（材料加工工程专业论文）注塑成型三维流动模拟系统中若干关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 摘要 h s c a e 3 d r f 系统是华中科技大学华塑软件研究室新一代三维真实感注塑模 流动模拟软件。该系统采用了o p e n g l 作为新的三维图形核心和分析数据模拟显示 技术。它支持目前国内外流行的造型软件，如p r o e 、u g 等。用户可以直接将塑料 制品的造型文件转换为h s c a e 一3 d r f 的输入文件，直接在三维实体模型上划分三 角网格，再利用三角网格数据、节点配对信息和厚度信息进行有限元计算，产生的 流动模拟结果直接在三维实体表面上显示，突破了因模型不统一而造成的制约仿真 系统推广应用的瓶颈。 ， 本文对h s c a e 一3 d r f 系统中的图形开发平台的选择、图形处理、实体选择、 浇注系统设计、多型腔设计、实体剖切等关键技术进行了深入研究并成功予以实现。 在此基础上作者与他人合作开发出三维真实感流动模拟软件h s c a e 3 d r f 5 5 ，同 时还负责该系统商品化版本的发行和后期总体维护。 本文独立完成了h s c a e 3 d r f 系统中浇注系统的设计工作。浇注系统是流动 模拟软件h s c a e 3 d r f 中比较独立的三维图形造型模块。在该系统中用户可以选 择自己的实体设计平台和设计基础，它采用“自底向上”的设计概念( 即从浇口开 始设计至最终主流道的完成) ，将制品信息与用户的设计理念紧密结合，从而轻松 而又快捷地设计出理想的浇注系统。 本文还独立完成了h s c a e 3 d r f 系统中多型腔的设计工作。多型腔设计是一 个制品型腔排样子系统，它采用了模块嵌入式的设计方法。用户可以通过进行型腔 排列设计来达到塑料制品的多型腔平衡流动模拟。多型腔设计模块遵循制品信息独 立处理的原则，根据用户输入的具体参数，运用图形矩阵变换操作来实现同一制品 多个型腔的任意排列。 最后，为了实现实体特定剖面模拟数据的采集，本文还将讨论实体剖切的具体 设计原理。实体剖切以用户定义剖切面为前提，去掉被剖切的实体部分，补齐残缺 华中科技大学硕士学位论文 的四面体网格，并通过插值来实现剖切面上模拟结果的显示。 在理论分析和算法研制相结合的基础上，作者完成了三维真实感流动模拟 h s c a e 一3 d r f 系统后置处理模块中大部分的工作，并与其他技术人员合作开发出了 该系统的全新版本h s c a e 。3 d r f5 5 。该软件功能强大、操作简便，实现了c a d c a e 数据高度集成，展示了典型塑料制品的真实感流动模拟结果，提供了注塑模具设计 正确的参考数据。几年以来，根据广大用户使用后反馈的意见，以及通过与国内外 先进的注塑模c a e 软件相比较，表明本文所开发的后置处理系统在功能上的完备 性、稳定性和用户界面的友好性等方面都已经日趋成熟。 7 关键词：注塑模c a e后箕处理 o p e n g l浇注系统多型腔实体剖切 i l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h s c a e 一3 d r fs y s t e mi st h en e w e s ts o f t w a r eo f3 dr e a l i s t i c i n j e c t i o nm o l d i n g s i m u l a t i o nw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e db yh u a s u os o f t w a r el a bo fh u s ti nt h i ss y s t e m o p e n g l h a sb e e nu s e da sg r a p h i c a lc o r ea n dd i s p l a yt e c h n o l o g yf o rt h ea n a l y t i cd a t a i t s u p p o r t sp o p u l a r 3 df o r m a t i v es o f t w a r es u c ha sp r o e 、u g ，f i r s t l y , y o uc a nt r a n s l a t et h e f o r m a t i v ef i l e si n t ot h ea c c e p t e do n ef o rt h es y s t e mt o u s e ，s e c o n d l y , t h et r i a n g u l a r e l e m e n t sa r eg e n e r a t e dd i r e c t l yf r o mt h es u r f a c em o d e li ns y s t e ma n dt h ed i s p l a yo ft h e a n a l y s i sr e s u l t si n3 d m o d eb e c o m e sm o r e p h o t o g r a p h i ca n d c o n v e n i e n t t h e p a p e rg n e