（岩土工程专业论文）岩土工程可视化仿真方法及其实现.pdf

七糸交世人学坝i 学位论文 摘要 摘要 有限元前处理分析所需的数据多而复杂，传统的输入方式比较繁琐，很容 易出错：而科学计算可视化技术能将繁杂的计算数据转换为生动的几何图形或 幽像信息的形式，并具有便于进行人机交互处理的优势，以获得广泛应用。目 前岩土工程有限元计算的二维可视化技术发展的已比较成熟，三维可视化技术 由于实体模型和有限元网格的不规则性，使得对有限元应用软件要求较高，在 这方面的程序设计还不是十分完善。 根据科学计算可视化的要求，本文针对岩土工程可视化计算中的问题，研 究并提出了整套简洁精确的二维和三维数据结构、基本模型块及复杂网格自动 划分方法。以有限单元法可视化前处理实用技术开发为目的，编制了相应的v c 十+ 算法程序，对这些算法各组成部分的具体实现方法进行了详实地论述。 算法程序基于流行的计算机软件开发模型，以v i s u a l c + + 6 0 为工具，采 用面向对象的程序设计方法。从整体的软件设计思想，到具体的编程j x l 格及各 部分程序关键点的实现，本文都提供了详细论述。编制的程序执行效率较高， 可读性强，同时也易于维护管理和功能扩充。文中相关研究内容与成果可大致 分为四个主要部分： 1 面向对象和模块化设计思想在编程中的成功应用。总结了有限元二维、三维 前处理问题中的各类数据，并用面向对象的思想对其进行了描述，用v c 高级 语言在微机上得到实现。 2 实现了真f 意义上的人机交互功能。本文利用可视化编程语占v c + + 6 0 在 w i n d o w 2 0 0 0 系统平台上，研制出有限元软件的动态显示界面，具有数学计算、 人机对话、图形显示及修改等功能，不但使得有限元前处理可以在可视化平台 j 二操作，而且可以对其进行修改。 3 由计算机图形学的角度，结合本文算法程序的实现，讨论了从三维实体有 限元模型到二维屏幕视图显示的映射变换全过程，并给出了主要的图形几何变 北* 交通人学坝 学位论义 摘要 换操作的具体算法，如平移、缩放、旋转等。 4 维、三维有限元数据的图形显示。二维问题本文用w i n d o w 环境提供的图 形设备接| 进行图形的显示，三维问题本文结合o p e n g l 技术，对岩土工程的 有限元模型进行显示并对工程的开挖进行模拟仿真。 本文丌发的二维、三维有限元前处理可视化系统功能齐全，可基本满足岩 二i 二工程有限元计算前处理的要求。 关键字：有限元前处理；科学计算可视化；面向对象技术；计算机图形学 ：坐星窒塑丛主塑j 堂焦堡兰垒旦塑里! ! ：l a b s t r a c t t h ed a t en e e d e di nf i n i t ee l e m e n tp r e - p r o c e s s i n ga n a l y s i si sm u c h a n dc o m p l e x ， a n dt h et r a d i t i o n a li n p u tm o d ee a s i l yr e s u l t si nm a k eam i s t a k e ；b u t t h ev i s u a l i z a 。 t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ( v i s c ) c a nd e s c r i b em u l t i f a r i o u sc o m p u t i n gd a t a f i e l d t h r o u g ht h eb a s i cf i g u r e s o rc o l o ri m a g e sa n dv e r ye a s yt oo p e r a t et h ei n t e r a c t i v e t e c h n i q u e s ，s oi ti sw i d e l ya p p l i e di nr e s e a r c hf i e l d s n o w ，i th a sb e e nv e r yp e r f e c ti n t e c h n i a u eo fv i s u a l i z a t i o ni n2 d d a t af i e l d b u tv i s u a l i z t i o nm e t h o do f3 dd a t af i e l d i sd i f f i c u l tt of i t r e q u i r e m e n to ff i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ，b e c a u s eo fd i f f i c u l t yi n i r r e g u l a rs o l i dm o d e l a n d3 dm e s h ，w h i c hi ss t i l li nt h es t a g eo f r e s e a r c h b a s e do nt h ef e a t u r eo ff i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i sp a p e r p r o v i d e sa b r i e fa n dp r e