一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统的制作方法 专利技术说明

办公文教;装订;广告设备的制造及其产品制作工艺1.本发明涉及工业电力技术领域，具体是一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统。背景技术：2.沙盘能够通过微缩实体还原真实情景，具有形象直观的特点，不仅能够反映系统各组成部分的特征及相互关系，而且能够展现系统内在运行原理，可用来进行设计展示、功能说明、教学使用等，在工业等多领域中应用广泛。然而传统沙盘具有占地面积大、可视化效果差、机理揭示不完全的缺点，目前，已难以满足复杂动态变化信息的呈现需求。技术实现要素：3.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统。该沙盘系统通过设置监控装置与仿真计算终端，通过将沙盘实体与力学仿真软件的数值模拟相结合，考虑不同环境条件，并利用全息投影装置实现了模拟结果的实时动态展示，从而真实地对工业电力构筑物进行推演变化，不仅具有教学演示的作用，而且可以帮助管理人员及时发现存在的安全隐患问题，并帮助工程人员展开针对性地设计优化，以免发生安全事故。4.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：设计一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统，其特征在于，该系统包括：温湿度传感器、风速传感器、位移传感器、应变片、高清摄像头、仿真计算终端、全息投影装置、并联线路，温湿度传感器、风速传感器、位移传感器和高清摄像头通过并联线路连接至仿真计算终端，仿真计算终端与全息投影装置通过导电线连接，应变片与应变调理器模块连接，应变调理器模块与数据采集仪连接，数据采集仪通过并联线路与仿真计算终端连接；5.若干相同的温湿度传感器设置于沙盘横向的中心线上，其中，任意两个相邻的温湿度传感器之间的距离相等，且两侧边缘处的温湿度传感器离对应侧的沙盘边缘的距离相等；将该若干温湿度传感器的测量数据的平均值作为整个沙盘的温湿度数据；6.将若干相同的风速传感器通过法兰安装的方式设置于沙盘的中心线上，其中，任意两个相邻的风速传感器之间的距离相等，且两侧边缘处的风速传感器离对应侧的沙盘边缘的距离相等；将该若干风速传感器的测量数据的平均值作为整个沙盘的风速数据；7.在每一个以沙盘实体模型的中心为圆心、半径为固定值的圆周上等距离的通过传感器支架固定安装有若干个位移传感器，将该若干位移传感器的测量数据的平均值作为该沙盘实体模型的位移数据；8.至少在每一个沙盘实体模型的竖直方向上等距离安装应变片，将应变片的基底与沙盘实体模型的对应位置通过粘结剂粘接在一起，以确保两者能够同时产生位移变形；9.所述高清摄像头通过自攻螺钉固定在抱杆的上部，抱杆的底部过螺栓结构安装于沙盘左侧外部的中间位置，高清摄像头位于沙盘左侧的上方且其视野范围完全覆盖沙盘；10.所述全息投影装置采用型号为jxt-1900e的正立金字塔型360度全息投影装置，其主要由正金字塔型锥体棱镜、投影仪、数据线组成；ppx3615型的投影仪设置于正金字塔型锥体棱镜的正上方，正金字塔型锥体棱镜的底部四边尺寸大小与沙盘四边边框顶面的边缘处尺寸大小对应相等，正金字塔型锥体棱镜的底部扣装在沙盘边框的顶面上；全息投影装置7通过投影仪支架安装于沙盘正上方，通过调节投影仪的位置使得投影仪输出的3d影像与沙盘实体模型重合，最终实现沙盘的虚拟投影；11.所述仿真计算终端由高配置服务器和高清晰度显示屏组成，所述温湿度传感器、风速传感器、位移传感器、数据采集仪、高清摄像头通过并联线路与高配置服务器连接，高配置服务器与投影仪通过数据线连接，高配置服务器与高清晰度显示屏通过导电线连接。12.与现有技术相比，本发明具有的优点在于：沙盘系统使用一种新颖的监测设备，可以收集有关温度、湿度、风速、位移、应力和摄像机视图的数据。它易于使用，测量精度高，测量范围广，为准确和真实的仿真计算提供了数据基础。监测装置分为五部分，可通过并联独立监测，避免了监测装置全面失效的问题，在很大程度上保证了沙盘系统的正常使用。