三维有限元数据场可视化技术研究与实现

摘要

该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,峭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.该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.该文在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.该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,该文通过分析,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.该文利用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.3.等值面显示也是一种三维数据场可视化重要方法,该文利用OpenGL的Alpha功能实现了体绘制与等值面的混合显示.4.三维实体有限元网格的任意面剖切是显示三维据场分布的一种有效方法.该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,该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,验证了该文方法的有效性,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.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1科学计算可视化的意义

1.1.2三维有限元数据场可视化技术的重要性与难点

1.1.3三维有限元数据场可视化技术的分类

1.2三维有限元网格的剖切算法

1.3三维有限元网格的等值面算法

1.4三维有限元网格的体绘制算法

1.4.1体绘制算法原理

1.4.2有限元数据场体绘制技术的分类与比较

1.5本文内容与取得的成果

第2章基于SLICING的有限元数据场体绘制快速算法

2.1问题的提出

2.2IS算法介绍和分析

2.3单元信息描述表

2.4基于Slicing的体绘制算法

2.4.1初始化

2.4.2处理活性边、单元和外表面表

2.4.3绘制剖切面之间的小单元

2.4.4绘制剖切面之间的外表面

2.4.5形成切面多边形

2.4.6单元中存在凹单元面时切面多边形的形成

2.4.7切面多边形的绘制

2.4.8转换函数的选取

2.4.9病态单元的处理

2.5结果

第3章体绘制中的剖切操作以及多种映射变换函数的实现

3.1问题的提出

3.2.1任意封闭多面体与变换函数的定义

3.2.2OpenGL中Stencil功能介绍

3.2.3利用Stencil功能实现体绘制中的剖切算法

3.2.4多个剖切多面体的结合

3.2.5利用包围盒加速剖切操作

3.3外表面面片的剖切

3.4小单元的剖切

3.5实例分析

3.6复杂剖切体的实现

3.7结论

第4章体绘制中的等值面显示

4.1问题的提出

4.2体绘制中的等值面显示方法分类

4.3等值面与体数据的混合显示

4.3.1等值面的绘制

4.3.2等值面之间的遮挡问题

4.4结果

第5章基于单元信息描述表的有限元网格任意剖切

5.1问题的提出

5.2单元信息描述表

5.3剖切算法与实例

5.3.1基于单元信息描述表的剖切面多边形的快速生成

5.3.2剖面多边形的三角化与等值线、彩色云图的绘制

5.4多剖切平面的剖切

5.5算法分析

5.6结论

第6章有限元后处理软件GRAFE-VR的开发

6.1软件开发背景

6.2GRAFE-VR如何解决跨平台问题

6.2.1不同系统平台间的差异

6.2.2软件开发过程

6.2.3GRAFE-VR简介

6.3GRAFE-VR基本功能

6.3.1三维坐标变换

6.3.2网格图

6.3.3线消隐图

6.3.4面消隐图

6.3.5单元收缩

6.3.6等值线显示

6.3.7彩色云图

6.3.8单元集的色彩标注

6.3.9振型图

6.3.10单元选择

6.3.11适用于单元选择的操作

6.3.12其他功能

6.4GRAFE-VR高级功能介绍

6.4.1等值面显示

6.4.2剖切

6.4.3体绘制

6.4.4体绘制中的剖切

6.4.5体绘制与等值面的混合显示

6.5结论

第7章总结和展望

7.1论文工作的总结

7.2展望

附录A基于形函数的插值方法

参考文献

攻读博士学位期间的学术论文及成果

致谢

论文创新点摘要