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                        交互式有限元后處理可視化程序開發

                        添加時間:2018/08/28 來源:南京理工大學 作者:尤志祥
                        本文在對科學計算可視化方法進行分析研究的基礎之上,將其應用于有限元后處理之中,針對有限元分析數據中物理量的屬性,分別對二維標量場和三維標量場可視化技術進行了研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          科學計算可視化涉及計算機圖形學、數字圖像處理和其他多種學科領域,將科學與工程計算過程及計算結果轉換為圖形及圖像在屏幕上顯示,并與之進行交互處理。對于特定物理模型開展科學計算,常產生大量的輸出數據,而如何有效地處理這些數據,從中提取出所需要的關鍵信息,并形象!直觀地顯示,是實現對物理模型有效理解和正確分析的關鍵問題之一,圖形可視化是解決這一問題的主要手段。本文在對科學計算可視化技術進行分析研究的基礎上,將其應用于有限元分析標量數據的分析處理之中,實現了對計算數據準確!清晰的交互式可控制圖像處理。

                          首先討論了本研究所用到的計算機圖形學基本理論,為后續的研究提供了堅實的理論基礎;分析了本文開發的可視化系統用到的基本工具,包括面向對象技術;建立了MFc和openGL的系統框架,為隨后的程序編寫提供理論支持。

                          其二,針對二維標量數據,主要采用等值線和等值云圖來描述。在分析各類等值線和等值云圖算法的基礎上,選擇合適的算法,利用openGL開發出二維有限元數據后處理程序,并與商業軟件TecPlot繪制結果進行分析比較,二者顯示效果近似;將線性插值法和等值線填充法相比較,前者所得圖形更能夠準確的反映標量場的變化。

                          其三,針對三維標量數據,在計算機圖形學基礎之上,研究了各種消隱算法,并選擇Z一buffer測試法,利用OPenGL的渲染功能,獨立開發了一套有限元后處理三維可視化程序,實現三維模型表面等值云圖繪制。

                          第四,利用VC++和OpenGL搭建了有限元后處理可視化系統,實現了對可視化圖形處理與分析的控制,設計了良好的用戶界面,完善了人機交互功能,用戶能輕松方便的使用本可視化系統;本研究工作所編寫的科學計算后處理程序不僅具有高計算效率!高的顯示精度!良好的人機交互界面,而且由于掌握源代碼,而具有良好的可發展性和可移植性。

                          關鍵詞:科學計算可視化,openGL,人機交互

                        Abstract

                          The visualization in scientific refers to involve the computer graphics, digital image processing and other many kinds of discipline domain transforms the science and engineering calculation process and the computed result into the graph and image demonstrated on the screen,and carries on it with processing alternately. The scientific computation according to special physical model results in so large number of data that makes processing these data efficiently and picking-up the key information needed the key problem  as  to  the understanding of physical model.Based on the research on the scientific visualization technology, this paper applied the result into the analysis and processing of the finite element data. For that most physical quantities in finite element data are scalar and some vectors can be displayed as scalar, this paper researched the visualization of scalar field     Firstly, the basic theory in computer graphics involved in finite post processing visualization  is  discussed  in  this  paper,  including  the  model  building,  projection transformation and kinds of Geometric Transformation which provide the theory basis for the further evelopment.

                          Secondly, for that contour line and cloud picture is used to describe two-dimensional scalar data, linear interpolation Algorithm and triangular element fill algorithm have been chosen according to the discussing of the algorithms of contour line and cloud picture. Two-dimensional finite data post processing software is developed by using OpenGL and the drawing results is discussed with that from Tecplot.

                          Thirdly, on the basis of computer graphics, different kinds of elimination algorithms have been discussed as to three-dimensional finite data, and finally, Z-buffer testing is chosen as the algorithm to develop the three-dimensional visualization software by using the rendering function in OpenGL. With this software developed, the cloud picture covering on the faces of three-dimensional model is drawn.

                          Lastly, the system of finite post processing visualization is built with fine user interface and friendly human-computer interaction so that user can easily and conveniently use this visualization system.

                          The program on scientific visualization of post processing developed in this paper is proved as high computing efficiency, high display precision and friendly human-computer interaction.

                          Keyword:  scientific visualization, OpenGL,human-computer interaction

                          有限單元法作為一種強有力的數值計算方法,其應用領域已遍及各類物理場的分析(如溫度場,電場,磁場,滲流場,聲波場等等),從力學線性分析到非線性分析(如材料行為非線性,幾何導致的非線性,接觸行為的非線性等等),從單一場分析到若干個場的藕合分析。尤其在彈道分析,土木,水利,機械,航空,造船等工程技術領域的具體實踐中,它已經轉化為直接推動科技進步和社會發展的生產力,發揮著巨大的經濟和社會效益。同時,伴隨著有限元和計算機技術的出現和飛速發展,有限元分析程序的研制也逐漸成為一門獨立的學科和產業。有限元法程序在總體組成上可分為三個主要部分:前處理部分,有限元分析主體程序,后處理部分。其中主體程序是有限元分析程序的核心,它根據離散數值模型的數據文件進行有限元計算。前處理程序根據使用者提供的對計算模型的簡單描述,自動或半自動生成離散模型的數值文件,并以網格圖的形式輸出供用戶查看與修改。后處理程序以圖形的形式直觀表達有限元計算結果,便于用戶對分析對情況的掌握。目前,對于較好用于實際問題分析的有限元程序來說,前后處理的程序常常超出有限元分析的主體程序,前后處理功能越強,工程技術人員對程序的使用就越方便。

