[发明专利]一种基于有限元分析后处理结果的快速三维可视化方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实及三维可视化显示技术领域，具体涉及一种基于有限元分析后处理结果的三维可视化方法。

背景技术

随着计算机技术的迅猛发展，数值仿真技术因其所具有的安全保密、设计灵活、可重复性好、环境和过程可控、效费比高等优点，被广泛应用于工业设计、武器研制、灾害模拟等领域。有限元分析是数值仿真技术中广泛应用的手段之一，常用的有限元分析软件包括ANSYS、LS-DYNA、ABAQUS、MARC等。

虚拟现实技术显示手段丰富多样，支持模型的渲染和驱动，它提供了一种实时的、三维的虚拟环境(Virtual Environment)，具有高度的沉浸性、交互性和构想性，使人能够丰富地体验计算机生成的虚拟世界。

有限元软件的核心优势在于有限元计算，由于其理论建立在求解偏微分方程组基础之上，所以能够深刻地反应客观世界的物理规律。但它们在计算结果的显示手段多样性和模型的通用性方面都有共同的不足：(1)后处理显示功能不足，有的软件只有简单的颜色显示功能；(2)模型不支持纹理和材质渲染，也不能转换到其他的三维显示平台上使用，如模型驱动等；(3)不能和已经日趋成熟的虚拟现实显示技术紧密结合，有限元分析结果的可视化效果差。目前在仿真领域中，数值仿真和虚拟现实属于两种完全不同的技术体系，它们模型规范和模型接口的不一致使得数值仿真的结果难以直接运用到虚拟现实系统当中。数值仿真的计算结果非常复杂，数据量异常庞大，使得模型重用面临许多困难，仅简单地重构和渲染而不进行优化处理将严重影响系统运行的稳定性和效率。另一方面，数值仿真的结果有助于提高虚拟现实系统的物理的真实性和逻辑准确性。如何协调建模分析的真实性和逼真性，将数值仿真和虚拟现实的优点有效地结合起来成为当前一个亟待解决的问题。

有限元软件输出的数据类型基本上是三维网格数据，如ANSYS/LS-DYNA等都可以通过命令行的设置导出该类型的数据，它主要存储网格单元顶点的属性信息、坐标信息和索引信息。该类型数据还常见于计算机X光断层摄影、磁共振、单光子发射计算机断层摄影、地震测定、电子显微镜、大气压的测定和地理信息系统等领域中。这类三维数据的特点是数据量大，数据规则和连续。如果直接重构，那么重构出来的模型庞大、渲染效率低下，直接影响在三维显示平台上的显示效果。

发明内容

本发明为了克服数值仿真软件显示功能简单、手段单一的不足，解决建模渲染平台重用有限元模型时面临的模型通用性不足、模型数据庞大复杂以及模型渲染效率低下的问题，提出了一种基于有限元分析后处理结果的快速三维可视化方法，该方法在对有限元分析后处理结果进行提取、处理和转换的基础之上，改进了在三维建模平台中模型重构和渲染的方法，使其不仅具有数值仿真分析结果的精确性和可信性，同时还具有可视化三维模型的多种操作特性和快速渲染特性。

本发明对数值仿真计算结果三维重构和渲染的方法进行改进，提出了一系列高效、稳定针对三维网格数据处理方法，削减了数据的冗余度和复杂度，从而使得该方法具有简单灵活、资源耗费少，运行效率高和运行速度快，方法易拓展等特点。因此可以很好的满足三维模型实时渲染和驱动的需求。

本发明提供的基于有限元分析后处理结果的快速三维可视化方法包括五个基本步骤，具体如下：

步骤1：生成网格单元体集合，分解网格单元体，剔除内部的公共数据面，生成外轮廓面集合。

该步骤主要由以下四个步骤组成：

步骤①：读入全部网格单元体集合中的网格单元数据Elements。

步骤②：将每一个网格单元数据Element按照数据面顶点定义顺序划分成不同单元数据面Face。

步骤③：生成一个初始时为空的数据面集合FaceMAP，判断单元数据面Face是否存在数据面集合FaceMAP中：如果存在，则从FaceMAP删除此数据面；如果不存在，则在FaceMAP中添加此单元数据面。

步骤④：判断Elements是否遍历完毕：如果没有遍历完毕，则返回步骤①；否则，该阶段结束数据面集合FaceMAP中存储了所有网格单元体的外表面的可见单元数据面，称之为外轮廓面集合。

步骤2：对步骤1中生成的外轮廓面集合进行共面分组，将所有位于同一个平面上的单元数据面归为一组，每组为一个共面的单元数据面集合CoMAP。

该步骤主要由以下四个步骤组成：

步骤①：生成一个系数共面映射表ALLMAP。所述的ALLMAP为平面方程系数和单元数据面集合组成的映射表，其中的平面方程系数与单元数据面集合为一一对应的关系。