| dc.description.abstract | Formålet med denne avhandlingen er å undersøke om virtuell virkelighet (VR) bare er en teknologisk hype eller om den kan bidra til en reell forbedring for kontruksjonsdesign. Mange bedrifter bruker allerede VR som et visualiseringsverktøy, men disse programmene har ikke en toveisforbindelse som gir brukeren mulighet til å manipulere det som befinner seg i VR. Den økende beregningskraften og populariteten til parametrisk modellering gjør det interessant å flytte konstruksjonsanalyse i et parametrisk miljø over til VR.
For å få til dette ble en forbindelse mellom Grasshopper og VR etablert gjennom eksisterende programtillegg for å utforske muligheter innenfor kontruksjonsdesign i VR. Mangelen på analyseprogrammer i Grasshopper som bruker 3D-elementer til meshing, motiverte til opprettelsen av et nytt programtillegg. Basert på teorikapitlet om elementmetoden ble det laget et analyseprogram som mesher massiv romgeometri i 8-nodet heksaederelementer. Programmet, kalt SolidsVR, er en pakke som består av 24 egenutviklede komponenter som kan brukes i et Grasshopper-skript ved å dra dem over til skjermen.
I tillegg til preprosseserings- og beregningskomponenter, innholder SolidsVR postprosseseringskomponenter som visualiserer modellen og resultatene til brukeren i VR. I tillegg er det laget interaksjonskomponenter for å holde SolidsVR parametrisk, også i VR. På denne måten ble det etablert en toveiskommunikasjon mellom brukeren og VR-grensesnittet, slik at brukeren kan gjøre endringer på modellen og få oppdaterte resultater i nær sanntid.
SolidsVR ble laget i mindre deler av gangen, noe som muliggjorde testing og diskusjon underveis i utviklingen. Måten slike programtillegg implementeres gjør det mulig å endre de egenutviklede komponentene eller legge til nye dersom flere funksjoner er ønsket. Dette resulterte i et program som mesher og analyserer relativt avansert geometri, med last- og grensebetingelser. Som et forsøk på å legge til en spennende funksjon å utforske i VR, ble muligheten å iterativt fjerne de mest ineffektive elementene i forhold til spenningsverdien lagt til. VR-grensesnittet visualiserer den justerbare modellen, samt spenningsfordelingen i en valgt retning ved hjelp av farger og en skalerbar deformert geometri.
SolidsVR er en prototype, og vil kunne forbedres gjennom videreutvikling. SolidsVR fungerte likevel i henhold til intensjonen – en realisering av et konsept for å demonstrere det praktiske potensialet.
Analyseresultatene ble sammenlignet med Abaqus sine, og det konkluderes med at nøyaktigheten er tilstrekkelig, gitt nok antall elementer i meshet. For en kube som er meshet i 125 elementer, varierer von Mises-spenningen i en node med 0,32% fra Abaqus. For mer avansert geometri er det nødvendig med et finere mesh for å oppnå de samme resultatene. Videre vil økt antall elementer øke beregningstiden for analysen. Med en kube meshet i 1000 elementer var beregningstiden for analysen utført av testdatamaskinen 3 sekunder. Med finere mesh enn dette nærmer man seg grensen til denne avhandlingen sin definisjon av nær sanntid. Uansett er dette lovende resultater, og med en eksponensielt økende beregningskraft anses ikke dette for å være en bekymring.
Den største begrensningen for SolidsVR var de eksisterende programmene. Ettersom mange komponenter ble laget for å komme rundt utfordringen med å gjøre SolidsVR parametrisk i VR, kan det ha påvirket brukeropplevelsen da prototypen ble testet og utforsket i et midlertidig brukergrensesnitt. Til tross for dette virket forbindelsen med VR som forventet, og det å analysere ulike typer geometri ga nyttig innsikt i VR som et verktøy for konstruksjonsdesign. En tydelig fordel med VR var den enkle navigasjonen og intuitiv visualisering av kontruksjoner i 3D.
Utfordringer ble oppdaget underveis, men ingen av dem store nok til å overskygge fordelene og mulighetene VR gir konstruksjonsdesign. Basert på innsikt tilegnet gjennom denne avhandlingen, ser kombinasjonen av VR og et parametrisk miljø ut til å være et lovende analyse- og visualiseringsverktøy i kontruksjonsdesign.