                          可見,有限元分析程序不再簡單是傳統意義上數據文件輸入至數據文件輸出的程序開發,而越來越類似于一項系統工程。其發展除了依賴于有限元法和數值計算理論外,也越來越依賴于現代計算機圖形學,計算機軟件/硬件,軟件科學等諸多學科的發展,成為許多學科緊密結合的產物,F代著名的大型通用有限元分析軟件,如ANSYS,SAP2000,TecPfot等,均具有形象直觀的圖形交互界面,強大全面的計算功能。良好的圖形交互功能使用戶可以方便的通過屏幕菜單,鍵盤,鼠標進行操作,而不必直接面對主體程序分析過程中產生的繁雜的數值數據。

                          同時,隨著分析對象結構的日益復雜化和規模的日益擴大,有限元計算設計的數據類型越類越多,需要的輸入數據量也越來越大,產生的結果數據量也越來越復雜,以致,對輸入信息的檢查和對何對結果數據的理解都產生了困難,使得傳統公式表單式處理手段日漸過時,遠遠不足以承擔著一工作,迫使人們去探求新的軟件技術,科學計算可視化正在這一背景下發展起來的,它憑借計算機自身及輔助設備的圖形能力,把計算中產生的數字信息轉變為直觀的易于研究和理解的圖形與圖像形式,并完整,準確,交互式地呈現于工程技術人員的面前因而,完善可視化處理功能己經成為提高科學計算質量和效率的重要問題之一。

                          可視化技術是圖形學的一個分支,隨著計算機一個年間技術的持續發展,和計算機圖形學的不斷進步,使得圖形技術由二維發展到三維,并使之日趨成熟。

                          我國的可視化技術研究已經在一些領域獲得了應用,但從總體上說相對國外有較大的差距。從1991年起,我國將科學計算可視化的研究列為了國家自然科學基金重點項目,八六三高技術項目及用戶委托的應用項目。清華大學唐澤圣教授主持完成了國家自然科學基金重點項目“科學計算可視化的理論和方法研究”,并且在1999年出版了這方面的專著。先后對規則數據場的體繪制算法,面繪制算法,非規則數據場可視化,散亂數據可視化,科學計算可視化的并行算法,三維復雜模型的多分辨率表示等問題進行了研究。

                          經過短暫十幾年的發展,科學計算可視化理論和方法的研究已經在國內外蓬勃開展起來,并開始走向應用。

                          交互式有限元后處理可視化程序系統搭建:

                        可視化系統界面
                        可視化系統界面

                        旋轉角度設置對話框
                        旋轉角度設置對話框

                        平移參數設置對話框
                        平移參數設置對話框

                        縮放設置對話框
                        縮放設置對話框

                        讀取文件對話框
                        讀取文件對話框

                        有限元模型信息對話框
                        有限元模型信息對話框

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          1 緒論
                            1.1 研究背景
                            1.2 科學計算可視化技術概述
                              1.2.1 科學計算可視化的研究內容
                              1.2.2 科學計算可視化技術的發展及應用現狀
                              1.2.3 可視化技術在有限元分析中的應用
                            1.3 本文的主要工作
                              1.3.1 可視化有限元分析軟件的后處理模塊實現的功能
                              1.3.2 本文主要內容
                            1.4 本章小結
                          2 圖形學理論基礎與程序設計的基本工具
                            2.1 坐標系
                              2.1.1 設備坐標和邏輯坐標
                            2.2 幾何變換
                              2.2.1 空間點的齊次坐標表示
                              2.2.2 幾何變換
                            2.3 投影變換.
                            2.4 面向對象的程序設計
                            2.5 openGL
                              2.5.1 openGL簡介
                              2.5.2 OpenGL的工作原理
                            2.6 MFC與openGL系統框架設計
                              2.6.1 建立項目文件,設定運行環境
                              2.6.2 修改添加相關函數
                            2.7 本章小結
                          3 二維標量場可視化
                            3.1 網格模型
                              3.1.1 有限元的網格類型
                              3.1.2 平面網格模型
                            3.2 等值線繪制
                              3.2.1 等值線的性質
                              3.2.2 等值點的判斷
                              3.2.3 等值線的跟蹤
                              3.2.4 等值線終點的判定
                              3.2.5 等值線的連接
                              3.2.6 程序實現
                            3.3 云圖繪制
                              3.3.1 算法描述
                              3.3.2 程序實現
                            3.4 與其他軟件比較
                            3.5 本章小結
                          4 三維標量場可視化
                            4.1 網格模型
                              4.1.1 定義頂點
                              4.1.2 構造幾何圖元
                              4.1.3 圖形變換
                              4.1.4 實例
                            4.2 消隱
                              4.2.1 算法描述
                              4.2.2 openGL程序實現
                              4.2.3 實例
                            4.3 表面等值云圖
                              4.3.1 算法描述與OpenGL程序實現
                              4.3.2 實例
                            4.4 本章小結
                          5 有限元后處理可視化系統搭建
                            5.1 可視化系統概述
                            5.2 可視化界面設計
                            5.3 程序操作手冊
                              5.3.1 圖形操作的實現
                              5.3.2 數據讀取功能
                              5.3.3 可視化功能實現
                            5.4  本章小結
                          6結論
                          致謝
                          參考文獻

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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