沙盘系统可以通过全息投影装置实现数值模拟结果在物理沙盘上的三维投影效果。它使观众能够清楚地了解工业动力结构中可能的位移、应力和温度场变化，解决了可视化效果差、机理揭示不完全、难以满足传统沙盘系统复杂动态变化的呈现需求等问题。通过仿真计算和全息投影技术，不仅可以动态呈现仿真结果，还可以更真实地再现结构的实际情况。它既作为教学示范，又帮助管理人员及时发现安全隐患，有针对性地协助工程人员进行优化设计，避免安全事故的发生，为工业电力沙盘系统的智能化研究提供科学指导。附图说明13.图1为本发明一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统一种实施例的俯视结构示意图(为方便结构表达，将中部的风速传感器向右挪动以避免视图重叠)。14.图2为本发明一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统一种实施例的侧视结构示意图。15.图3为本发明一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统一种实施例的应变片的安装示意图。16.图4为本发明一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统一种实施例的应变片结构示意图。17.图中：1—温湿度传感器；2—风速传感器；3—位移传感器；4—应变片；5—高清摄像头；6—仿真计算终端；7—全息投影装置；8—沙盘实体模型；9—并联线路；18.4-1—基底；4-2—敏感栅；4-3—覆盖层；4-4—引出线；19.5-1—镜头；5-2—图像传感器；5-3—信号处理器；5-4—抱杆；20.6-1—高配置服务器；6-2—高清晰度显示屏；21.7-1—正金字塔型锥体棱镜；7-2—投影仪；7-3—数据线；7-4—投影仪支架。具体实施方式22.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。23.本发明提供一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统，该系统包括：温湿度传感器1、风速传感器2、位移传感器3、应变片4、高清摄像头5、仿真计算终端6、全息投影装置7、并联线路9，温湿度传感器1、风速传感器2、位移传感器3和高清摄像头5通过并联线路9连接至仿真计算终端6，仿真计算终端6与全息投影装置7通过导电线连接，应变片4与应变调理器模块连接，应变调理器模块与数据采集仪连接，数据采集仪通过并联线路9与仿真计算终端6连接；24.作为一种实施例，应变调理器模块为ysv7008的8通道应变调理器模块，数据采集仪为ysv8064的64通道24位数据采集仪。25.若干相同的温湿度传感器1设置于沙盘横向的中心线上，其中，任意两个相邻的温湿度传感器1之间的距离相等，且两侧边缘处的温湿度传感器1离对应侧的沙盘边缘的距离相等。将该若干温湿度传感器1的测量数据的平均值作为整个沙盘的温湿度数据。26.作为一种实施例，将三个相同的温湿度传感器1安装在平行于沙盘长边的沙盘中心线上，其中两侧的两个传感器分别安装在距沙盘边缘100mm处。取3组测量数据的平均值作为整个沙盘的温湿度，以减小误差。27.所述温湿度传感器1为hmp155a型温湿度传感器，由探头、温度传感器、湿度传感器、转换电路连接线组成。所述探头采用icap180r加热型探头，所述温度传感器采用铂电阻温度传感器，所述湿度传感器采用湿敏电容传感器，所述转换线路连接线采用ut-890a型号的usb转rs-485转换线，其固定长度为3m，可通过采用多条转换线串联的方法调整长度，以满足不同沙盘大小的需要。当所述探头感知到外界温度变化后，铂电阻温度传感器中的铂电阻会产生相应的函数变化从而获得温度信息；当外界湿度变化后，湿敏电容传感器中的湿敏材料会感知到空气中的水分变化，则湿敏电容量随之变化从而获得湿度信息。所获取的温湿度信息经由转换电路连接线传至仿真计算终端6中的高配置服务器6-1上。28.将若干相同的风速传感器2通过法兰安装的方式设置于沙盘的中心线上，其中，任意两个相邻的风速传感器2之间的距离相等，且两侧边缘处的风速传感器2离对应侧的沙盘边缘的距离相等。将该若干风速传感器2的测量数据的平均值作为整个沙盘的风速数据。