c i s es e to fm e t h o da b o u td a t as t r u c t u r e ，b a s i cm o d e lb l o c k a n d m e s hp a r t i t i o ni n2 da n d3 df i e l d f o rt h ep u r p o s e so ft h ep r a c t i c a lt e c h n i q u e r e s e a r c ho ft h ef i n i t ee l e m e n tp r e - p r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rw o r k s o u taa l g o r i t h mr o u t i n e b y v c 十+ t h eu n i to ft h e s ea l g o r i t h mi si nf u l ld e s c r i b e di nt h i ss t u d y b a s e do nt h ep o p u l a rc o m p u t e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tm o d e l t h ea l g o r i t h m r o u t i n ew o u l da d o p tt h ed e s i g nm e t h o do fo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gb ym e a n s o f t h ev i s u a lc + + 6 0t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n da n a l y s i sm o s ta s p e c t so ft h er e l a t e d p r o g r a md e v e l o p m e n t ，v a r y i n gf r o mt h et o t a l i d e a so fs o f t w a r ed e s i g nt ot h ed e t a i l s u b r o u t i n ec o d e st h u s ，t h ec o r r e s p o n d i n gd e v e l o p e dc o m p u t e rp r o g r a mh a sb e t t e r p r o g r a m m i n ga c t i v i t y , q u i c k l yr u na c t i v i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y , a sw e l l a s e a s yt o e x p a n di t sf u n c t i o n s a c c o r d i n g l yt h ec o n t e n t s s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o nm a yb e s u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n gf o u rm a i n p a r t s ： ( 1 ) s u c c e s s f u l l yu s i n go o p ( o b j e c t e d o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) t e c h n i q u e a n d m o d e ld e s i g nt h o u 曲ti na p p l i c a t i o n t h ea u t h o rg e n e r a l i z es o r t so fd a t ao ft h ef e m 2 da n d3 dp r e - p r o c e s s i n gp r o b l e ma n dd e s c r i b et h e mb yt h eo o p t h o u g h t ，a tl a s t t h e s et h i n g sa r ea c h i e v e di nc o m p u t e rb yt h ea d v a n c e dl a n g u a g ev c + + 6 0 北京交通人学坝i j 学位论文a b s t r a c t ( 2 ) r e a l i z i n gt r u l y i n t e r a c t e df u n c t i o nb e t w e e nt h eh u m a na n dc o m p u t e r t h e p r o g r a mi nt h i sp a g ei sc o m p i l e dw i t hv c i nt h ew i n d o w s 2 0 0 0 ，i th a st h ef u n c t i o no f c o m p u t i n g 