s ad e e pr e s e a r c ho ns o m ek e y t e c h n o l o g yo f h s c a e - 3 d r f s y s t e m ， s u c ha st h es e l e c t i o no fg r a p h i cd e v e l o ps t u d i o ，g r a p h i c s p r o c e s s i n g ，p a r ts e l e c t i o n ， r u n n e rs y s t e md e s i g n i n g ，m u l t i c a v i t i e s d e s i g n i n g ，p a r td i v i s i o n e t c b a s e do ns u c h r e s e a r c h ，t h ea u t h o rn o to n l yd e v e l o p e d3 dr e a l i s t i cf l o w i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o r i n j e c t i o nm o l d i n go fh s c a e - 3 d r f 5 5c o o p e r a t i v ew i t lc o l l e a g u e s b u ta l s ot a k e n c h a 唱eo f i t sr e l e a s eo fc o m m e r c i a lv e r s i o n sa n dt h el a t t e rm a i n t e n a n c e t h ep a p e rh a s d e s i g n e d t h er u n n e r s y s t e mf o r h s c a e 一3 d r f i n d e p e n d e n t l y a c t u a l l yr u n n e rs y s t e mi sas e l f - g o v e r n e d3 dg r a p h i c sf o r m a t i v em o d u l e i nt h i sm o d u l e u s e rc a l ls e l e c th i so w n d e s i g n i n gs t u d i o & b a s i s w i t ht h ed e s i g n i n gc o n c e p t i o no f “f r o m b o t t o mt o t o p ”( d e s i g nf r o mt h eg a t e st o t h el a s tm a i nr u n n e r ) ，i tc o r m e c t su s e r s d e s i g n i n gi n t e n t i o nw i t ht h ei n f o r m a t i o no fp l a s t i cp a r ta n du n t i lc o m e st o t h ei d e a l r u n n e rs y s t e mf o rt h es i m u l a t i o n e x p e d i e n t l y t h e p a p e r h a sa l s o d e s i g n e d t h em u l t i c a v i t i e s s y s t e m f o rh s c a e 一3 d r f i n d e p e n d e n t l y j u s t l i k et h e i n j e c t i o ns y s t e m ，m u l t i c a v i t i e ss y s t e m i sa l s ot h e s e l f - g o v e m e d o n ei nh s c a e 一3 d r f w h i c h d e s i g n e d w i t ht h em e t h o do fi n b u i l t m o d u l a r i z a t i o n i fu s e rw a n t st os e et h ef l o w i n gb a l a n c eo f p l a s t i cp a r ti nm u l t i c a v i t i e s ， t n 华中科技大学硕士学位论文 h cs h o u l da r r a n g et h em u l t i c a v i t i e s a c c o r d i n gt ot h er u l eo fi n f o r m a t i o ni n d e p e n d e n t ， b e i n gi n p u t t e dp a r a m e t e r sb yu s e r s y s t e mc a l la r r a n g et h es a m ep a r ti nd i f f e r e n tc a v i t i e s a r b i t r a r i l yb y u