基于OpenGL的有限元分析数据可视化系统开发

摘要

科学计算可视化是指涉及计算机图形学、数字图像处理和其他多种学科领域，将科学与工程计算过程及计算结果转换为图形及图像在屏幕上显示，并与之进行交互处理的理论和方法。有限元分析数据可视化是科学计算可视化中最具有挑战性的研究热点之一。 有限元分析数据包括两种：单元数据和节点数据，例如位移、速度一般都是离散在节点上，因此属于节点数据，应力、应变一般都是离散在单元内，因此属于单元数据。这些数据都是建立在有限元网格的基础之上，它们都和邻近的节点或单元存在一定的联系。获取有限元分析数据是进行可视化的第一步。不同的有限元分析软件有不同的数据输出格式，目前还没有统一的标准。本文采用Deform分析数据进行可视化，因此主要讲述Deform软件的数据预处理。 显示网格并构建数据场的结构是整个数据场可视化的第一步，在有限元数据场可视化中，网格是各种数据量的载体，只有先显示网格，然后在其基础上才能进行各种可视化的操作。数据场显示中，无论是只显示网格还是要进行渲染，都必须进行消隐处理，目的是便于检查剖分情形及显示计算结果，使绘出的网格图具有较强的立体感。 对于二维标量数据，主要采用等值线和云图进行描述。等值线绘制是标量数据可视化的主要技术，它通过提取网格数据中某物理量某一数值点的连续分布图形来反映数据之间的某些特性。云图也是一种广泛采用的可视化技术，它将模型表面上某一分析值范围之间的区域用相应的颜色进行填充，进而可以观察某一范围内的值在模型表面的分布情况，它是检查、分析计算结果的一种非常有效的工具，具有直观、漂亮等优点。 本文在对科学计算可视化技术进行分析研究的基础上，将它们应用于有限元分析数据的分析处理之中。结合在有限元分析数据中，物理量大多是标量，并且部分矢量可以转化为标量显示的特点，本文对标量可视化技术进行了研究，重点叙述了等值线和云图显示的原理、算法，最后介绍了可视化系统的开发，实现了可视化系统的界面显示和其中的部分功能。 本文着力进行有限元分析数据的可视化系统开发，把庞大的数据转化为图形输出，便于工程人员分析，从而提高分析效率，也有利于工程设计人员发现其中的隐含问题，为优化设计提供有效的工具和手段。本文是进行可视化系统开发的基础工作，相信在此基础上继续努力一定会开发出一套成功的可视化系统，给社会带来巨大的收益。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1科学计算可视化

1.1.1可视化

1.1.2科学计算可视化的发展

1.1.3科学计算可视化研究的目的和意义

1.2有限元分析数据可视化概述

1.2.1有限元分析数据可视化的研究内容

1.2.2实验型可视化技术

1.2.3有限元分析数据可视化技术

1.3本文的主要工作及研究意义

1.4本章小结

第2章可视化编程平台与数据场数据预处理

2.1 OpenGL简介

2.2 OpenGL的特点及功能

2.2.1 OpenGL的特点

2.2.2 OpenGL的功能

2.2.3 OpenGL工作过程

2.3有限元分析数据的预处理

2.3.1有限元分析数据的获取

2.3.2数据的预处理

2.4本章小结

第3章网格的显示与消隐

3.1有限元的网格类型

3.2单元网格的数据结构描述

3.3网格的显示与消隐

3.3.1网格显示

3.3.2网格的消隐

3.3实例

3.4本章小结

第4章标量场的可视化

4.1标量场的可视化概述

4.2等值线

4.2.1原理

4.2.2算法描述

4.2.3处理等值线不同分支的追踪算法

4.2.3实例

4.3云图

4.3.1算法描述

4.3.2实例

4.4本章小结

第5章有限元分析数据可视化系统的开发

5.1有限元分析数据可视化系统概述

5.2有限元分析数据可视化系统的开发技术

5.2.1可视化图形界面的实现

5.2.2图形操作基本功能的实现

5.2.3可视化功能的实现

5.3本章小结

第6章结论与展望

6.1全文总结及工作意义

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文