、h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 、i m a g ed i s p l a ya n d m o d i f i c a t i o na n ds oo n s ot h ef e m p r e - p r o c e s s i n gc a n r t l na n db em o d i f i e di nt h ev i s u a l i z a t i o np l a t f o r m ( 3 ) w i t h i nt h ef r a m e w o r ko fc o m p u t e rg r a p h i c s ，a c c o r d i n gt os o m ea p p l i c a t i o n e x a m p l e ，t h ew h o l ep r o c e d u r e so fp r o j e c t i v et r a n s f o r m a t i o n sf r o mt h e3 ds o l i dt ot h e 2 ds c r e e n d i s p l a y a r e c o m p l e t e l y d i s c u s s e di nt h i s p a r t e v e n l y , m a n yd e t a i l a l g o r i t h mf o rt h em a i ni m a g eg e o m e t r yt r a n s f o r m a t i o no p e r a t i o n s ，s u c ha st r a n s l a t i o n ， z o o ma n dr o t a t i o nt r a n s f o r m ，a sw e l la ss o m er e l a t e d p r o g r a m m i n gk e y s ，a r e e x p l a i n e d ( 4 ) d i s p l a yg r a p h i c so fd a t ai n2 da n d3 df i n i t ee l e m e n t i n2 dp r o b l e mt h i s p a g ed i s p l a y s t h e i m a g eb yg r a p h i c s d e v i c ei n t e r f a c e p r o v i d e db yw i n d o w s e n v i r o n m e n t ，a n di n3 dp r o b l e mu s i n gt h eo p e n g l t e c h n i q u et od i s p l a yt h ef e m m o d e la n de m u l a t et h ep r o j e c t t h ef u n c t i o no ft h e2 da n d3 df e m p r e - p r o c e s s i n gv i s u a l i z t i o ns y s t e mi sc o m p l e t ea n d p o w e r f u l ，a n d i tc a rm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h ep r e p r o c e s s i n gf o rf e mi ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g k e y w o r d ：v i s u a l i z a t i o n i ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ( v i s c ) ；p r e - p r o c e s s i n g ， f e m ( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) ；o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n i q u e s ；c o m p u t e r g r a p h i c s 北京交通人学坝i 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 铁路、公路、水利、矿冶、国防、城市地铁、城市建设等许多领域，都有 火量的地下工程。这些工程各有一些特殊的要求，但是许多地方是相同的。当 前，随着改革开放的继续深入和国民经济的高速发展，能源、交通等公共基础 设施建设蓬勃发展，不仅工程规模逐渐扩大，而且施工条件。包括工程地质条 件和水文地质条件等越来越复杂，施工对周围环境影响的限制越来越严，因管 理不善或设计、施工技术落后等原因造成的事故和问题逐年增多，不仅造成了 重大的人员和物质损失，而且严重影响了工期，有的甚至会产生非常棘手的遗 留问题，比如，大瑶山隧道由于洞内渗漏，诱发岩溶通道造成地表塌陷，农田 水干枯而后整治，造成多年赔偿，经济损失巨大i “。所以，如何提高地下工程 设计、施工质量，在保证工程自身稳定的同时又兼顾周边环境的安全，已成为 一个不容忽视的问题。 