Hvis VR skal innføres i bransjen, må det lages en VR-tilkobling og et brukergrensesnitt som er tilpasset konstruksjonsdesign og det parametriske miljøet. Det samme argumentet gjelder VR-opplæring av ansatte og programvarer som må tilpasses VR. Hvis VR viser seg å være en reell forbedring for konstruksjonsdesign, vil relevante firmaer bruke ressurser på å dekke disse oppgraderingene.
Det konkluderes med at VR vil kunne bidra til forbedring for konstruksjonsdesign. For å fortsette å utforske dette temaet, kan SolidsVR brukes som den prototypen det er i dag, eller enkelt utvides med tilleggsfunksjoner | |
| dc.description.abstract | The purpose of this thesis is to examine whether virtual reality (VR) only is a technological hype or if it could contribute to a real improvement for structural design. Many companies are already using VR as a visualization tool, but these software programs do not have a two-way connection providing the possibility to manipulate what is in VR. The increase of computational power and the popularity of parametric modeling motivates to move structural analysis in a parametric environment into VR.
To do this, a connection between Grasshopper and VR was established through existing plug-ins to explore the structural design possibilities in VR. The lack of analysis programs in Grasshopper using 3D elements for meshing motivated to the creation of a new plugin. Based on the theory chapter dedicated to the finite element method, an analysis program meshing solids into 8-node hexahedron elements were made. The program, called SolidsVR, is a package consisting of 24 self-made components usable in a Grasshopper script by dragging them onto the canvas.
In addition to pre-processing and calculation components, SolidsVR includes post-processing components dedicated to display the model and results to the user in VR. Additional interaction components were created to keep SolidsVR parametric, even in VR. This facilitated a two-way communication between the user and the VR interface, allowing the user to make changes to the model and get updated results in near real-time.
SolidsVR was created in smaller portions at a time, enabling testing and discussion during development. The way such plug-ins are implemented made it possible to adjust the selfmade components or add new ones as more features were desired. This resulted in a program meshing and analyzing relatively advanced geometry, with load and boundary conditions. As an attempt to add an exciting feature to explore in VR, the possibility to iteratively remove the most ineffective elements in terms of stress value was added. The VR interface visualizes the adjustable model, as well as the stress distribution in a chosen direction using colors and a scalable deformed geometry.
SolidsVR is a product prototype, and it will still benefit from further development. However, SolidsVR worked as the intended proof of concept – a realization of a concept to demonstrate its practical potential.
The analysis results were compared to Abaqus’, and it is concluded that the accuracy is sufficient with an adequate number of elements in the mesh. For a squared cube meshed into 125 elements, the von Mises stress in a corner node only differs from Abaqus’ by 0.32%. For more advanced geometry, a finer mesh is needed to obtain the same results. Further, increasing the number of elements increases the computation time of the analysis. With a cube meshed into 1000 elements, the computation time for one analysis by the test computer was 3 seconds. Finer mesh than this pushes the limit of this thesis definition of near real-time. However, this is still promising results, and with exponentially increasing computational power, this is not considered a concern.
The most significant limitation to SolidsVR was the existing software programs. As many components were created to get around the challenge of making SolidsVR parametric in VR, it may have affected the user experience when testing and exploring the product prototype in this temporary user interface. Despite this, the connection with VR worked as expected, and analyzing different types of geometry provided insight into VR as a tool for structural design. A clear benefit of using VR was the easy navigation and intuitive visualization of 3D structures.
Challenges were discovered during research, but none of which was big enough to undermine the benefits and possibilities with VR in structural design. Based on the insight gained through this thesis, the combination
of VR and a parametric environment appear to be promising as an analyzing and visualization tool in structural design.
If VR is to be adopted into the industry, a customized VR connection and interface must be created to fit structural design and the parametric environment. The same argument is used regarding the VR-training of employees and software programs to be adapted to VR. If VR could be a real improvement for structural design, resources will be set aside by the relevant firms to cover these upgrades.
It is concluded that VR could provide great possibilities for structural design improvement. To continue to explore this topic, SolidsVR can be used as the product prototype it is today, or it can easily be extended with additional functionalities. | |
