小议雕塑设计中数字技术的应用(共4545字).doc
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1、小议雕塑设计中数字技术的应用(共4545字)小议雕塑设计中数字技术的应用 三维建模及三维光纤摄像测量技术在雕塑设计中的应用13DMAX三维建模技术在现代雕塑设计中的应用随着光学技术、电子技术和信息技术的突飞猛进,城市雕塑的数字化设计也进入应用阶段。国内发展相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3DMAX的使用率更是占据了绝对的优势。重庆市大型城市雕塑“未来之光”及“重庆直辖”的模型(图1)构造就采用了3DMAX三维建模技术。2三维光纤摄像测量技术在现代雕塑设计中的应用现代雕塑设计为了达到艺术上的表现效果,其形状往往不是那么规则,而传统的三维建模手段不能对复杂曲面物体进行几何建模。三维光纤摄
2、像测量技术(即三维扫描技术)采用光栅投影测量的非接触测量方法,可以直接得到真实物体表面的采样点,即点云数据1。通过三维扫描技术制作出的3D模型数据精度高,可直接用于载荷受力分析。通过三维扫描采集到的点云数据来拟合出任意曲面,这类方法不受曲面复杂度的影响,在对物体的采样数据足够的情况下可以得到很高的精度2。通过三维扫描技术进行物体扫描时,为了获得足够精度,需要采集点的数据相应较多,但这会使得模型重构过程时间花费过长,数据量过大,不利于存储和传输。故对不同的被测对象,应该选取适当精度。在“园缘园”雕塑工程中,对雕塑CAD模型的重构就是通过三维扫描技术来实现的。该雕塑的小样实物照片及扫描模型如图2所
3、示,该雕塑的整个造型有大量不规则的镂空花纹,要进行模型重构选择三维扫描是比较合适的。因此,首先采用TripleSIDIOProAdvance三维扫描仪对雕塑小样进行扫描,再将扫描得到的数据格式导入UG软件进行数据融合,并人工对模型修整后得到可应用于分析的模型。有限元分析软件在城市雕塑设计中的综合应用1三维扫描技术与有限元分析软件在雕塑设计与建模中的融合三维扫描技术不但用于雕塑的造型设计,同有限元软件结合,还可以实现大型雕塑结构的受力分析。对于一些造型特殊、形态复杂的雕塑而言,一般的有限元分析软件很难实现建模,经三维扫描得到的数据文件能通过软件设置的接口导入到有限元分析软件ANSYS中,实现结构
4、模型的建立,大大方便和简化了建模过程,为准确进行结构分析及数值模拟提供了可靠的数据。“重庆直辖”大型雕塑的整体造型是一个空间异形结构,其中,构成其主要空间造型的3个大型翼板通过一个扭曲的空间节点相连。此节点设计为箱型截面,由于整个节点受力复杂,一般的杆系结构模型难以对其作精确计算,需要进行专门的受力分析。由于扭曲节点的空间定位无规律可循,无论是采用CAD还是其他图形软件,实现扭曲节点的建模都是一件比较困难的事。因此,通过三维扫描技术形成数据文件后再读入ANSYS软件,经修改后最终形成结构分析可以采用的有限元节点模型。2雕塑结构的静力分析“园缘园”雕塑的整体造型为跨度30m,失高12.8m的半球
5、形镂空非标准空间网格结构。结构构件采用箱型截面,箱型截面的宽度根据雕塑的图案确定,截面高度为400mm,结构中高度在1.5m以下的截面翼缘及腹板采用10mm;1.5m以上翼缘厚度采用6mm,腹板厚度采用4mm。主体结构钢骨架材料采用Q345B,为了防腐,整个雕塑外包一层3mm的不锈钢钢板。有限元模型选用SHELL181壳单元,由于恒载是由软件自动计算,对雕塑外包3mm厚的不锈钢造型复杂,计算不锈钢的外包层恒载分布情况困难,为了保证结构的计算准确同时满足不锈钢面层荷载的分布,通过改变钢材密度的方法,即将不锈钢面层的荷载也同时折算到钢骨架的密度中去来计算不锈钢面层荷载。对雕塑结构的约束处理为仅对四
6、脚落地的钢柱四个脚采用刚性约束,即3个方向的位移约束和3个方向的转动约束。对雕塑模型进行结构受力分析时,分别考虑了恒载、活荷载及风荷载。风荷载及活荷载均考虑了最不利分布情况,即半跨布置荷载。图3为园缘圆整体结构应力云图及下翼缘局部应力云图,最大应力为172.334MPa,最大应力所在位置均在靠近柱脚截面,宽度较小且主要为径向传力的构件处,由于该处位置接近底部,受力又比较大,因而属于薄弱环节处,应考虑适当加宽。结构的变形最大位置位于迎风面、整体结构截面削弱较大处,即镂空花纹最大的地方,位移最大,但根据几种工况分析发现,最大位移也仅为19.7mm,说明结构的整体刚度很好。3复杂节点的局部受力分析一
7、般结构工程设计软件的单元划分以杆系结构为主,当运用在雕塑工程这种复杂造型的结构中时,对某些局部受力节点的内力判断往往会失真,因而需要采用有限元软件对局部节点进行受力分析3。位于重庆市龙头寺火车站北广场的雕塑,由5个独立的单元组成,均为长悬臂异形体结构,其中最大的一个雕塑高12m,悬挑长度22.8m,采用箱形截面。有限元模型选用ANSYS提供的SHELL181单元,图4为模型在竖向荷载作用下的局部应力云图和整体位移云图。4可以看出:最大应力出现在圆弧形外肋与柱子连接的下尖角处,分析表明,此处弯矩及轴力都较大,局部应力最大值甚至达到了366.5Mpa,超过了Q235的设计强度,与杆系结构分析的结果
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