《Marine Structures》：Finite element model reconstruction of welded tubular joints from incomplete point cloud scans
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海洋结构疲劳寿命评估中，基于部分3D扫描数据的自动有限元建模框架研究。通过Python框架重建 inaccessible内壁、插头区及焊根区，结合几何参数与设计标准，生成高精度FE模型。案例验证显示，该框架有效解决传统方法无法准确表征局部几何特征（如焊缝形貌、表面腐蚀）导致的应力集中评估偏差，提升结构疲劳寿命预测精度。
Jelle Plets|宋汉张|齐家成|Kris Hectors|Wim De Waele
索特实验室，机电、系统与金属工程系，根特大学工程学院与建筑学院，Technologiepark 46，Zwijnaarde，9052，比利时
摘要
海上结构的安全性和使用寿命取决于对疲劳关键部位的正确识别和评估，这些部位决定了其运行寿命。标准的海上结构疲劳分析依赖于理想化的圆柱形构件和焊缝轮廓。然而，这些简化方法无法捕捉到实际焊缝几何形状和表面不规则性的随机特性，而这些特性正是局部应力集中的主要因素。虽然将3D扫描技术集成到有限元分析工作流程中可以明确考虑实际构建的几何形状，但仍存在一个重大挑战：在许多情况下，某些关键区域（例如焊缝根部）无法被扫描仪覆盖，从而导致数据集不完整。在本文中，我们提出了一种新的框架，该框架能够自动将（不完整的）原始管状接头扫描数据转换为网格良好的有限元模型。特别是对于无法扫描的区域（包括内壁、塞入区和焊缝根部），我们根据已知的几何参数和现有标准进行了重建。该框架已成功应用于一个退役海上导管架结构的四个全尺寸管状接头的扫描数据，展示了其在疲劳寿命评估方面的潜在价值。
引言
海上风能是全球向可再生能源转型的关键组成部分，需要坚固耐用的风力涡轮机支撑结构。由焊接接头连接的管状构件组成的导管架子结构是中水深度（30-50米）最通用的基础类型[1]。焊接管状接头的疲劳寿命通常是决定整个结构寿命的关键因素，因为它们持续承受循环运行载荷和环境载荷。传统的疲劳设计依赖于理想化模型和简化的修正系数（例如DNV-RP-C203 [2]），这些方法无法准确捕捉到焊缝形状变化或表面退化等局部几何特征。研究表明，即使符合AWS D1.1标准的焊缝也可能导致应力集中系数（SCF）出现显著偏差[4]。这凸显了需要可靠模型来重新评估结构的实际构建几何形状的必要性[5]，而不仅仅是依赖理想化设计模型。随着高分辨率3D扫描技术的发展，这种需求得到了满足[6]。Hou [7]首次利用激光扫描技术对焊接部件进行疲劳评估，证明基于扫描的有限元模型得出的SCF能够准确预测实验观察到的裂纹起始位置。随后，这种方法被扩展到十字形接头和激光焊接对接接头[8]，并根据国际焊接学会（IIW）[9]的建议提出了FAT 300疲劳等级。
为了处理更复杂的几何特征，Fernandez等人[10]从腐蚀钢筋的3D扫描数据中开发了有限元模型。首先，通过扫描样品获得三角形表面网格，然后生成NURBS（非均匀有理B样条）表面；接着使用GiD预处理器[11]生成体积四面体网格，并在有限元模型中分配异质材料属性。然而，Fernandez等人[10]指出，将表面网格转换为NURBS表面并不简单。对于更复杂的几何形状，创建NURBS表面通常需要大量的时间和人工工作。
Niederwanger等人[12]和Kolios等人[13]均使用NURBS表面从扫描数据生成有限元模型，以基于实际几何形状确定应力集中系数（SCF）。Niederwanger等人[12]基于三种类型的焊接接头进行了28次疲劳测试，研究了局部和非局部疲劳指标，并发现SCF值分布最佳符合对数正态分布。Kolios等人[13]专注于双V形对接接头，因为这种接头在海上风力塔架中很常见。他们使用商业软件Geomagic Studio[14]将扫描数据转换为有限元模型，并确定了沿焊接方向的应力集中系数变化。Geomagic Studio中的表面近似方法同样基于NURBS表面[15]。Lang和Lener[16]基于实际焊缝几何形状进行了疲劳寿命估算，结果表明基于3D扫描的预测结果比常见的方法（如结构热点应力法）更为准确。Qi等人[17]利用B样条曲线重建了实际构建的对接焊缝几何形状，并使用实际构建和理想化模型评估了四种基于结构应力的方法的效果。他们的结果表明，结合实际构建的几何形状和Liu[18]提出的零点有效缺口应力方法，最能有效捕捉对接焊缝的几何变化。Hectors等人[19]证明，实际构建的模型甚至可以捕捉到制造过程中的影响，从而预测带缺口的部件的局部SCF。
