三维云图在复杂大空间结构的应用

一、概述

       近日，木棉树软件的《FEA有限元仿真软件》在“基于复杂大空间结构下的应力分布仿真”的技术上取得成功突破，该技术功能的成功突破不但在国内，在国际上也属于稀缺，标志着以木棉树软件为代表的“国内工业仿真软件”正在快速追赶欧美发达国家，部份技术栈已经到达或超过了欧美的水平。

二、行业现状

       针对“室外复杂大空间”的场景，国内在传统解决方案中，均以二维平面的“热力图”来表现其目标密度分布、温度分布、有害气体扩散等的可视化应用，如下图：

（二维平面热力图、 立体热力图）

       而FEA有限元分析中的应力云图，虽然能以三维结构的方式表现物体的受力程度，但是其前处理、后处理的操作过于繁琐，求解器也非常复杂，电脑的运算时间也很长，不能满足用户对于“快速实时仿真”的需求，无法在数字孪生中应用，如下图（示例来自木棉树FEA有限元）：

（机械热应力、飞机外流场）

（飞行器压力、汽车风阻）

（桥梁静力、汽车冲击力）

三、技术特点

       木棉树软件新发布的“三维仿真云图”功能完美解决了行业中的难题，它能在“室外复杂大空间”的场景下，通过优化FEA有限元算法，在数字孪生中流畅进行“结构三维云图”的仿真模拟，它吸取了应力图和热力图的优点，弥补了他们的不足。

（木棉树三维仿真云图）

      它的优势在于：

       1、视觉效果直观表达
       三维仿真云图相比二维热力图更能直观表达“力”的分布，视觉上更直观、更美观。

       2、无图层遮挡
       二维热力图是在三维场景上方新建了一个平面图层，会把下方的三维场景挡住，视角观看不方便，影响决策判断。而三维仿真云图是直接在所有的三维场景几何表面渲染云图，无图层遮挡。

       3、便捷配置后处理
       传统的FEA有复杂的前处理、求解器、后处理设置，操作繁琐且复杂，而“三维仿真云图”模块集成了所需的前处理、求解器、后处理算法及设置，仅在二次开发中进行简单的几个参数化配置即可完成。

       4、实时快速渲染
       传统的FEA有漫长的计算过程，无法及时渲染出仿真结果，也很难渲染出实时动态，而“三维仿真云图”模块采用了多种优化算法，能以每帧100毫秒的稳定频率快速渲染动态云图。

       5、应用广泛
          二维热力图一般用来表现平面状态下的目标密度分布、温度分布、有害气体扩散，无法表现应力、静力、气流、多楼层的密度、温度、气体等等空间状态分布。三维仿真云图则能表现绝大多数的空间分布状态。

（视频演示）

四、核心技术

       木棉树软件新发布的“三维仿真云图”功能已经集成在了木棉树的“工业数字孪生软件”中，它的系统架构，并非简单的“热力图”，而是木棉树对自有的FEA有限元的优化，是基于结构力学计算分析应用的模拟体现，通过三维模型可视化直观表达理化的分析结果，为工程技术人员和管理者提供科学的决策支撑！

       它采用了以下主要技术方法：

       1、定义有穷序列，便捷配置运算模型

       2、使用有限枚举，在有穷序列中还原仿真数据

       3、牛顿多项式插值的运用，能快速流畅仿真

       4、采用线性回归算法训练完整的数学模型

       5、超级布尔运算，能快速在百万级的几何图形中并集计算，在其上渲染叠加云图