[发明专利]基于有限元法的动物（猪）三维实体模型构建及触电仿真

说明书

本发明涉及模拟仿真技术领域，公开了基于有限元法的动物（猪）三维实体模型构建及触电仿真，模型猪包括头部、躯干及四肢；所述包含心、肝、脾、肺、肾、骨骼及皮肤等主要组织器官。有限元仿真模型具有与真实动物（猪）的组织器官的电导率和介电常数相同的电导率和介电常数，并通过有限元软件将所述电导率和介电常数数值赋予所述有限元仿真模型。本发明能够有效模拟真实动物（猪）物理触电实验并获取触电信号，解决目前采取生物体做触电试验耗费大量人力、物力和财力的问题。同时借助于该仿真模型，可更直观形象地观察猪体内电流密度分布，为进一步研究人体电学模型奠定一定的理论基础。

技术领域

本发明属于模拟仿真技术领域，具体涉及基于有限元法的动物（猪）三维实体模型构建及触电仿真，能够实现生物体触电仿真实验。实体模型构建方便、成本低廉，可有效模拟真实的生物体物理触电试验。

背景技术

剩余电流保护装置在低压电网中的广泛应用，可以有效防止触电伤亡事故、火灾事故。随着电力行业的迅速发展，设备在日常生活中的使用也日益增多。与此同时，因为防御措施欠妥以及操作上的误动作导致触电事件频繁发生。当人体触碰带电导线、泄电设备的金属壳或其他带电体时，或距高压电太近时，都可能会导致电击。电气事故不但对人身引起电伤事故，危及人的生命和健康，还可能引起火灾、爆炸等事故，造成设备、房屋以及财产、财物销毁，对人身安全和财产损失产生巨大影响，所以提高电气装配的安全性能就显得十分重要。

目前使用的剩余电流保护装置的动作整定值与生物体触电电流大小没有直接关系，在其安装场所的外界干扰、大气环境变化的情况下，使农村电网中剩余电流保护装置的投运率和正确动作率还很低。从上世纪八十年代初开始，国内外学者对触电保护装置的硬件材料及控制电路进行了不断的改进，但没有研究触电电流检测及提取问题，也就没有从根本上解决剩余电流保护装置存在的问题。

综上所述，为了确保人身安全及低压电网的正常运行，需开发基于触电电流动作的新型剩余电流保护装置，这就需要大量的触电信号来研究触电电流与剩余电流间的相互关系。由于人体标本取材困难，且受到伦理道德的限制，而采用动物做触电试验来提取电流、电压信号，会耗费大量的财力、物力和人力，给研究人员带来诸多不便。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点与不足，提供一种基于有限元法的动物（猪）三维实体模型构建及触电仿真。基于有限元法建立与人的生理各方面相似的动物（猪）的模型，通过施加载荷获得触电信号及电流密度分布图，这为进一步研究人体的触电模型提供相应的理论依据。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

基于有限元法的动物（猪）三维实体模型构建及触电仿真，包括以下步骤：

S1、根据已有的标准动物（猪）模型以及其解剖学结构，采用图像处理技术获取动物（猪）外形轮廓和内部器官的关键点；

S2、在ANSYS软件中，采用自底向上的建模方法，通过由点到线、由线到面、面生成体的过程建立动物（猪）三维实体模型；

S3、在ANSYS有限元模型中，选择单元类型、设置各组织器官的电特性参数并进行布尔运算；

S4、在ANSYS有限元模型中，对动物（猪）实体模型进行网格划分；

S5、在ANSYS有限元模型中，对动物（猪）实体模型施加载荷、求解并进行仿真分析。

进一步地，所述步骤S1、获取动物（猪）外形轮廓和内部器官的关键点具体为：

采用Otsu算法将选取的标准模型图像二值化，利用Canny边缘检测方法提取图像轮廓并细化，采用圆弧拟合方法获取外部轮廓和各组织器官轮廓关键点，并运用3次B样条曲线进行多次边界拟合。

进一步地，所述步骤S2、在ANSYS中建立动物（猪）三维实体模型具体为：