地下工程的稳定性不仅取决于洞室尺寸、围岩性质、地应力大小，而且与 施工顺序、丌挖方式等密切相关，大部分属于复杂的空间力学问题。传统的平 面分析方法难于满足工程要求，必须研究快速三维仿真方法。另一方面，空间 问题几何关系复杂，大量的计算数据难于理解，缺乏直观性，近年来发展起来 的科学计算可视化技术为此创造了良好的条件，用形象直观、生动逼真的图像 显示施工过程及其围岩响应，无疑会极大地减轻计算工作量，提高效率。众所 周知，隧道工程信息化施工管理的概念是随着新奥法的出现而被提出和加以重 视的，它的基本思想是为了充分发挥围岩自承能力，要求开挖后实时量测，迅 速反馈。事实上，这也是当前隧道工程进行施工管理的基本原则。目前隧道信 息化设计的做法是：在初步地质调查与围岩分类的基础上，主要用工程类比法， 或辅以力学分析法，进行预设计，初步选定支护参数：在开挖工程中进行围岩 变形监测；并且将监测信息反馈于设计与施工i “。反馈方法有两种：一是经验 第l 负 j 匕玳交通人学坝i 学位论义第一章绪论 方法，二是力学方法，利用测得的围岩位移反推岩体的初始地应力和岩体变形 性质的等效宏观参数，并用以作为输入信息对岩石工程进行围岩稳定分析，从 巾获得是否必要修f 支护参数与施工方法的输出信息。这种处理方法类似于科 学计算中采用的跟踪( t r a c k i n g ) 处理方法。它是在数据计算的过程中进行数据 的n 视化，用户可以控制数据改变显示参数以及显示过程，但不能够干预数据 的仿真计算，其缺点在于数据仅仅在计算时爿。有用。另外在科学计算中还有一 种驾驭( s t e e r i n g ) 技术，它能在进行科学计算的同时，用图形方式显示数掘的 结果，并且能够干预计算模型及其参数。改变计算过程的可视化技术【引。以前 由于软硬件性能还达不到跟踪与驾驭的使用要求，大量的计算过程还处于事后 处理阶段。可是现在计算机技术高速发展，各式各样的开发语言越来越成熟， 解决问题的范围越来越广，从而使得跟踪与驾驭的实现成为可能。所以跟踪与 驾驭技术在有限元程序可视化中的研究应用已成为了目前的研究热点。 1 2 科学计算可视化技术论述 1 2 1 科学计算可视化的基本概念 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t a t i o n ，简称v i s c ) 这一术语是在1 9 8 7 年由b h m c c o r m i c k 等根据美国国家科学基余会召开的“科 学计算可视化研讨会”的内容撰写的一份报告中f 式提出的，它是9 0 年代计 算机应用新技术的热点之一叫】。 科学计算可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程与结果 中的数据转换成图形及图像的形式在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、 方法和技术。科学计算可视化这一概念的提出有两大主要推动力：首先，进入 8 0 年代以后，科学数据的大量产生与缺乏有效地解释这些数据手段的矛盾同益 尖锐，因此出现了一方面不断产生数据，另一方面因无法及时解释和利用这些 数据，而只能把海量的科学数据储存起来，形成浪费的局面。这样科学计算可 视化为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。其次，科学计 算可视化是为了解决目前信息手段贫乏而提出的。它的出现把计算中产生的大 第2 斑 北京交通人学顺i j 学位论义第一章绪论 量数据信息转化为更为直观的、易于理解和接受的、可进行交互式分析的、以 图形或图像形式表示的静念或动态的画面，从而帮助人们更好地理解和驾驭科 学数据，从繁琐的数据中解放出来| 3 l 。 科学计算可视化的关键是“图形数字化”。其实质就是将实际问题通过图 形或图像这些易于理解的符号标记表达出来，这些符号标记是些记录数据，表 现为在屏幕上的点阵图。利用计算机对这些有一定坐标位置的点的存储和显 示、颜色或深浅的变化、以及几何位置计算，可生成不断变化的并可以用算法 来描述的多彩多姿的生动图形或图像。这样就把图和数字联系起来，一张图就 是一堆有意义的数，图中包涵了各种实际问题的信息量，图的变化直接反应了 实际问题；反过来，有了数就可以像通常在纸上手工作图那样将图画在屏幕上， 但它比通常画图手段更容易操作、修改。 可视化技术在有限元法的工程应用始于6 0 年代未的实体造型技术建立在 对一些简单体素的布尔操作上。实体造型与有限元网格划分和后置处理显示结 合在一起则是8 0 年代中期发展起来的技术。如今正在开展将实体造型与层次结 构的有限元空间设计的思想结合在一起的研究工作| 3 l 。一些重大的实际问题通 过实体造型、优化网格划分和人工智能相结合的方法来解决。本领域的关键技 术是开发先进的三维成像技术。 总之，科学计算可视化将极大地提高科学计算的效率和质量，实现科学计 算工具和环境的进一步数字化、现代化，从而使传统的科学研究工作的面貌发 生根本性的变化。科学计算可视化在计算结果的分析过程中所带来的直观性、 准确性等都给科学家们带来了很大方便。它的快速发展已经引发了科学计算的 计算风格的一次革命，几乎所有的科学和工程技术领域都可以利用它来加强信 息的传递和理解。 1 2 2 科学计算可视化的现状与发展 二十世纪的一场重要技术革命就是计算机的出现，它的巨大意义在于继实 验方法、理论方法之后引进了第三种科学手段一计算。