s eo f g r a p h i c a lm a t r i x t r a n s f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ea u t h o rw i l ld i s c u s st h ep a r td i v i s i o ni nt h i sp a p e ri no r d e rt or e a l i z et h e v i s u a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o nd a t ai ns p e c i a ls e c t i o n a f t e rd e f i n i n gt h es i t eo fs e c t i o n s y s t e mw i l ld e l e t et h ee x c r e s c e n tp a r ta n dr e p a i rt h ef r a g m e n t a r ym e s h ，t h e ni tw i l ls h o w t h es i m u l a t i o nd a t ai nd i f f e r e n tc o l o r so nt h es e c t i o n b yu s eo f n u m e r i c a li n t e r v e n t i o n b a s e do nt h e o r ya n da l g o r i t h ma n a l y s i s ，t h ea u t h o rh a sf i n i s h e dm o s t j o b sf o rt h e p o s t t r e a t m e n t i nh s c a e 3 d r fa n d d e v e l o p e d t h en e w e s t3 dr e a l i s t i c i n j e c t i o n m o l d i n g f l o ws i m u l a t i o ns o f t w a r ec o o p e r a t i v ew i t hc o l l e a g u e s t h es o f t w a r ec a nb eu s e d t or e a l i z ec a e c a dd a t ai n t e g r a t i o nc o n v e n i e n t l y a tl a s tt h er e a l i s t i cf l o ws i m u l a t i o n r e s u l to fat y p i c a lp r o d u c ti sd i s p l a y e d a c c o r d i n gt ot h eo p i n i o n sf e e d b a c kf r o m u s e r s ， t h ep o s t t r e a t m e n t s y s t e mi sp r o v e dt op e r f o r mw e l l o nt h e i n t e g r a l i t y o ff u n c t i o n ， s t a b i l i t yo f s y s t e m ，a n da m i t yo f u s e ri n t e r f a c e k e y w o r d s ：c a ef o rp l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n gp o s t - t r e a t m e n t o p e n g l r u n n e r s y s t e m m u l t i c a v i t i e sp a r td i v i s i o n i v 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章阐述了三维真实感流动模拟技术研究的目的和意义，概述了目前国内外注 射模c a e 技术的发展概况，简要介绍了华塑软件研究室新一代三维真实感注塑模流 动模拟软件h s c a e - 3 d r f 。通过对注塑模c a e 系统及其后置处理模块中若干关键技术 的研究来阐述该系统的实现方法，并简要介绍本文的主要研究内容。 1 1 引言 塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一。它具有密度小、质量轻、比 强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、减摩耐磨性好、减震隔音性能好、 成形工艺好、成形生产率高和价格低廉等优点，因而在国民经济和人民生活的各个 领域得到了日益广泛的应用。在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域，塑料 已成为金属的良好代用材料，出现了金属材料塑料化的趋势。