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三维有限元数据场可视化技术研究与实现

杨晓松  
【摘要】: 科学计算可视化技术在有限元数值计算的应用中起着十分重要的作 用,它不仅可以帮助工程技术人员通过直观的视觉工具快速而有效地从 繁杂的计算数据中提取出有意义的特征和结果,而且能够通过视算一体 化的途径改进和发展更有效的计算方法和计算策略。二维数据场可视化 技术发展比较成熟,目前己经在有限元计算后处理以及各种工程软件中 得到了广泛的应用。而三维数据场的可视化方法,由于三维实体有限元 模型和网格的不规则性,许多方法很难满足有限元应用软件的要求,目 前仍然处于研究阶段。 本文的研究工作主要是以体绘制和实体剖切两类方法为中心展开 的,不仅对已有的算法作出改进,而且提出了几种新的算法以进一步提 高图象质量,并保证算法的快速性。 本文的主要研究成果及创新之处是: 1. 体绘制方法是显示三维数据场整体分布特征的一种主要方法。本 文在IS算法的基础上提出了一种适用于任意单元类型的MS方法,改进了 剖切面的形成算法,使算法效率得到很大提高。针对不规则有限元网格 的特点,在MS算法中提出了一种单元重要性函数的概念和小单元补充算 法,提高了体绘制图像的准确率和图像绘制速度。并结合有限元数据场 的特点,提出一种体数据与几何面的混合绘制方法,显著地提高了体绘 制图像的清晰度和真实感。有限元数据场的分布是非线性的,简单的线 性插值会带来较大误差。本文利用形函数的特点,提出了一种体绘制中 剖切面上的插值方法,使得体绘制图像的精度得到了很大提高。在有限 元数据场中存在着病态单元以及凹单元面等异常情况,本文通过分析, 改进了原有算法,给出了正确的切面多边形的形成方法。 2.体数据的剖切是体绘制技术应用中的一个重要问题。本文利用 OpenGL的Stencil功能提出了一种任意封闭多面体对体数据的剖切算法, 进一步展现了数据场内部的数据分布情况。本文利用二叉树对多剖切体 情况下的Stencil参照值的进行了合并,使得在每一切层上的绘制次数达 到最少。并利用包围盒方法和OpenGL的裁减操作大大减少了不必要的 Stencil测试和像素填充,使得算法效率得到了显著的提高。通过对剖切 体前后表面的Stencil操作的统“,大大加快了复杂剖切体的Stencil操作。 3.等值面显示也是一种三维数据场可视化重要方法,本文利用 OpenGL的Alpha功能实现了体绘制与等值面的混合显示。并通过对有限 元数据特点的分析,有效的解诀了等值面之间的遮挡问题和存在孔洞情 况下等值面的正确绘制。 4。三维实体有限元网格的任意面剖切是显示三维数据场分布的一种 有效方法。本文在单元信息描述表的基础上提出了一种适用于任意实体 单元类型的快速剖切算法。 在上述可视化方法研究的基础上,本文工作研究开发了有限元计算 可视化软件GRAFE.VR,作为结构有限元分析和优化设计软件系统JIFEX 的一个子系统,对若干大型复杂结构有限元分析的数据场进行可视化处 理,验证了本文方法的有效性,提高了有限元应用软件的可视化功能和 应用水平。 最后,总结了论文研究工作并提出了进一步研究的方向。


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