科学计算作为一门工具 第3 页 北京交通人学坝j 。学位论文第一章绪论 性、方法性、边缘性的新科学，已经确立和得到发展，并已在各种科学与工程 领域中形成了计算性学科分支，如计算流体力学，计算力学、计算物理等等。 科学计算可视化是在8 0 年代_ f 吾期产f ，并于9 0 年代得到快速发展的，是 一项涉及面较广的关于计算机应用新技术的研究领域。美国、西欧、同本著名 的大学、研究所、超级计算机中心和各大公司纷纷进行了科学计算可视化理论 和方法的研究，并在重要的国际计算机图形学会议上发表论文，科学计算可视 化已成为近年来国际学术会议讨论的一大热点问题。其技术水平正从后处理向 实h , i 口r 踪和交互控制发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能计算 机图形工作站及虚拟现实四者结合起来，反应了这一领域技术未来几十年内发 展的重要内容和研究方向。自1 9 9 0 年以来，美国电气和电子工程师学会( i e e e ) 每年举行一次有关科学计算可视化的学术会议并出版论文集；又从1 9 9 5 年开 始，美国i e e e 会刊中增加了计算机图形与可视会刊“i e e et r a n s a c t i o n so n v is u a i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s ”。与此同时，美国、德国的超级计算 机中，t l , 、研究所及大公司着手开发用于科学计算可视化的软机系统，并形成商 品推向市场。在有限元计算领域比较著名的计算可视化软件有a n s y s 、n a s t r a n 、 a d i r l a 、s a p 等，其大多用f o r t r a n 语言开发，规模达到几万条甚至几十万条， 功能也越来越完善强大。经这十多年来，科学计算可视化理论和方法的研究已 经在国际上蓬勃发展起来并逐步走向市场应用。 近年来，科学计算可视化技术在国内也开始研究和应用，并取得了一定的 成果。中国力学学会计算力学专业委员会、中国图像图形学会可视化专业委员 会及中国工程设计计算机应用协会于1 9 9 5 年9 月召开了第一届科学计算和工程 设计可视化学术交流会。自从，在我国可视化技术的研究和应用进入了一个新 的发展阶段。清华大学的唐泽圣教授主持完成了国家自然科学基金重点项目“科 学计算可视化的理论与方法研究”，并于i 9 9 9 年出版了这方面的专著。另外虽 国内可视化软件的开发工作还刚起步，不过也取得了一些可喜的成绩，比如华中 理工大学c a d 中心开发的有限元可视化系统f e v s ( f i n i t ee 1 e 丌1 e n t 第4 页 北京交通人学坝i 。学位论义 第一章绪论 v is u a l i z a t i o n s y s t e m ) ，西北工业大学c a d c a m 研究中心丌发的 v i f e m r e ( v i s u a l i z a t i o no f f i n i t ee l e m e n tm e t h o dr e s u l t s ) ，浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室开发的g i v e ( g e n e r a l i n t e r a c t i v ev i s u m i z a t i o n e n v jr o n m e n t ) 等1 4 , s 】。 h 面论及那些软件通用性及交互能力不强，而且大都是基于传统可视技术 丌发成功的，如何尽快的开发出比较通用的能够运行在高性能微机以及工作站 上的并且能够真正反映可视化技术发展水平的可视化软件，是我们当前软件工 作者和工程人员的一项重要课题。 科学计算可视化技术的不断发展壮大，联合了下述独立而又相关的领域： 计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计、信号处理和用户界 面研究。科学计算可视化发展过程从其功能上来说，经历了三个阶段：后处理、 跟踪处理和驾驭控制。这三种方式在前面已经论述过，从中我们可以看到可视 化过程的主要特点是： 夺交互性：用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据； 夺多维性：可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量而数据可以 按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示； 可视性：数据可以用图像、曲线、二维图形、三维形体及动画来显示，并 可对其模式和相互关系进行可视化分析。 如今的有限元可视化程序一般具备以下几个功能： 用恰当的图形表示方式显示数据场中的各类物理量的分布情况； 画面的各类操作功能； 交互式改变观察点功能： 任意角度的切片功能； 实时改变颜色索引功能： 消隐和明暗处理功能； 动画功能： 第5 页 夺 夺 夺 夺 夺 夺 夺 北京交通人学倾i j 学位论义第一章绪论 夺驾驭式可视化功能【2 】。 1 2 3 科学计算可视化的实现工具 目前国内外流行的可视化软件都有一个共l 司的特征：带有自己的图形支持 环境。