细观尺度下大型构件碰撞损伤变形过程模拟及可视化方法研究

大型构件的拆装是一个复杂的任务，操作过程中经常发生碰撞而致使构件损坏变形，造成重大损失甚至安全事故。本项目提出采用体视化技术方法来研究大型构件在虚拟拆装过程中的碰撞效应与损伤表面的准确呈现。通过基于数字图像的材料细观组构分析，建立基于质点－弹簧的体数据局部碰撞分析模型。以多个离散质点间的细观碰撞行为来模拟分析构件间宏观撞击问题。采用定向应力波传导策略和准静态动力学求解等简化分析方法，实现大量离散质点的受力及运动状态的快速求解。根据碰撞分析和求解结果，模拟构件碰撞部位的变形损伤情况。最后根据碰撞后的形状不规则的三维体数据模型，采用基于小波变换的体数据压缩算法，并结合基于GPU加速的多分辨率渲染和纹理映射技术，实现损伤表面三维形态特征的快速绘制和准确呈现。本研究对大型构件虚拟拆装中的碰撞损伤变形过程进行细观尺度下的物理仿真，对机械仿真理论的发展和复杂工程实际问题的解决具有重要意义。

本项目研究虚拟环境下的构件碰撞变形的物理仿真方法，提出了面向虚拟拆装的基于质点－弹簧的细观尺度碰撞仿真模型，通过多个离散质点间的细观碰撞行为来模拟分析构件间宏观撞击问题。提出了一种基于元件级空间分割与包围盒检测相结合的快速碰撞检测算法，实现了虚拟环境下机械部件拆装过程中的快速碰撞检测。提出了细观尺度下构件碰撞变形模拟快速求解方法。基于虚拟环境下构件碰撞变形物理仿真技术，开展了针对工装快速设计和复杂装备的虚拟维修仿真分析的关键技术和实践研究。开发了基于桌面虚拟现实的工装装配设计系统。在虚拟维修仿真方面：（1）提出了基于Agent的协同虚拟维修系统框架；（2）建立了面向面向任务的维修样机模型；（3）提出了基于改进MMAS的拆卸顺序规划算法；（4）提出了基于改进快速扩展随机树 RRT 算法的产品维修仿真拆卸路径规划方法；（5）开发了面向复杂装备协同设计的虚拟维修仿真与分析评价系统CVMSVS。所开发的两个系统都已经在企业得到实际验证和应用。