作为最有效的塑料成 型方法之一的注射成型具有以下优点：可以一次成型各种结构复杂、尺寸精密和带 有金属嵌件的制品，制品表面和用于成型的模具型腔一样平滑光亮，或者有同样的 纹理或镌刻，只需少量修整或完全不需修整，成型周期短，可以一模多腔，生产率 高，大批生产时成本低廉，易于实现自动化半自动化生产，因此在塑料加工行业中 占有非常重要的地位。但传统的注塑成型开发方法主要是尝试法，依据设计者有限 的经验和比较简单的计算公式进行产品和工艺开发。在注射成型生产实际中，塑料 熔体流动性能千差万别，制品和模具结构千变万化，工艺条件各不相同，仅凭有限 的经验和简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理，而且设计者经验的积累 和公式的总结也往往跟不上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的提高，因 此开发过程中要反复试模和修模并一再调整工艺参数，才能正式投产。这种开发方 法生产周期长、费用高，产品质量难以得到有效保证，不利于新产品的研制和开发 随着塑料注射技术的不断提高和发展，对塑料模具提出了越来越严格的要求， 如何提高模具质量，缩短生产周期，降低制模成本已成为塑料件生产中的重要课题。 传统的手工设计与机械加工方法，生产效率低，模具的质量难以达到设计的要求。 近年来的实践表明，c a d f c a e c a m 技术的引入，是实现模具高效率、高精度设计 与制造的必由之路。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 塑料注射模c a e 技术概述 1 2 1 概况 c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 技术即计算机辅助工程技术，它是计算机 辅助设计计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术向纵深方向发展的体现。尽管c a e 技术目前还没有一个确切的定义，但一般认为它是一个包含数值计算技术、数据库、 计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程 问题的模型化和数值实现方法。就塑料模具计算机辅助工程技术而言，它主要是利 用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型 过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟出实 际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判 断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。随着计算机技术的快速发展，对 各种塑料成型过程的模拟正成为塑料加工工业研究的热点“。 塑料制品的传统设计与制造方法为概念设计、产品设计、模具设计、模具制造、 试模、生产依序进行。只有在实际试模后或对产品测试后才能发现问题，并根据出 现的问题修模，甚至更改设计，如此反复进行，直到试模和产品测试没有问题为止。 这一过程既耗资又费时，严重影响了新产品的开发和面市。 在产品开发的任何一个阶段，都可以利用c a e 技术来检验各种方案的可行性， 以防范于未然。由于计算机运算迅速，较短时间内可以测试好几种甚至几十种设计， 较之传统的修模、换模、试模，就人工、时间、经费、材料、能源、场地而言，经 济效益的提高十分显著。 随着人们生活水平的提高，对塑料制品品位的要求也越来越高，而且不断地求 新求变，成功的产品上市要早，质量要好，价钱要合理。在这种要求下，产品的复 杂度和精确度常常很高，但产品开发时间却越来越短。在成千上万种材料、千变万 化的几何造型和各有千秋的工艺当中，要想找出理想的组合，传统的方法是很难在 短时间内实现的。采用c a e 技术，则会收到事半功倍的效果。 c a e 技术不仅可以增强市场竞争力，也是培训模具工程师的最佳工具。初学者可 以在计算机上反复测试各种方案，逐渐熟悉塑料流动的规律，以前需数年才能学到 的知识，现在只要几个月便可运用自如。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内外注塑模c a e 技术的发展与应用概况 注射成型过程模拟始于2 0 世纪6 0 年代。英国、美国、加拿大等国的学者在6 0 年代完成了一维流动和冷却数值模拟，7 0 年代完成了二维分析程序，从八十年代开 始，注射模c a e 技术已从实验室阶段进入实用化阶段，在国际市场上相应推出了 多套商品化软件：( 1 ) 美国c m o l d 公司的c m o l d 系列软件。主要包括初始阶 段设计、三维流动模拟、三维冷却分析、纤维定向分析、塑料制品的应力和翘曲分 析软件。( 2 ) 澳大利亚m o l d f l o w 公司的注射模c a e 软件m f 。主要包括流动模拟程 序、冷却分析程序、翘曲分析程序和应力分析程序等。( 3 ) 德国i k v 研究所的 c a d c a e 软件c a e m 0 u l d 。该系列软件主要包括模具方案构思与设计、流动模 拟、冷却分析、模具强度、刚度分析软件等。( 4 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s 系统。 该系统包括塑料注塑流动、冷却和翘曲分析软件。