一个好的图形支持环境应该有强大的数据处理能力，还有具备完善的可 扩展能力，这样即适合非专业人员完成一些基本功能，也适合专业人员进行二 次开发，加入适合自己专业特性的东西，以扩充完善系统的功能。如今科学计 算可视化的实现工具手段有许多，各种高级语言、程序包、库类更是多种多样， 因此为实现科学计算可视化提供了多条路径，比如有基于已有技术( c a d 技术 等) 的可视化软件，也有基于独立的开发平台的可视化软件。从中我们很清楚 地发现，实现计算和图形的双重交融的关键，是找到适用的软件开发环境的标 准。目前流行的m i c r o s o f t 公司开发的v i s u a l 系列软件是最理想也是最常用的 选择，v i s u a lc 十+ 是m i c r o s o f t 公司至今最全面和完善的程序开发产品，它提 供了一组的为适应不同编程风格而设计的工具框架，在编程能力和方便性方面 达到了空前的水平。同时它也是真正意义上的面向对象的编程工具，改变了以 往“算法+ 数据结构”旧式结构化编程概念，把程序的可维护性和可扩展性提 到了一个新的高度矾。 v i s u a l 系列软件的以下特点也是科学计算可视化特征所需要的： 夺v i s u a lc + + 是在w i n d o w s 的基础上进行编程，突破了在d o s 环境中对基本 内存6 4 0 k 的限制，解决了长期以来困扰编程人员的内存空间不足的难题， 使得在微机上开发复杂问题的科学计算程序成为可能，同时其完全按照 w i n d o w s 系统中的消息命令响应方式进行运行，使开发的程序完全兼容于 w i n d o w s 操作系统，具有很高的运行效率： 夺v i s u a lc + + 提供了各种各样的图形库，弥补了f o r t r a n 语言在图形处理方 面能力较弱的缺点： 夺v i s u m c + + 提供了诸如对话框、快捷键、工具条、位图等及其丰富的资源， 使得程序可以编制出各式各样的界面： 第6 页 北京交通人学坝 j 学位论义 第一章绪论 夺微软公司提供了另一个软件开发环境f o r t r a np o w e r s t a t i o n ，可直接编译 运行原d o s 下的f o r t r a n 有限元程序，其与v i s u a lc 十+ 进行混合编程可以 不用重新修改原有程序资源即可使用，如此大大提高工作效率； 夺v i s u a lc + + 还提供了多线程、进程问通信、o l e 编程、a c t i v ex 控件等技 术，使得程序丌发更方便，功能更为强大。 1 2 4 可视化技术在有限元分析中的一些热点 ( 1 ) 前后处理技术 前处理主要指有限元网格的自动生成，网格自动生成过程分为数据准备和 自动剖分两个步骤，典型的网格生成算法有：d e l a u n a y 法、映射法、拓扑分解 法、四分法、p a v i n g 法、前沿法、行波法和合成法等。它们比较分析见表l 一1 ( 表中n 为网格节点数) 。 表1 - - 1 几种典型网格生成算法对比 9 0 年代后，出现了自适应有限元技术。程序根据控制误差的需要，自动进 行网格的优化和细化，提高计算精度。这是目前有限元技术的最前沿课题之一。 自适应技术的关键在于有限元计算的误差估算。最近几年中，关于误差估算有 大量的文献出现，如关于线弹性问题、高速水流问题、n a v i e rs t o k e s 方程、 h e l m h o l t 方程、摩擦接触问题等都有专门的算法。 第7 贞 北京交通人学顺i j 掌位论义 第一章绪论 后处理技术包括标量场的可视化和矢量场的可视化两大类技术，标量场的 町视化方法主要有等值线图、彩色云图、线架曲线图和等值面及切片图，其中 以等值线图和彩色云图最为常用；矢量场的可视化方法主要是箭头线段表示法。 云图的生成算法有以下3 种： 夺根据所选物理量，在有限元网格上以不同颜色填充网格，产生既简单又十分 直观的量值分布彩色云图 夺在两等值线之l 训的区域内填以不同的颜色 夺扫描线算法 具体算法的实现可以参考文献1 7 - 1 5 l 。 ( 2 ) 面向对象技术 面向对象技术包括数据抽象和封装( d a t aa b s t r a c t i o na n d e n c a p s u l a t i o n ) 、继承性( i n h e r i t a n c e ) 、多态性( p o l y m o r p h i s m ) 等优点。 数据抽象指的是从较特殊类或对象抽象出一般性的属性以建立一个超类( s u p e r c l a s s ) 的过程，在这个过程中，我们研究目标程序要解决的问题和组成该问题 的概念性的实体，并在不同程度上进行抽象。数据封装又称数据隐藏指的是方 法和数据放于同一个对象中，对数据的存取只能通过该对象本身的方法来进行， 其它对象不能直接作用于该对象中的数据，对象问的互相作用只能通过信息进 行。这一特性大大地降低了模块问的耦合性，从而提高了程序的可靠性，尽可 能地排除了对数据进行任意访问造成的隐患。继承性就是指一个类可以继承其 父类的所有数据和成员函数，同时又可以定义自己的数据和成员函数。这使得 编程工作大为减轻。因为我们可以使用某类来完成一些普通的工作，而用特定 的泪来完成特定的工作。多态性是指同一信息被不同的对象接收后解释为不同 含义的能力。由于这种特性，不同的对象接收到用户统一发送的信息就可以完 成不同的工作。