值得注意的是，上述大多数方法都假设扫描过程中能够完全访问所有几何区域，但这限制了它们在无法接触内部区域的现场海上接头中的应用。实际上，许多焊接管状接头只能部分（例如外部表面）被扫描，导致扫描数据不完整。在这种情况下，一个实用的解决方案是从可访问的关键区域选择扫描数据用于局部模型更新，而结构的其余部分则保持理想化状态[20]。虽然这种方法适用于局部不规则性，但难以处理全局缺陷（如错位或椭圆度），这些缺陷需要全面扫描。在最近的一项研究中，通过将外部表面点向内移动名义厚度来创建管状部件的内部表面[21]，这样可以确保正确的厚度并保留错位特征。然而，这种方法需要大量的人工工作来识别各个管状构件及其轴线。此外，在焊接管状接头中，某些区域（如塞入区）可能仍然无法访问，尤其是在支撑件细长时。
为了解决这一挑战，本文提出了一种基于Python的框架，通过部分3D扫描数据从可访问的外部表面自动生成焊接管状接头的完整有限元网格。在该框架中，基于几何推理和设计假设重建管状部件的内部不可访问表面，同时保留扫描区域的局部实际构建细节。使用这种方法，可以高效地将全局和局部几何变化纳入有限元建模，从而显著减少传统模型创建所需的时间和人工工作。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了新重建框架中实现的方法。第3节通过一个案例研究应用了该框架，该案例研究包括从海上导管架切割下来的四个全尺寸管状接头。最后，第4节提出了结论。
部分内容摘录
重建框架
基于实心元素的有限元模型需要完整接头的水密网格。由于管状接头的某些区域无法用激光扫描仪扫描，因此必须对其进行重建并添加到扫描数据中。这一重建过程通过Python框架自动化完成。为了避免合并多个表面网格的复杂性，直接在从3D扫描获得的原始点云上进行几何重建。
案例研究
在本案例研究中，使用手持式3D激光扫描仪扫描了一个退役海上导管架的四个接头。首先介绍了扫描仪的规格和研究的样品，然后比较了每个样品自动生成的有限元网格与其相应的扫描数据，以评估重建框架的性能。
结论
本文提出了一种将焊接管状接头的3D激光扫描数据自动转换为有限元模型的新框架，标志着结构完整性评估方法的重大进展。主要贡献和发现包括：
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开发了一个完全自动化的框架，可以重建管状接头中无法访问的内部部分，包括管状构件的内壁以及支撑件相交的塞入区
CRediT作者贡献声明
Jelle Plets：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、形式化分析。Songhan Zhang：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论研究。Jiacheng Qi：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论研究。Kris Hectors：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、概念构思。Wim De Waele：撰写——审稿与编辑
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文期间，作者使用了OpenAI的ChatGPT来重新表述部分手稿内容。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
资金支持
本工作得到了比利时联邦政府能源转型基金（ETF）通过FlexWind项目的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