( 5 ) 美国通用公司的t c o p 软件。 ( 6 ) 美国a e c 公司的m o l d c o o l 软件。此外，还有意大利p & c 公司以及英国 d e l t a c a m 公司的注射模设计制造软件包等。目前，国外注射成型模拟研究的热点是 气体辅助注射成型模拟和真三维的精密注射成型数值模拟以及联机分析成型过程 的控制系统。后者将实际注射成型与计算机模拟结果进行实时比较，然后利用专家 系统自动调整成型工艺参数，以实现注射成型机的优化控制“。 我国注射成型模拟研究始于8 0 年代，特别是在“八五”期间，在国家“八五” 科技攻关项目的支持下，我国在注塑流动模拟、冷却过程模拟、气体辅助注射成型 过程模拟等方面都取得了长足的进展，并在某些方面、达到了国际9 0 年代初的水 平。如华中科技大学模具技术国家重点实验室自主开发的h s c a e 3 d r f 5 5 系列 软件( 包括流动保压模拟、冷却分析、应力和翘曲分析和气体辅助注射成型过程模 拟软件) ，郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心开发的z - 一m o l d 等。“。 t 3h s c a e - 3 d r f - - 三维真实感注塑模流动模拟分析系统 1 3 1h s c a e 一3 d r f 系统简介 h s c a e 一3 d r f 是华塑软件研究室新一代三维真实感注塑模流动模拟软件。该 技术介于传统的中心层流动模拟技术与三维流动模拟技术之间，算法的核心采用二 维有限元与一维有限差分的耦合，去掉传统分析需要生成中心层面的方法，直接利 月三维实体模型进行分析和显示。系统首先读取塑料制品的三维实体信息，利用实 华中科技大学硕士学位论文 体表面信息生成可以为系统自身分析所需要的二维平面三角网格。由于是薄壁塑料 制品，可对所有三角网格的节点进行厚度方向配对，产生节点配对信息及节点厚度 信息。再利用三角网格数据、节点配对信息和厚度信息进行有限元计算，产生的流 动分析模拟结果，并通过彩色等值线图直接在三维实体表面上显示其分析结果。由 于是直接读取三维实体信息生成的表面三角网格，三维真实感流动模拟技术免去了 中心层流动模拟技术中先把三维实体抽象成中心面，再生成三角网格这一复杂步 骤，同时也可以利用一些著名的商品化c a d 系统如u g 、p r o e 进行塑料制品三维 造型。在结果显示方面，由于三维真实感流动模拟技术直接将分析结果显示在实体 上，这比在中心层面上显示具有更逼真、更生动的效果。此外，三维真实感流动模 拟技术生成的表面三角网格仍为二维平面网格，而不是三维立体网格，所以它在进 行有限元计算时避开了三维模拟技术的计算的繁琐和难度，从而加快分析速度”1 。 1 3 2h s c a e 3 d r f 系统主要功能 h s c a e ，3 d r f 系统的主要功能如下： 1 支持通用三维造型系统的s t l 文件输入； 2 数据管理器方便管理和控制分析数据与操作进程； 3 零件及分析结果三维显示，实现快速旋转、平移、缩放、窗口缩放等 4 支持开放式材料数据库以及注塑机数据库； 5 支持基于人工智能技术的工艺参数优化设计和分析报告的自动生成： 6 支持快捷、实用的浇注系统设计、多型腔设计； 7 支持多方案可同时分析的批处理功能； 8 分析结果可随意按时间步显示和回溯： 9 支持多窗口、多任务工作模式； 1 0 方便地显示流动前沿、温度场、压力场、剪切力与剪切速率场： 1 1 自动预测熔接缝和气穴的位置； 1 2 支持w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 中文简、繁体和英文操作系统。 1 3 3h s c a e - 3 d r f 系统开发环境 1 操作系统：w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 均可。 2 图形平台： s i l i c o ng r a p h i c s 为w i n d o w s 开发的o p e n g l l 2 。 华中科技大学硕士学位论文 3 开发工具：m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 o ；m i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 0 。 1 3 4h s c a e 3 d r f 系统运行的软件及硬件环境 1 操作系统：w i n d o w9 5 9 8 k n t4 0 及w i n d o w2 0 0 0 ； 2 硬件：奔腾级微机，最好配有支持o p e n g l 硬加速的图形显示卡。 1 4 课题的来源、目的和意义 1 4 1 本课题的来源 本课题得到了国家自然科学基金( 项目编号为5 9 9 7 5 0 3 2 ) 的资助。 1 4 2 本课题的目的、意义 注塑模c a e 技术是c a d c a m 技术向纵深方向发展的必然结果，是实现注塑 模c a d c a e c a m 集成化的关键技术之一。华塑软件研究室自主研制的 h s c a e 3 d r f 系统对提高我国模具行业技术水平有着较强的推动作用，若从国外大 量引进成套注塑模软件，不仅价格昂贵，而且由于国外的有关标准与国内的不同容 易造成消化不良、使用效率低等弊病，导致很大的浪费，因此，自行开发研制实用 化的注塑模软件对发展我国的塑料工业具有十分重要的推动作用。 