29.作为一种实施例，将三个风速传感器2通过法兰安装的方式安装在平行于沙盘长边的沙盘中心线上，其中两个风速传感器2分别安装在距沙盘边缘300mm处。通过螺纹法兰连接使传感器下部固定在直径为65mm的法兰盘上，并在直径为48mm的圆周上开4个直径均为5mm的安装孔，使用螺栓将其固定在沙盘上。取3个风速传感器的平均值进行分析，以减少误差。30.所述风速传感器2采用nhfs45型三杯式风速传感器，其主要由风杯、电路模块、壳体组成，其测量范围可达60m/s。该传感器主要材料为优质聚合物碳纤维，具有良好的防腐蚀性。在使用时，通过传感器上的风杯绕中轴转动的速度来感知风力信息，所感知的信息经由传感器内部的电路模块产生脉冲信号，从而获得风速信息。所述电路模块集成有光电转换机构、工业微电脑处理器、标准电流发生器、电路驱动器等。整个电路模块由壳体包围，将测得的数据经并联线路9传至仿真计算终端6中的高配置服务器6-1上。31.在每一个以沙盘实体模型8的中心为圆心、半径为固定值的圆周上等距离的通过传感器支架固定安装有若干个位移传感器3，以保证获得沙盘中每个模型精确的位移信息。作为一种实施例，在每一个以沙盘实体模型8的中心为圆心、半径100mm的圆周上等距离的通过传感器支架固定安装有4个位移传感器3。将该若干位移传感器3的测量数据的平均值作为该沙盘实体模型8的位移数据。32.所述位移传感器3采用cd22型激光位移传感器，其主要由激光发射系统、成像系统、图像传感器和传感器支座组成，其测量范围为150mm，测量精度可达1μm。对沙盘实体模型进行位移测量时，首先由线激光发射系统射出一束线激光束并垂直入射至被测沙盘实体模型8表面形成均匀漫反射光束，然后该光束经成像系统汇聚于图像传感器从而形成被测沙盘实体模型8的像点。当被测沙盘实体模型8发生位移时，像点随之移动，由此可测得被测沙盘实体模型8的位移信息，所测位移信息通过并联线路9上传至仿真计算终端6中的高配置服务器6-1上。33.至少在每一个沙盘实体模型8的竖直方向的部分上等距离安装有应变片4，将应变片4的基底与沙盘实体模型8的对应位置通过粘结剂粘接在一起，以确保两者能够同时产生位移变形；作为一种实施例，沿沙盘实体模型8的竖直方向每间隔50mm安装一个应变片4，同时为获得更为准确的结果，可在模型任何一个关键部位进行加密布置。34.所述应变片4采用9.0mm×5.6mm型号为bf120的电阻式应变片，其主要由基底4-1、敏感栅4-2、覆盖层4-3和引出线4-4组成；应变片4通过其引出线4-4与应变调理器模块连接，应变调理器模块与数据采集仪连接，数据采集仪通过并联线路9将所测得数据传至仿真计算终端6的高配置服务器6-1上，经过高配置服务器6-1上的ysv工程测试与信号分析软件v8.0进行应力计算。35.采集仪可直接连接rs485转usb线与高配置服务器6-2相连进行数据采集，由于本发明应变片需在沙盘模型关键部位进行加密处理，故可将所有采集仪以集线器相连接，集线器通过rs485转usb线与高配置服务器相连，由此可同时采集多组数据。根据沙盘实体模型8多个位置的应变片4所测量的应力数据通过高配置服务器6-1进行数据整合和数据处理，以此确定每个测量点的应力应变数据。36.应变片4的基底材料为酚醛-环氧，敏感栅材料为康铜，上方覆盖层为塑料薄膜。所述敏感栅4-2为所述应变片4的关键部位，由康铜制成，能够完成位移变形信息的测量和输出工作，再通过所述引出线4-4将获得的测量信息进行传递；所述覆盖层4-3的主要作用为保护整个应变片4系统；通过粘结剂将基底4-1、敏感栅4-2、覆盖层4-3和引出线4-4粘连起来构成应变片4整体，并在每个应变片4上标注出对应的中心线，选取中心位置准确、无多余气泡、接触良好且不会发生短断路现象的应变片来进行应用，以保证测量精度。37.所述高清摄像头5通过自攻螺钉固定在抱杆5-4的上部，抱杆5-4的底部过螺栓结构安装于沙盘左侧外部的中间位置，高清摄像头5位于沙盘左侧的上方且其视野范围完全覆盖沙盘。38.所述高清摄像头5采用型号为tl-ipc642-a4的全彩夜视摄像头，其主要由镜头5-1、图像传感器5-2、信号处理器5-3组成，像素达400万，红外夜视距离可达30m。