基于点云的自动化逆向建模技术，用于复杂钢结构的焊接导向表示

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Automated reverse modeling of point clouds for weld-oriented representation of complex steel joints

针对复杂钢结构节点建模效率低、精度不足的问题，提出基于点云的自动化高保真逆向建模框架，创新性地融合焊接特征识别与自适应热影响区配置，实现高精度有限元网格生成及材料属性自动分配，显著降低多软件平台依赖，提升建模效率与仿真可靠性。

　　

滕文正|齐洪托|杨正涛|尹航

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

复杂的钢接头由于其不规则的拓扑结构，给精细的结构建模带来了显著挑战。为了解决现有方法对人工操作的依赖性和几何限制，本文提出了一种自动化的、高保真的逆向建模框架，用于将点云转换为有限元模型。本文提出的重建算法能够高保真地恢复不规则曲面和复杂几何形状，生成高质量的非结构化网格。此外，还引入了一种自适应机制来自动化焊接特征表示和材料分配，从而能够准确描述在外部载荷作用下复杂焊接钢接头的力学响应和应力演变。该框架通过减少人工干预显著提升了施工自动化程度，同时保持了高计算精度，为复杂钢结构的自动化安全评估提供了有力工具。

引言

作为钢结构的关键承重部件，复杂钢接头的力学性能直接决定了整个结构的安全性。在实际工程中，由于这些接头的拓扑形式复杂且计算成本高昂，它们通常被简化为理想化的刚性连接或低维模型。然而，这种过度简化往往会导致分析结果的显著偏差[1]，[3]。此外，粗糙和理想化的简化方法无法捕捉到实际的结构行为和局部特征，从而导致模型严重失真[2]，[6]。

近年来，3D激光扫描技术的成熟为解决这些挑战提供了新的途径[4]，[5]。从点云数据重建高保真的有限元（FE）模型已成为精细结构评估的前沿领域。然而，在实际工程应用中，从点云到FE模型的转换仍然严重依赖于多个软件平台的协调。工程师们常常被迫遵循繁琐的跨平台工作流程。这一过程需要大量的手动操作和数据转换，涉及点云预处理、几何建模和FEA等不同软件工具。此外，这些工具往往互操作性差且功能各异，使得工作流程重复性强且高度依赖专业经验[6]，[7]。

因此，近年来许多学者对自动化扫描到FEM建模进行了广泛研究。虽然在桥梁[8]，[9]，[10]、隧道[12]、砌体结构[9]，[15]以及规则钢构件[11]等应用方面取得了进展，但大多数现有方法主要集中在简单、规则的结构上，或者对复杂几何形状进行了大量简化。当处理具有复杂曲面、不规则拓扑关系和精细焊接细节的钢接头时，现有方法仍然存在不足。在几何保真度、自动化程度以及满足焊接特征表示等特定要求的能力方面，仍存在显著差距。因此，核心研究问题是如何实现从离散点云到可执行有限元模型的自动化、高保真转换，同时准确捕捉其不规则拓扑和局部焊接特征。

为了解决传统建模方法的低效率和严重的软件依赖性问题，本研究提出了一种专门针对复杂焊接钢接头的高保真、自动化逆向建模框架。仅以接头的点云作为输入，该框架自动生成一个可以直接用于有限元分析（例如Abaqus）的输入文件（.inp）。本文的核心内容安排如下：第2节介绍了目标点云的采集和预处理方法；第3节介绍了一种满足FEA要求的自动化高保真网格重建算法，该算法创新性地整合了焊接点识别和自动化热影响区（HAZ）配置，以满足焊接特征表示的特定需求；第4节描述了完整FE命令流的脚本生成过程，包括网格、属性、约束和分析步骤，以直接输出可执行数据文件；最后，第5节通过两组对比实验验证了该框架的有效性。结果表明，所提出的方法显著提高了建模效率，减少了软件依赖性和人工干预。此外，结果还证实了生成模型的可靠性与传统方法相当，同时证明了针对焊接区域的专门处理的合理性和必要性。

相关研究

基于技术路线和几何处理策略，现有的从点云进行逆向有限元建模的研究可以大致分为以下几类：

• (1)
  通过参数拟合进行几何简化：这些方法主要适用于具有规则截面的结构。Fang等人提出了一种“扫描到BIM再到模拟”的框架，该框架通过改进的边缘检测提取混凝土桥梁的截面参数；然而，其基本假设...

自动化逆向建模框架

本节系统地描述了从数据采集到可执行模型重建的完整技术流程。除了初始数据采集和初步预处理外，所有后续步骤都通过Python编程实现自动化，无需人工干预。

建立有限元分析（FEA）模型

本节描述了将几何数据和属性转换为.inp文件的过程。为了验证所提出框架的有效性，还通过多个软件平台进行了传统的手动建模，以开发参考模型。

结果与讨论

本节首先评估了所提出的算法框架生成的有限元网格的质量。然后，将其建模效率和力学响应与传统方法进行了比较，并明确讨论了焊接引起的材料和几何异质性对模拟结果的影响。

结论

本文提出了一种完全自动化的逆向建模框架，可以将原始点云转换为可用于仿真的有限元模型。该方法克服了钢接头数字化中的常见瓶颈，包括复杂的几何重建和缺乏详细的焊接力学分析。主要结论如下：

(1)

高度自动化重建：该框架绕过了依赖于Geomagic和Hypermesh等多个软件包的传统手动建模路径。

CRediT作者贡献声明

滕文正：撰写——原始草稿，方法论。齐洪托：方法论。杨正涛：数据整理。尹航：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

本手稿仅使用人工智能工具进行语言润色和翻译。没有使用AI生成任何初始草稿、图表、数据、研究设计、算法或与研究科学内容相关的其他内容。

致谢

作者非常感谢国家自然科学基金重大项目（项目编号：52595692）、国家自然科学基金企业创新与发展联合基金重点计划（项目编号：U25B20211）以及深圳市科技计划（项目编号：KJZD20230923114114028）的财政支持。