作者在攻读硕士期间，主要从事h s c a e 一3 d r f 系统的研究开发工作，主要研 究工作有以下几个方面： 1 采用o p e n g l 为图形平台开发了课题组最新的h s c a e 一3 d r f 5 5 三维真实感 注塑模流动模拟系统。该系统通过读取三维实体数据交换文件s t l 来获取塑料制品 的几何信息，通过表面三角网格划分和配对后即可进行流动、保压分析。其分析结 果直接显示在实体上。由于采用o p e n g l 为其图形平台，该系统摒弃了w i n d o w s 传统的g d i 绘图模式，采用o p e n g l 所使用的特殊的像素格式，并用其绘制描述表 ( r e n d e r i n gc o n t e x t s ) 进行绘图，与原来的系统相比，它大大提高了图形的操作、 显示效率，同时具有更加逼真、生动的效果。h s c a e 3 d r f 5 5 流动模拟软件填补 了国内空白，具有国际先进水平。 2 在h s c a e 一3 d r f 系统中将o p e n g l 编程与v i s u a lc + + 6 0 事件编程相结合， 使得v i s u a lc + + 6 0 事件处理程序可以利用o p e n g l 进行图形绘制，从而真正将 华中科技大学硕士学位论文 o p e r t g l 融入到程序并使之与其他部分有机地结合成为一个整体。设置o p e n g l 各 种特殊的功能，其中包括设置各种颜色如背景色、环境光、镜面反射光和漫反射光 等的功能；设置实体材质颜色跟踪模式；是否使用反混淆，是否计算阴影、是否加 光照、是否采用多光源，以及形体的绘制模式取顶点模式、线框模式还是实心填充 模式等；还有对绘制的形体进行一系列操作如平移、旋转、缩放、窗口缩放、全图 显示、自动旋转以及各种视图如主视图、轴侧图之问的切换等。 3 独立完成h s c a e 3 d r f 系统中浇注系统的设计工作。浇注系统可以说是流 动模拟软件h s c 3 d r f 中比较独立的一个三维图形造型模块，它包括脱模方向的设 计、浇口位置的选择与定义、流道系统的设计。在该系统中用户可以选择自己的实 体设计平台和设计基础，它采用自底向上的设计概念( 即从浇口开始设计至最终主 流道的完成) ，将制品信息与用户的设计理念紧密结合的同时也充分地体现了人工 智能的因素，从而使用户轻松而又快捷地设计出理想的浇注系统。 4 独立完成h s c a e 一3 d r f 系统中多型腔设计工作。多型腔设计实际上是一个 塑料制品型腔排样子系统，它采用模块嵌入式的设计方法。分三种难易程度不同的 多型腔设计方法以供选择，用户通过采用其中适合自己的任意一种来进行型腔排列 从而达到塑料制品的多型腔流动平衡模拟。多型腔设计模块遵循制品信息独立处理 的原则，根据用户输入的具体参数，采用“试排法”直至满意的排样方案，最终运 用图形矩阵变换操作来实现同一制品多个型腔任意排列的信息输出。 5 为了实现实体特定剖面数值模拟数据的采集，作者还进行的实体的剖切工 作。所谓“实体剖切”也就是指在用户定义剖切面的前提下，去掉被剖切掉的部分， 补齐残缺的实体网格( 四面体网格) ，最后通过插值的方法来实现剖切面的模拟结 累的显示。 6 h s c a e 一3 d r f 系统在实现软件商品化的道路上已经做出了许多尝试，并取 得了一定的成绩，作为h s c a e - 3 d r f 系统维护的负责人，作者主要负责该系统商 品化版本的发行和后期总体维护。作者在充分采用了用户在使用该系统后的反馈信 息前提下，结合老师、同学们的建议，与合作开发者通力协作，使得该系统得以日 益进步和完善，这也是值得作者欣慰的事情。 华中科技大学硕士学位论文 2 o p e n g l 在注塑模c a e 后处理模块中的应用 本章简要介绍o p e n g l ，阐述在开发h s c a e 一3 d r f 系统过程将o p e n g l 编程与 v is u a lc - + 6 0 事件编程相结合，在v i s u a lc 十十6 0 事件处理程序中利用o p e n g l 进行图形绘制，从而真正将o p e n g l 融入到程序中的原理。并通过描述注塑模c a e i 处理模块中若干关键技术来阐述o p e n g l 在注塑模c a e 后处理图形显示模块中的 体应用。 2 1 o p e n g l 基本概念 o p e n g l 是近几年发展起来的一个三维图形标准，它是在s g i 等多家著名的计 算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式 ：维图形标准。它的严格定义是：一种到图形硬件的软件接口。目前，包括m i c r o s o f t 、 s g i 、i b m 等大公司都采用了o p e n g l 作为三维图形标准，许多软件商也越来越多 地采用o p e n g l 为基础来开发自己的产品( 3 d s t u d i om a x ) 。现在，随着m i c r o s o f t 公司在w i n d o w sn t 和最新的w i n d o w s 9 5 9 8 中提供了o p e n o l 标准，尤其o p e n g l i 维图形加速卡的推出，使得它在微机上实现三维图形的生成与显示成为可能。