沙盘景象通过镜头5-1生成光学图像投射至图像传感器5-2生成电信号，该电信号经过信号处理器5-3一系列加工处理后通过并联线路9传至仿真计算终端6生成图像。通过仿真计算终端控制摄像头转动及聚焦以便对沙盘全景进行观察，可实现对沙盘实体模型位移的补充及校准工作。39.作为一种实施例，所述高清摄像头5可监测沙盘整体情况，对沙盘整体和投影进行录像，方便保存资料及观看回放。仿真计算终端6的pci插槽上安插有视频采集卡，并在仿真计算终端6上安装好视频采集卡驱动。高清摄像头5与仿真计算终端6之间连接有视频信号线，计算终端6上安装有监控软件。40.所述仿真计算终端6由高配置服务器6-1和高清晰度显示屏6-2组成。高配置服务器6-1可采用机架式，其处理器配置可为18核、36线程、3ghz；高清晰度显示屏6-2采用屏幕分辨率能够到达720p以上的显示器。所述仿真计算终端6安装至办公室等地方，以便于数据传输和计算。高配置服务器6-1将风速传感器2、位移传感器3、应变片4采集的力学信息进行数据整合后传入力学仿真软件(力学仿真软件为abaqus或者ansys，或者其他的仿真模拟软件)中进行数值模拟计算，由此获得被测模型在各种荷载及外部环境变化下的位移、应力、应变及损伤结果，最后在高清晰度显示屏6-2上形成三维效果云图和视频，高配置服务器6-1还装有ysv工程测试与信号分析软件v8.0。41.所述高配置服务器6-1上设置有力学仿真软件、ysv工程测试与信号分析软件v8.0及模型建立与处理软件，所述力学仿真软件为abaqus或者ansys软件，所述模型建立与处理软件为gid软件。42.为实现有限元分析工作的前处理、求解、后处理三个阶段，高配置服务器6-1上设置有模型建立与处理软件，如gid软件，具有几何建模、网格划分、cad数据导入、后处理结果显示等功能，gid采用类似于cad的操作模式，进行有限元分析工作的前处理。根据沙盘模型的cad图纸及输电塔等模型的规格数据以确定模型确定坐标系及模型各点坐标，通过现有建模软件gid、ansys、gmesh等进行建模，以块体、杆件分别建立沙盘和输电塔等数值计算模型，模型建立完成后进行网格剖分，而后导出msh文件保存于高配置服务器6-1；同时高配置处理器需装配有限元分析软件，如ansys、abaqus等，来实现有限元分析工作的求解步骤；高配置服务器6-1上安装有计算结果处理与分析软件，gid可将结果写成各种常用的图形文件如：bmp、gif、tpeg、png、tga、tiff、vrml等格式，以及avi、mepg的动画格式。后处理支持的结果显示方式有：带状云图显示、等直线显示、切片显示、矢量显示、变形显示等等，并且可以根据用户的需要定制显示菜单，进行计算数据的后处理。43.全息投影装置7通过投影仪支架7-4安装于沙盘的正上方，通过调节投影仪位置使得3d影像与沙盘实体模型重合。44.所述全息投影装置7采用型号为jxt-1900e的正立金字塔型360度全息投影装置，其主要由正金字塔型锥体棱镜7-1、投影仪7-2、数据线7-3组成。ppx3615型的投影仪7-2设置于正金字塔型锥体棱镜7-1的正上方，正金字塔型锥体棱镜7-1的底部四边尺寸大小与沙盘四边边框顶面的边缘处尺寸大小对应相等，正金字塔型锥体棱镜7-1的底部扣装在沙盘边框的顶面上。正金字塔型锥体棱镜7-1采用幻影成像膜与半透明玻璃制作，其底部四边尺寸大小与沙盘四边边框顶面的边缘处尺寸大小对应相等，其顶部四边尺寸为对应底部四边尺寸的0.194倍，高度为底部长边的0.74倍。仿真计算终端6经数值模拟计算得出相关云图视频后，通过数据线7-3连接至投影仪7-2进行3d投影，通过正金字塔型锥体棱镜7-1表面的镜射和反射作用，最终在棱镜7-1中央形成3d影像图形。该装置通过投影仪支架7-4使投影仪7-2位于整个沙盘正上方，通过调节投影仪7-2的位置使得3d影像与沙盘实体模型重合，最终实现沙盘的虚拟投影。45.温湿度传感器1、风速传感器2、位移传感器3、数据采集仪和高清摄像头5通过并联线路9连接至仿真计算终端6中的高配置服务器6-1，高配置服务器6-1对接收的数据进行数据整合和储存，并进行仿真模拟计算。并联线路9的位于沙盘上的部分设置于沙盘的内部，温湿度传感器1、风速传感器2、位移传感器3、数据采集仪和高清摄像头5五个元器件采用并联连接方式，以便于单独使用其中一种功能；当某一元器件失灵时，不会影响其他模块继续进行监测工作。