有限元+虚拟现实 | 河源东江大桥垮塌模拟的高真实感展示

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前几天因为介绍宜宾地震的分析结果，这篇文章耽误了几天。

桥梁事故调查往往需要科学和真实地再现事故过程，为事故原因分析提供参考依据。有限元分析结果可以保证事故过程模拟的科学性，而通过结合虚拟现实，可以进一步提升模拟的真实感。考虑到参与事故调查的还有大量非专业目击证人及管理人员，因此一个高真实感的模拟对这些非专业人员也是必不可少的。

声明

本研究基于公开获取信息，主要目的是介绍计算机模拟在相关领域的应用情况。本分析仅供科研使用，具体事故原因应根据实际情况由专业人员确定。

一、事故回顾

2019年6月14日凌晨2点12分19秒，广东河源市源城区东江大桥发生中间2孔垮塌，两辆小型车辆坠落河中。

图1 新闻视频

二、数值模拟与高真实感可视化

在上一次的推送中（链接：6月14日河源东江大桥垮塌事故有限元模拟及分析），我们采用通用有限元软件MSC.Marc建立了该拱桥的有限元模型模拟此次倒塌事故。

由于时间所限，上一次的分析中我们采用了2D模型，以快速得到有限元模拟结果。此后，我们在MSC.Marc中补充建立了东江大桥的3D模型，模拟结果更加准确、真实（图2）。

(a) 有限元模拟

不过，细心的读者可能会发现，随着模拟的进行，桥梁构件一个个都消失了。这是因为利用有限元方法模拟桥梁倒塌过程，往往需要通过“单元生死”算法将破坏严重的单元杀死，来模拟倒塌过程中结构破坏的过程。这个方法虽然比较简便易行，但是大量单元失效退出工作必然会导致模拟过程的真实感降低。如此一来，图2的模拟结果肯定不能很好的满足桥梁事故调查的需要，所以我们还需要设法模拟倒塌碎片的运动，有效提高桥梁倒塌过程模拟的真实感。

6、7年前，我们提出可以利用基于GPU计算和物理引擎的离散体模拟方法来模拟碎片运动，从而提升桥梁倒塌过程的真实感。具体实现手段是当桥梁构件破坏失效后，将破坏失效的构件有限单元转化成非连续碎块模型（图3）。然后利用基于GPU计算和物理引擎的离散体模拟方法来模拟碎片的运动过程。

(a) 倒塌碎片的理论原理

(b) 无倒塌碎片模拟效果

图3 桥梁倒塌过程中杀死单元转化成碎块模型

在碎片的运动过程中，需要深入考虑碎片和原结构、其他碎片，以及地面之间相互接触行为的模拟方法。并通过碎片的聚类算法进一步提高模拟效率。从而实现结构-碎片运动过程的高效、真实感模拟。

利用上述技术，我们对东江大桥的倒塌过程进行了可视化（图4），相比于有限元软件模拟结果（图2），真实感得到了大幅提升。

(a) GIF动画

此外，桥梁倒塌过程的高真实感展示还可以进一步结合虚拟现实（VR）（图5），实现倒塌模拟场景内部的实时漫游，对倒塌全过程进行多角度观察。

图5 虚拟现实（VR）视图

相关成果可参阅：

[J1] Xu Z (许镇), Lu XZ, Guan H, Lu X. Progressive-collapse simulation and critical region identification of a stone arch bridge. Journal of Performance of Constructed Facilities-ASCE, 2013, 27 (1): 43-52. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000329

[J2] Xu Z (许镇), Lu XZ, Guan H, Ren AZ. Physics engine-driven visualization of deactivated elements and its application in bridge collapse simulation. Automation in Construction. 2013, 35: 471–481. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2013.06.006

[J3] Xu Z (许镇), Lu XZ, Guan H, Ren AZ. High-speed visualization of time-varying data in large-scale structural dynamic analyses with a GPU. Automation in Construction, 2014, 42: 90-99. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2014.02.020

三、总结

桥梁倒塌事故发生后，调查单位希望可以科学和真实地再现事故过程，为事故原因分析提供参考依据。利用有限元模拟和可视化技术对桥梁倒塌进行场景再现，可以满足桥梁事故调查模拟结果的科学性和真实感的双重要求。

课题组在“桥梁倒塌过程的过程反演分析与场景再现”方面的相关成果在国内一些重要桥梁倒塌事故分析中得到了成功应用。系统总结上述有关工作的资料可以参阅：基于计算机辅助的桥梁倒塌事故分析, 清华大学出版社, 2015.