基于热固耦合有限元分析的计算可视化系统设计与实现

摘要

科学计算可视化技术就是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中离散的计算结果，“缝合”成连续的图形及图像，使得相关技术人员可以直观地观察和分析判断物理系统的状态及其变化规律。因此深入研究科学计算可视化技术，对拓展其在科学计算数据处理、分析领域的应用有着重要的意义。
　　本文在对科学计算可视化技术的研究现状和发展趋势进行了全面调研分析的基础上，面向“热固耦合有限元分析系统”，重点分析研究了标量场、矢量场和张量场的数据可视化技术，实现了计算可视化系统，并将该系统成功应用于“热固耦合有限元分析系统”中。
　　本文首先对科学计算可视化技术中使用的基本网格数据结构和数据预处理使用的插值算法作了分析，接着介绍了标量场、矢量场和张量场可视化算法的实现及应用。在标量场可视化技术方面，本文对等值线生成算法:网格序列法和等值线序列法、基于OpenGL图元的等值线快速云图填充方法、基于像素的云图填充方法的实现进行了详细地说明。在矢量场可视化技术方面，本文主要针对其中的两个研究方向——基于几何图形与基于纹理的矢量场可视化技术进行了研究，实现了矢量场数据的箭标图法和彩色流线绘制，本文对基于纹理的LIC算法进行了改进和拓展，弥补了原始LIC算法的缺陷，实现了原始LIC算法、彩色LIC算法及其改进算法、LIC纹理动画和三维表面的LIC算法。在张量场可视化技术方面，简单介绍了二维、三维椭球图标算法和实现。
　　最后，本文从实际应用角度，介绍了计算可视化系统的设计和实现，以及各个模块的功能，并在“热固耦合有限元分析系统”中得以应用。
　　经过实际应用，本文开发的可视化系统的可视化结果准确，能够满足有限元数据分析的后处理需求。本系统封装后，已经应用于本实验室自主研发的“热固耦合有限元分析系统”，取得了很好的实际应用效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 科学计算可视化

1．1．1 科学计算与可视化技术

1．1．2 科学计算可视化的实际应用价值

1．2 有限元分析数据可视化

1．3 研究背景及主要工作

1．3．1 研究背景

1．3．2 主要工作

1．4 本文的组织结构

第2章 数据预处理及可视化编程平台

2．1 数据预处理

2．1．1 基于网格的数据预处理

2．1．2 基于插值的数据预处理

2．2 可视化编程平台

2．2．1 C++、VC++、STL

2．2．2 OpenGL功能介绍

2．3 本章小结

第3章 基于标量场和张量场可视化技术

3．1 基于标量场可视化技术

3．1．1 等值线方法

3．1．2 云图填充

3．2 基于张量场可视化技术

3．2．1 张量相关物理理论

3．2．2 椭球图标法

3．3 本章小节

第4章 基于矢量场可视化技术

4．1 基于矢量场可视化技术

4．2 基于几何图形的矢量场可视化技术

4．2．1 点图标

4．2．2 线图标

4．3 基于纹理矢量场可视化

4．3．1 基于纹理矢量场可视化方法分类

4．3．2 线积分卷积方法(LIC)

4．3．3 LIC算法的改进

4．3．4 LIC算法在三维物体表面的应用

4．4 本章小节

第5章 计算可视化系统的设计与实现

5．1 系统设计流程

5．2 系统界面及模块功能

5．2．1 文件模块

5．2．2 计算可视化模块

5．2．3 图形显示模块

5．2．4 工具栏模块和帮助模块

5．3 系统运行结果

5．4 计算可视化系统在热固耦合有限元分析系统中的应用

5．4．1 问题描述

5．4．2 操作方式

5．4．3 有限元分析结果的可视化显示

5．5 本章小节

第6章 总结

6．1 论文工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