并联线路9为多条多种类型连接线的集成，其中的每一条连接线均独立，至少包含rs485转usb线、视频信号线。46.本发明一种基于力学驱动的基建智慧管控数值模拟沙盘系统的工作原理与流程：47.(1)针对所需监测的沙盘实体模型8开启相应的监测装置的开关，所述检测装置包括温度湿度传感器1、风速传感器2、对应的位移传感器3、对应的应变片4和高清摄像头5，风速传感器2、对应的位移传感器3、对应的应变片4进行力学信息监测。48.温湿度传感器1根据前文所述安装于相应位置，通过探头感知外界温度变化后，铂电阻温度传感器中的铂电阻会产生相应的函数变化从而获得温度信息，当外界湿度变化后，湿敏电容传感器会感知到空气中的水分变化从而获得湿度信息，将该若干温湿度传感器1的测量数据的平均值作为整个沙盘的温湿度数据；风速传感器2根据前文所述安装于相应位置，通过传感器上的风杯绕中轴转动的速度来感知风力信息，所感知的信息经由传感器内部电路产生脉冲信号，从而获得风速信息；通过位移传感器3获得精确的模型位移信息；应变片4的基底与沙盘实体模型8的对应位置通过粘结剂粘接在一起，以确保两者能够同时产生位移变形，来监测沙盘的位移变形信息，敏感栅4-2能够完成位移变形信息的测量和输出工作，再通过所述引出线4-4将获得的测量信息进行传递；沙盘景象通过高清摄像头5的镜头生成光学图像投射至图像传感器生成电信号，该电信号经过信号处理器一系列加工处理后通过并联线路9传至仿真计算终端6生成图像。通过仿真计算终端控制摄像头转动及聚焦以便对沙盘全景进行观察，可实现对沙盘实体模型位移的补充及校准工作。49.(2)温度湿度传感器1、风速传感器2、对应的位移传感器3、对应的应变片4和高清摄像头5将所获得的数据传输至仿真计算终端6中的高配置服务器6-1上进行数据整合，根据预存于高配置服务器6-1中的沙盘的模型，利用高配置服务器6-1上的相关力学仿真软件进行数值模拟，由此获得被测模型在各种荷载及外部环境条件下的位移、应力、应变及损伤结果并形成相关云图、视频；50.(3)将获得的结果云图通过全息投影装置7投射到沙盘实体模型8上，即可实现被测沙盘实体模型8数值模拟计算结果的三维立体投影。51.实施例152.假设某地存在5个输电塔、3个变压器、2个发电站等电力基础设施，按照一定比例将其制作为沙盘。沙盘长2m，宽1.6m。将本发明的组成部分按上述的对应要求安装在沙盘中，其中监测装置中需要温度湿度传感器1及风速传感器2各3个，位移传感器3共40个，以被测沙盘实体模型为圆心，半径为100mm画圆，并在圆周上等距通过传感器支架等距固定4个位移传感器，以保证获得沙盘中每个模型精确的位移信息。在一个0.1m×0.3m的沙盘实体模型输电塔8上沿竖直方向每50mm安装一个应变片4，竖直方向共安装6个应变片，其他关键位置安装4个应变片，所有输电塔模型共安装50个应变片。仿真计算终端6的高性能服务器6-1选用18核、36线程、3ghz配置，高清晰度显示屏6-2采用屏幕分辨率为1024p的显示器，全息投影装置7的正金字塔型锥体棱镜7-1的尺寸为：底面为2m×1.6m，顶面尺寸为0.388m×0.3104m，高度为1.48m。53.首先开启监测装置的开关，进行力学信息的采集，然后通过引出线及并联线路将采集的力学信息在高性能服务器6-1上进行数据整合。在某一特定时刻，获得3个温度湿度传感器的数值分别为23℃，25.1℃，25.2℃；41％，41.2％，41.3％；3个风速传感器的数值分别为1m/s，1.1m/s，1.2m/s；再通过高性能服务器进行平均值计算，则沙盘周围湿度为(41％+41.2％+41.3％)/3＝41.25％，温度为(23℃+25.1℃+25.2℃)/3＝24.4℃，0.1m*0.3m的输电塔位移为0.1mm。将基本信息传入相关力学仿真软件中进行数值模拟，获得位移、应力、应变及损伤结果并在高清晰度显示屏6-2上形成三维效果云图和视频。再通过数据线7-3连接至投影仪7-2进行3d投影，通过正金字塔型锥体棱镜7-1表面的镜射和反射作用，最终在棱镜中央形成3d影像图形。54.本发明未述及之处适用于现有技术。









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