三维有限元数据场的可视化研究
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摘要
有限元分析过程中产生相当数量的数据信息，将这些数据可视化可以使研究人员能够直接、迅速地观察到计算模拟结果。而AVS软件是一种面向应用的通用可视化系统，它把科学计算可视化技术与计算机能力结合在一起，通过AVS软件提供的模块可以快速开发出一个可视化程序框架。因此笔者在AVS软件的基础上二次开发了三维有限元数据场可视化程序PostCORE。所完成的主要工作及取得的成果为：
首先收集和整理了科学计算可视化技术及可视化技术在有限元中应用的资料，介绍了相关的图形学基本原理和有限元基本理论，总结了AVS／Express高级可视化软件的组成和特点。
其次在AVS软件的基础上开发了三维有限元数据场可视化程序，实现了有限元计算的三维几何模型、网格模型及网格模型的消隐、三维几何模型上任意剖切面的彩色云图、等值线图、位移矢量图、三维几何模型的表面等值线图、等值面图、等值体图、单元收缩图，每个图形中都可以进行数据的交互探查。并且将本程序和Surfer软件分别对同一三维有限元计算数据进行可视化，并将可视化结果进行对比分析，验证了本程序的正确性。
最后，总结了论文的研究工作并提出了进一步研究的方向。
Lots of data are created in the finite element (FE) analysis. When the data are visualized, the FE simulation results can get directly and quickly by researchers. AVS software is a universal visualization system, which links the technique of science computation visualization and the computer's ability. A visualization program frame can be developed base on the AVS's module. The author of this thesis developed a program for 3D FE data fields on the base of AVS software, which is named as PostCORE. The main works and achievements completed are as follows:
Firstly, the documentation about the technique of science computation visualization and the application of visualization technique in FE are collected and classified. The fundament of graphics and the basic theory of FE are introduced. The element and the feature about the advanced visual AVS/Express software are summarized.
Secondly, a visualization program about 3D FE data fields is developed on the base of AVS software. It can create 3D geometry model - mesh model ,. the elimination about the hide line in meshmodek color cloud picture , isoline graph , distance vector graph, surface isoline graph of 3D geometry model, isosurface graph, isovolume graph and cell shrink graph. User may probe data interactively in every graph. Besides, the same calculation data are visualized by the PostCORE program and Surfer software, and a contrast about the same visual graph is made, which prove the correctness of the program.
Finally, a conclusion and the discussion about the next study on this topic are given.
首先收集和整理了科学计算可视化技术及可视化技术在有限元中应用的资料，介绍了相关的图形学基本原理和有限元基本理论，总结了AVS／Express高级可视化软件的组成和特点。
其次在AVS软件的基础上开发了三维有限元数据场可视化程序，实现了有限元计算的三维几何模型、网格模型及网格模型的消隐、三维几何模型上任意剖切面的彩色云图、等值线图、位移矢量图、三维几何模型的表面等值线图、等值面图、等值体图、单元收缩图，每个图形中都可以进行数据的交互探查。并且将本程序和Surfer软件分别对同一三维有限元计算数据进行可视化，并将可视化结果进行对比分析，验证了本程序的正确性。
最后，总结了论文的研究工作并提出了进一步研究的方向。
Lots of data are created in the finite element (FE) analysis. When the data are visualized, the FE simulation results can get directly and quickly by researchers. AVS software is a universal visualization system, which links the technique of science computation visualization and the computer's ability. A visualization program frame can be developed base on the AVS's module. The author of this thesis developed a program for 3D FE data fields on the base of AVS software, which is named as PostCORE. The main works and achievements completed are as follows:
Firstly, the documentation about the technique of science computation visualization and the application of visualization technique in FE are collected and classified. The fundament of graphics and the basic theory of FE are introduced. The element and the feature about the advanced visual AVS/Express software are summarized.
Secondly, a visualization program about 3D FE data fields is developed on the base of AVS software. It can create 3D geometry model - mesh model ,. the elimination about the hide line in meshmodek color cloud picture , isoline graph , distance vector graph, surface isoline graph of 3D geometry model, isosurface graph, isovolume graph and cell shrink graph. User may probe data interactively in every graph. Besides, the same calculation data are visualized by the PostCORE program and Surfer software, and a contrast about the same visual graph is made, which prove the correctness of the program.
Finally, a conclusion and the discussion about the next study on this topic are given.