面向对象的方法使得计算机程序处理事件的方式更加贴近现实， 继承性和模块性使得新的应用程序可以在原来对象的基础上，通过重用和扩展 来进行，而不必从头做起或者拷贝原有代码，这大大提高了程序开发的效率， 第8 贾 北京变通人学倾i j 学位论文 第一章绪论 减少了重新编写新代码的工作量，同时降低了程序设计过程中出错的可能性 1 1 6 1 。一般认为，面向对象的有限元方法具有如下优点： 夺建模概念明确，易于组织程序体系结构； 夺程序模块具有强内聚度和低耦合度，易于维护和修改； 夺与其他系统的数据交换具有强嵌入性； 夺系统易于向智能化方向发展。 ( 3 ) 可视化界面 视窗技术的出现给传统的有限元程序注入了生机和活力，以前的程序只能 通过键盘输入来完成，漂亮的图形用户界面在d o s 环境下，需要大量的代码来 完成同样的工作，但是效果没有w i n d o w s 提供的那么好：如今输入手段有很多， 可以通过控件、菜单等接收窗口命令，面向对象的可视化程序利用事件和方法 等概念很容易完成各种窗口命令。有限元程序中的各类操作可以放到菜单和控 件内，把许多的命令加以集成和归类，最后复杂的有限元操作可以通过一系列 的菜单操作和控件操作来完成。一个可视化的程序操作界面包括以下两个区域： 非客户区和客户区。非客户区一般有边框、标题条、菜单栏、工具条、滚动条 及状态栏等内容：客户区是窗口中最大的一块空白矩形区域，用于显示应用程 序的输出。这样，清晰的可视化界面方便了用户的操作，把软件开发者与软件 使用者分开来，软件使用者经过很少的时间训练就可以熟悉程序，完成一系列 原本专业性很强的工作1 6 , 1 7 1 。 ( 4 ) 三维交互技术 目前在可视化中的三维交互技术包含： 夺采用各种硬件及软件方法实现比传统意义上更先进的人机交互 夺采用立体图形的显示及绘制方法使用户能观察到具有真正立体深度的图形 夺采用可视语言的方法使用户能够在可视软件平台上实现方便的编程及作业 夺采用交互视算技术控制数据的产生过程等 采用这些手段的目的是为了使更多非计算机专业的用户都能迅速适应可视 第9 页 北京交通人学坝i 。学位论义笫一章绪论 化环境，使可视化系统和软件成为他们的得力助手。对于一个完整的图形系统 来说，交互性能的好坏直接影响了整个图形系统性能的优劣。三维交互技术使 用户产生真f 的身i 临其境的感觉，l l - - 维技术更具有较强的生命力。 ( 5 ) 剖面显示技术 任意剖面实际上就是在每一个体元上求它与剖面的交点，刁i 同的体元求交 面复杂程度各不相同，为了方便，体元的选择多采用对称和简单的结构，如立 方体、四面体、三棱柱体等。一般而言，剖面生成步骤如下： 夺计算每一体元是否与剖面相交，也就是判断体元各顶点到剖面的距离，若都 为正或都为负，则体元与剖面不相交，否则相交： 夺考虑与剖面相交的体元，计算出各条边是否与剖面相交并计算出交点： 夺由各交点连接形成体元与剖面的交面，并依照体元各面之间的关系来排列交 点； 夺求各交点属性值。可以用顶点线性插值计算出来。 显示所有体元的交面，就形成了模型的剖面，然后用显示技术把这个剖面 的信息。 ( 6 ) 体绘制技术 科学计算可视化技术发展的一个突破性进展便是体绘制( v o l u m e r e n d e r i n g ) 技术的出现。对基于体绘制算法的可视技术的研究是当前可视技术 的研究热点。这些算法大都用离散方法加以实现，如l w e s t o v e r 提出的以物空 间为序的体绘制法的m l e v o y 提出的以像空间为序的体绘制算法。从上面的叙 述中我们不难发现，基于传统图形学的可视技术对于三维数据场建模形成三维 形体后，将三维形体投影到二维平面上，通过形体的深度信息，产生立体感，但 是这种图形只是表示了三维形体空间表面的效果，没有揭示三维数据场的内部 的变化规律，虽然可以通过其它软件技术，如切片技术、剖面技术等来观察数据 场的内部的变化规律，但其反映的信息量却比较有限。体绘制技术正是为了克 服这种局限性而发展起来的新一代可视化技术，这种技术的特点是对三维数据 第1 0 页 北j ， 交逋人掌坝1 学位论文第一章绪论 的总体显示对它的不同层次、材料、特性的各个组成部分，在一幅图像中整 体表现出来，得到的是三维体数据的全局图像。它同传统的可视技术的主要区 别在于：它不通过几何造型等其它的中间转换手段，也就是晚，它的处理对象 不再是曲线、曲面等几何元，而是直接对一个三维标量场或者矢量场进行操作。 它的基本原理是从数据场出发，将体空间的每一体元都看成是能够接受或者发 出光线的粒子，每个粒子都分配一光强及一定的透明度，沿着视线观察方向将 这些粒子投影到二维图像平面上，计算每个粒子对整体所作的贡献，累加起来就 r u 以得到一幅透明的投影图形 3 , z 2 , 2 3 i 。 在具体的处理过程中，体绘制算法分成两大类：光线追踪法( r a yt r a c k i n g ) 和投影成像法( p r o j e c ti m a g i n g ) 。前者从视点向各个像素追踪光线穿越数据 域，通过合成每条光线上所有体素的影响，求取各个像素的色彩。后者则是先 将所有体素的影响投影到成像面上，然后依体素影响在各个像素上的迭加顺序， 用某种合成方法，形成各个像素的颜色。两种方法有个共同之处在于：每个像素 的色彩都是沿着体素的影响在此像素上的迭加顺序，用合成算子递推迭加合成。 