算法，主要解决了现有结构检查与评估效率低，主观性大，需要大量人工等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：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，具体包括如下步骤：

(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：采用基于切片的方法，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。

上述技术方案中，进一步地，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。

进一步地，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：采用基于两步聚类的方法，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，分离出不同方向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。

进一步地，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。