引文
[1] 陈福全，刘毓氚，朱长歧．土工有限元分析前后处理的一种可视化方法．岩土力学．2000．21(2)：163-166
[2] 程世才，林国成，满波．实用有限元后处理程序的研制和开发．哈尔滨工业大学学报．1996．12(6)：45-49
[3] 陈尚法，陈胜宏．三维复杂域非结构化六面体网格全自动生成方法．岩土力学．1998．19(1)：16-20
[4] 陈胜宏．三峡工程船闸边坡的弹塑性自适应有限元分析．岩土力学．1998．19(1)：13-19
[5] 陈胜宏，王劲松，张君禄．水工结构的弹粘塑性自适应有限元分析．水利学报．1996．(2)：68-75
[6] 陈士军．滑坡稳定分析方法研究．硕士学位论文．武汉大学．2003
[7] 傅少君，陈胜宏等．长沙坝水库大坝加固前后的三维有限元分析．武汉大学．2003
[8] 胡于进，吴俊．有限元模型中等值面的快速体绘制算法．计算力学学报．2000．8(3)：320-325
[9] 黄志澄．数据可视化技术及其应用展望．电子决策与展望．1999．(6)：3-9
[10] 江雄心，万平荣等．三维场量的等值线生成算法．金属成形工艺．2001．(6)：8-10
[11] 林鹏，卓家寿，裴安荣．等值面绘制及其工程应用．西安理工大学学报．1998．(4)：413-416
[12] 刘慎权，李华等．可视化技术及其发展前景述评．CT理论与应用研究．1995．4(1)：7-9
[13] 李晓梅，黄朝晖等．科学计算可视化导论．北京：国防科技大学出版社．1996
[14] 刘永军，李宏男，林皋．有限元计算结果可视化显示．大连理工大学学报．2002．1l(6)：728-731
[15] 刘永军，李宏男．一种画二维温度场彩色云图的新方法．工程图学学报．2001．(4)：59-63
[16] 马书尧，王克用，傅苏红．有限元软件后处理中云图显示技术——等参映射填充法．2003．6(3)：23-28
[17] 罗笑南，王若梅．计算机图形学．广州：中山大学出版社．1996
[18] 齐同军．科学计算可视化在结构有限元分析中的应用．硕士学位论文．大连理工大学．2001
[19] 秦卫星．启适应有限元法可视化集成系统面向对象开发．硕士学位论文．武汉大学．2003
[20] 孙桂茹，马亮．等值线生成与图形填充算法．天津大学学报．2000．33(6)：816-818
[21] 苏海东．有限元处理图形软件FEPS地开发．长江科学院院报．2000．17(3)：19-21
[22] 宋建，邱明伟．应用视算系统AVS／Express．西安：西安石油学院学报．1998．(13)：50-53
[23] 石教英，蔡文立．科学计算可视化算法与系统．北京：科学出版社．1996
[24] 孙黎明，李世其．有限元后处理中的一种快速多等值面面绘制算法．武汉纺织工学院学报．1999．3(1)：69-73
[25] 孙文理，杨文硕，满志强．有限元分析后处理中应力与位移显示的算法．哈尔滨理工大学学报．2000．10(5)：77-80
[26] 唐伏良，张向明等．科学计算可视化的研究现状和发展趋势．计算机应用．1997．17(3)：8-10
[27] 谭林森，张帅普．有限元后处理可视化系统的设计．华中理工大学学报．1997．7(7)：72-74
[28] 唐荣锡，汪嘉业，彭群生等．计算机图形学教程．北京：科学出版社．1999
[29] 唐泽圣，三维数据场可视化．北京：清华大学出版社．1999
[30] 王继龙．计算机科学领域的可视化技术．计算机与现代化．2000．(10)：19-25
[31] 吴鹏，王志坚等．等值线标准软件实现的研究．微电脑应用．2001．17(7)：37-39
[32] 武君胜．有限元分析计算中的可视化技术及其实现．计算机辅助工程．1995．3(1)：47-52
[33] 王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．北京：清华大学出版社．1997
[34] 王晓竣，吴鹏，王志坚．基于三角网的等值线生成及ActiveX实现．长江科学院院报，2001．8(4)：51-53
[35] 谢春，马兰，彭颖红．有限元计算结果的可视化处理．计算机辅助设计与图形学学报．2000．12(2)：81-84
[36] 肖明，袁明道．三维空间等值线和内力图的绘制方法．计算机辅助设计与图形学学报．1998．11(6)：528-534
[37] 肖卫国，贾春华．科学计算可视化的发展及其在兵器领域中的应用．兵工自动化．1997．(1)：50-54
[38] 袁景凌，钟珞，楼梦麟．有限元分析结果的三维可视化．武汉理工大学学报．2001．3(3)：15-18
[39] 杨吉新，陈定方．可视化有限元软件的设计与实现．武汉交通科技大学学报．2000．24(2)：142-145
[40] 杨素军．画等值线的一种算法．天津纺织工学院院报．1998．17(2)：87-90
[41] 杨晓松，顾元宪等．三维有限元模型的任意剖切及其等值线与彩色云图生成的方法，中国图象图形学报．1999．7(7)：574-578
[42] 杨晓松．三维有限元数据场可视化技术研究与实现．博士学位论文．大连理工大学．2000
[43] 袁政强，祝家麟等．用面向对象的方法作有限元计算结果的可视化．重庆大学学报(自然科学版)．2001．24(5)：29-32．
[44] 周剑虹．AVS——先进的可视化软件系统．中国图像图形学报．1998．(9)：879～881
[45] 詹梅，刘郁丽，杨合．三维有限元模拟等值线生成的新方法．重型机械．2000．(1)：36-38
[46] 张谦，蔡虹．3D数据场的可视化技术．计算机工程．1998．5(5)：43-45
[47] 章勤，李品，苗京．一种等值线图绘制算法及其并行实现．华中科技大学学报．2001．9(9)：4-6
[48] Advanced Visual Systems Inc. Getting Started. Printed in U.S.A,1998.
[49] Advanced Visual Systems Inc. Using AVS/Express. Printed in U.S.A,1998.
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[52] Chen S.H., Chen S.E, Cao X.H..Three Dimensional Hexahedron Mesh Generation for Rock Engineering.In: Proc.Third Int.Conf.on Advs.of Computer Meth.In Geo-technical and Geo-environmental Eng.Moscow(Russia): A.A.Balkema.2000.203-206
[53] Gallagher, R. , Nattergated, R.. An Efficient 3D Visualization Techniques for Finite Element Models and Other Coarse Volumes. Computer Graphics. 1989.23(3)
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