目前，尽管进行体绘制研究的人很多，也取得了不少成果，但是体绘制技 术还存在不少问题： 夺体绘制强调对整体信息的显示和理解，由于软硬件技术的限制，体绘制技 术的这个优点正好也带来了某种程度上的不足。由于体绘制强调一次性处理 全部数据单元，涉及到的数据量庞大，导致计算量较大，显示速度较慢，对 于基于时间序列的三维动态数据场的动态显示更是显得无能为力；另一方面， 由丁二映射函数的处理过程中，映射区域的分割不能太小，否则计算量也会迅速 增加。因此对局部信息不能进行更细化的处理，导致局部细节不好理解，生 成的可视图比较模糊，要理解一幅图像常需从不同的角度、不同的视距，以 产生不同的视角和大小的可视图来综合分析才行。 夺体绘制的方法的实质可概括为三维数据场的重新采样( r e s a m d li n g ) 和对采 样结果的图像合成( i m a g ec o m p o s i t i o n ) 两个主要过程。由于要对空域中每个 北京变通人学倾i j 学位论义 第一章绪论 体元( v o x e l ) 至少访问一次，才能完成采样过程，因此对于大小是n 的数据场， 这类算法的复杂度将不会低于0 ( ，对可视化的实时性要求越来越高的情况 下，成为限制体绘制向更深领域发展的重大障碍之一”1 。 1 3 论文研究目的及意义 地f 洞室的开挖与支护是一个多步骤的、每次开挖都对以后开挖产生影响 的复杂过程。地下工程结构在施工工程中始终处于加载、卸载的复杂变化工程 中，由于丌挖具有加载途径性，所以施工过程不同、开挖顺序不同、支护和填 充步骤不同，都有各自不同的应力、变形历史过程和最终不同的力学效应。在 一定条件下，改变工程工艺及施工顺序可以使不稳定的岩土工程变为稳定：相 反，不合理的工程工艺和施工顺序可能导致岩土空间的不稳定。在复杂的工程 条件下，只依靠简单的工程类比法是远远不够的。这要借助于有限元这个计算 方法，选择合理的力学模型及边界条件进行数值模拟，由此来确定最佳的丌挖 与支护过程。 本课题的目的就是从岩土工程的基本理论出发，针对有限元的前处理中的 各类问题，高度概括抽象出有意义的计算数据，同时开发一些基本模块、接口 及有限元的人机操作界面，这样才能更直观、有效地对前处理进行操作、控制 和功能的扩展。 计划程序分为两个独立的进程，即有限元计算进程和人机图形界面进程。 运行时两个进程同时运行，每当操作图形元素时，有限元计算进程中的数据结 果存入临时数据缓冲区中，再将这些数据发送给人机图形界面进程。 在早期的m s d o s 操作系统下，应用程序运行方式是独占方式，有限元计算 完成后方可进行图形处理，同时没有菜单提供方便，无法满足我们实时可视化 的计算要求。w i n d o w s9 x n t 操作系统支持多任务多进程，一次可以运行多个 应用程序，更支持同一个应用程序中有多个进程或多个进程同时进行，这样爿 能满足我们实时可视化的计算要求。 可视化技术在有限元设计中应用不仅能够把人们从烦琐的数据后处理工作 第1 2 页 北京交通人学硕t j 学位论文第一章绪论 中解放出来，而且能够方便地实现对计算过程的干预控制，使得计算机仿真几 乎同实物实验一样的直观，能够节约大量的人力、物力、财力，对于更有效地 进行科学研究具有重大的意义。 1 4 论文的研究内容和步骤 1 4 1 开发环境 整个系统以多媒体电脑为硬件平台，以w i n d o w s2 0 0 0 为软件平台，并采用 并行处理技术，提高整体视觉速度。为了加强人机交互能力，整个系统采用面 向对象的编程技术和方法，采用v i s u a lc + + 6 0 语言编程o p e n g l 图形系统， 计算部分则采用面向数值计算的v i s u a lf o r t r a n ( d i g i t a l 公司开发的软件) 语言进行编程。 v i s u a lc + + 虽然没有d e l p h i 、v b 等可视化开发工具在界面设计方面、代码 设计方面那么方便、简单；但是它有其独特的优点，比如：代码效率高、更强 大的数据访问功能，另外从开发事件、费用到形成及软件可重用性、可扩充性、 可维护性和可靠性等方面，v c 都显示出了更强大的优越性。 o p e n g l 是美国高级图形和高性能计算机系统公司s g i 所开发的三维图形 库，o p e n g l 被设计成适合于广泛计算机环境下的三维图形应用界面( a p i ) ，目 前它已成为开发的国际图形标准，o p e n g l 是s g i 公司开发的一种三维工具软件 包，在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性。它具有建 模、变换、光线处理、色彩处理、动画以及更先进的能力，如纹理映射、物体运 动模糊效果和雾化效果等。o p e n g l 为实现逼真的三维绘制效果，建立交互的三 维场景提供了优秀的软件工具。它广泛的应用于科学可视化、实体造型、 c a d c a m 、仿真、图形处理、地理信息、虚拟现实等领域。大多数o p e n g l 编程 多以c 语言为蓝本，所以用v c 和o p e n g l 开发有限元可视化程序必能相得益彰。 1 4 2 可视化技术具体的实现 本系统包括三大模块：建模模块、有限元求解模块、辅助模块。其结构框 图见图l 一1 所示。 第1 3 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