数字孪生-使用Unity构建能实时显示应力应变的孪生模型_unity数字孪生

Motivation - 采用Unity作为孪生技术栈的经历?

最开始想要利用Ansys的Twin Builder模块来进行数字孪生的开发，但是Ansys 的Twin Builder在部署的时候，需要license，要获得license所要花费的价格是难以接受的。 后来想要利用QT+VTK的方式来进行开发，因为QT是用来开发GUI程序比较常用的框架，加上自己所要研究的对象需要实时反映三维的应力应变的情况，VTK是一个专门做可视化的包，也在网上查到Paraview这个非常强大的科学可视化的软件就是基于VTK所编写的，我还专门去研究了一下paraview的源码编译过程，发现最后虽然实现了paraview的编译，但是想要从paraview当中实时拆解一些我所需要的模块进行使用的时候，几乎不可能，可能是自己的水平还不到家。在使用QT开发的过程中，发现要达到自己所想要的孪生的效果所需要的时间成本是非常大的。后面再B站上以及跟进大工宋学官老师的研究，发现有不少人在使用Unity来进行数字孪生模型的构建，自己就尝试使用Unity来进行了，从11号下载Unity完毕到今天15天的时间里，也稍微做一个总结。

Unity有什么优势？

Unity 作为一个游戏引擎，他最直接的优势就是为我提供了一个平台或框架，让我很多东西是不用从0开始的。比如说他的UGUI系统，游戏物体挂载代码来实现对应的行为，动画效果等等。入门是具有一定的成本，但是相较于可以实现的效果来说，是值得去探索和尝试一下的。

现在实现地怎么样了？

首先放几个动图：

(1) 首先是可视化的界面

主要是甲方还是想要一些比较炫酷的效果，想要我给对方做一个demo，这张图只是一个前端，主要是购买了unity官方商店的一个数据可视化的包，就很容易实现，大概花了一天的时间就行，后面接入真实的数据就可以了。 但官方商店太贵了，┭┮﹏┭┮，几百大洋就没了。

想着可以回点血，我也将资源放在淘宝上了, 有需要的小伙伴可以自取（勿喷，一个学生拿将近一个月工资买了也真的很心疼呜呜，之前的插件其实也是花几百大洋买的，但都是免费分享的）：

【淘宝】https://m.tb.cn/h.5nncs1Yn6yWUUal?tk=fqssWTelLsU CZ3457 「Unity3D 可视化素材」
点击链接直接打开 或者 淘宝搜索直接打开

另外给大家避个坑，这家店卖的不是Unity里面要用的包，而是一些psd资源，后面还是需要自己码代码，基本上没什么用。

好了，广告就到这里了。

（2）应力应变实时可视化

由于我的电脑跑整个机架的模型还是有点太慢了，就将其中的一个零件单独拿出来。上面一张图是Abaqus这根零件的变形云图，我将相关的数据抽取出来在unity当中重建了模型，并根据节点的数值大小重新进行了一下渲染，如下面第二张图所示，可以看到在Unity当中重建还是可以接受的。

上面的图则说明顺利地完成了从Abaqus模型转换到Unity的过程。
下面两张动图则是为了验证在Unity当中能够顺利完成实时地渲染。第一个动图则是在mesh节点所有数据上加了一个正弦函数，所以有了一个明暗的变化。

下面的动图则是将四个不同分量进行一个实时地转换，这个倒是比较简单。

经过上面的试验，至少说明在Unity当中已经具备实时显示的基础了；如果不再考虑训练代理模型来进行实时数据更新，最粗暴的方式就是在数据库当中储存一定数量的云图数据案例，按照加载情况进行实时地调用就是（虽然这应该不算是真正的数字孪生）。

以上就是目前的进展了，而后续也打算研究一下代理模型的一些研究。

当前的进展当中遇到了哪些难点？

首先是需要熟悉和了解unity的运行机制，如怎么理解在一个Gameobject上挂代码？如何控制Unity的相机、动画、Shader等等，这些跟着B站的一些教程走还是比较容易地。
其次是Abaqus模型怎么导入到Unity当中.如果只是外观模型的话，可以首先导入solidwork里面，然后再导入到3dmax转化为fbx模型；但是，总有个但是，如果需要渲染应力应变的云图的话，那就需要根据有限元仿真数据和Unity的模型构建机制来重构模型的顶点和三角面，并且编写Unity的Shader代码来根据模型节点上的分析数据（如应变数据）来对模型进行一个实时渲染。

总结一下工作流程

1. 首先提取Abaqus当中的节点信息；
2. 编写脚本解析提取出来的文本信息；
3. 根据解析的数据来构建unity的mesh，里面包含顶点位置、顶点数值和面片信息；
4. 编写Shader来根据顶点数值进行模型的渲染，完成在Unity当中模型的重构。
   如果有需要相关的源码借鉴和参考的小伙伴可以私信，不过稍微有偿噢~