同 h 寸微软在v i s u a lc + + 5 及其以上版本中已提供了三个o p e n g l 的函数库( g l u 3 2 1 i b ， g l a u 1 i b ，o p e n g l 3 2 1 i b ) ，可以使我们方便地编程，简单、快速地生成美观、漂亮的 图形。例如，w i n d o w sn t 中的屏幕保护程序中的花篮和迷宫等都给人们留下了深 刻的印象引。 o p e n g l 实际上是一个开放式的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系 统，以它为基础开发的程序可以十分方便地在各种平台之间移植。o p e n g l 还可以 与v i s u a lc + + 紧密接口，便于实现图形的有关算法，也能有效地保证算法的正确性 和可靠性。同时，o p e n g l 可以工作在客户朋务器模式下，当客户方( 即基于o p e n g l 标准开发的应用程序) 向服务器( o p e n g l 核心机制) 发出命令时，由服务器负责 解释这些命令。通常情况下，客户方和服务器是运行在同一台微机上的。由于 o p e n g l 运行机制是客户服务器模式，这使用户能够十分方便地在网络环境下使用 o p e n g l ，这种实现方式称为透明性网络f 引。 华中科技大学硕士学位论文 ，= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 2h s c a e 3 d r f - - - - - 维真实感注塑模流动模拟分析系统 h s c a e 一3 d r f 系统是华中科技大学华塑软件研究室新一代三维真实感注塑模 流动模拟软件。该系统采用了o p e n g l 作为新的三维图形核心和分析数据模拟显示 技术。它支持目前国内外流行的造型软件，如p r o e 、u g 等。用户可以直接将塑料 制品的造型文件转换为h s c a e 一3 d r f 的输入文件，直接在三维实体模型上划分三 角网格，再利用三角网格数据、节点配对信息和厚度信息进行有限元计算，产生的 流动分析模拟结果直接在三维实体表面上显示，突破了因模型不统而造成的制约 仿真系统推广应用的瓶颈。 对于h s c a e 一3 d r f 数值模拟产生的丰富信息，需要一种直观的、易于理解的形 式来表现，计算机图形学在这方面起着举足轻重的作用。实践证明，为数值模拟的 后处理系统独立开发三维图形的显示、变换、交互操作的图形接口得不偿失。 o p e n g l 作为一种与硬件、窗1 2 1 系统和操作系统相独立的图形开发工具，提供了一 种直观的编程环境，它提供的一系列功能强大的函数大大简化了三维图形程序，并 且可以方便地被集成到u n i x ，w i n d o w 9 5 瓜t 2 0 0 0 或xw i n d o w s 等窗口系统中。 同时o p e n g l 还具有如上所说的“网络透明性”，有利于h s c a e 一3 d r f 系统网络系 统的开发和应用。基于以上原因，h s c a e 3 d r f 三维真实感注塑模流动模拟软件采 用了o p e n g l 作为其三维图形开发平台。 2 3h s c a e 一3 d r f 系统中o p e n g l 绘图模式的建立 2 3 1w i n d o w s 环境下o p e n g l 工作机制 h s c a e 一3 d r f 系统是在w i n d o w s 环境下基于事件( 或消息) 响应的程序。而 w i n d o w s 环境下进行o p e n g l 三维图形编程与传统的w i n d o w s 图形编程是不同的， w i n d o w s 环境下o p e n g l 的绘图功能是通过显示驱动程序( d i s p l a yd r i v e r ) 与图形 显示硬件交流的，由显示驱动程序直接控制图形显示硬件。这也是目前市场上流行 的图形显示卡提供一个图形显示驱动程序的原因。对o p e n g l 而言，图形显示卡厂 家提供专用的o p e n g l 驱动程序，只有在o p e n o l 驱动程序的支持下o p e n g l 图形 命令才能得到硬件加速。而所谓的w i n d o w s 下的o p e n g l 编程也就是通过调用 o p e n g l 函数、w i n d o w s 的g d i 函数以及其他一系列函数来实现的【8 】。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2o p e n g l 的绘图方式 o p e n g l 的绘图方式与传统的w i n d o w s 绘图方式是不同的，我们知道，g d i 是 w i n d o w s 中二维图形的绘图接口，g d i 绘图内容包括点、线、面以及一系列绘图笔 刷等。这些绘图内容可以输出至屏幕内存或者打印机等设备。这种方式是通过设备 旬柄( d e v i c ec o n t e x t 以下简称”d c ”) 来进行的。而o p e n g l 则需要绘制环境也称 为绘制描述表( r e n d e r i n gc o n t e x t ，以下简称”r c ”) 。每一个g d i 命令需要传给它 一个d c ，与g d i 不同，o p e n g l 使用当前绘制环境( r c ) 。一旦在一个线程中指定 了一个当前r c ，所有在此线程中的o p e n g l 命令都使用相同的当前r c 。值得注意 的是：虽然在单一窗口中可以使用多个r c ，但在单一线程中只有一个当前r c 。产 生一个o p e n g lr c 并使之成为当前r c 具体需要下面三个步骤：设置窗口像素格 式；产生r c ；设景为当前r c 。下面将以h s c a e 一3 d r f 系统中实际代码来阐述 o p e n g l 绘制环境的实现。 1 产生r c 的第一步是定义窗口的像素格式。像素格式决定了像素颜色的设置 与d c 和r c 相关联的辅助缓冲区像索格式的设置，其内容是o p e n g l 调用与 w i n d o w s 绘制操作之间的中间转换设置。因此要在w i n d o w s 环境下实现o p e n g l 的函数功能，就必须先设置像素格式。像素格式包含了一系列o p e n g l 的绘制属性， 这些属性包括：r g b a 模式还是颜色索引模式，单缓存还是双缓存，以及颜色位数、 深度缓存和模板缓存等像素格式。在下面将有对这些参数的设置。我们先在 c h s c o p e n g l v i e w 类中添加一个保护型的成员函数b o o l s e t w i n d o w p i x e l f o r m a t ( h d ch d c ) ，并编辑其中的代码，函数内容见附3 。同时在 c h s c o p e n g l v i e w 中添加保护型的成员变量：i m n ln g l p i x e l l n d e x 。 2 o p e n g l 需要在窗口加上w sc l i p c h i l d r e n ( 仓l j 建父窗口使用的w i n d o w s 风格，用于重绘时裁剪子窗口所覆盖的区域) 和w sc l i p s i b l l n g s ( 创建予窗口 使用的w i n d o w s 风格，用于重绘时剪裁其他子窗口所覆盖的区域) 风格。把 o n p r e c r e a t e 函数改写成如下所示： b o o l c h s c o p e n g l v i e w ：p r e c r e a t e w i n d o w ( c r e a t e s t r u c t & c s ) c s s t y l ef w sc l i p c h i l d r e n i w sc l i p s i b l i n g s ； r e t u r nc v i e w ：p r e c r e a t e w i n d o w ( c s ) ； ) 华中科技大学硕士学位论文 3 像素格式已经设定，下一步工作是产生绘制环境( r c ) 并使之成为当前绘制 环境。在c h s c o p e n g l v i e w 中加入一个保护成员函数b o o l c r e a t e g l c o n t e x t ( h d c h d c ) ，函数编写如下所示： b o o l c h s c o p e n g l v i e w ：c r e a t e g l c o n t e x t ( h d ch d c ) m _ h g l c o n t e x t = w g l c r e a t e c o n t e x t ( h d c ) ； 用当前d c 产生绘制环境 ( r c ) i f ( m _ h g l c o n t e x t = 一n u l l ) r e t u r nf a l s e ； i f ( w g l m a k e c u r r e n t ( h d c ，mh g l c o n t e x t ) 一f a l s e ) r e t u r nf a l s e ； r e t u r nt r u e ； 最后，加入一个保护型成员变量h g l r cmh g l c o n t e x t ，其中，h g l r c 是一 个指向r e n d e r i n gc o n t e x t ( r c ) 的句柄。 至此，总体框架已经构造好，程序可以利用o p e n g l 进行绘图操作了。应注意 到，在程序的开头产生了一个r c ，自始至终都在使用它。这与大多数的g d i 程序 不同。g d i 程序中，d c 在需要时才产生，并且是画完后就立刻释放掉。实际上， r c 也可以这样做，但是产生一个r c 需要很多c p u 时间。因此，要想获得高效率、 流畅的图像和图形效果，最好只产生r c 一次，并始终用它，直到程序结束。 c r e a t e g l c o n t e x o 函数产生r c 并使之成为当前r c 。w g l c r e a t e c o n t e x t 0 返回一 个r c 的旬柄。在调用c r e a t e g l c o n t e x 0 之前，必须用s e t w i n d o w p i x e l f o r m a t ( h d c ) 将与设备相关的像素格式设置好。w g l m a k e c u r r e n