（工程力学专业论文）有限元后处理可视化系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 随着数值计算技术的进步和计算机能力的提高，有限元方法在很多工程领域得到 了广泛的使用。有限元后处理可视化系统可以通过图形对有限元分析模型和计算结果 进行直观、全面、快速的检查和理解。本文结合开发实用的后处理可视化系统，追踪 国内外可视化的最新技术，突出系统的通用型和可移植性，重点对三维模型的构造与 显示以及动态效果演示进行了研究，并详细的讨论了系统的设计原理及实旅过程。，卜 首先，本文简单介绍了科学可视化的概念和有限元后处理系统的基本过程，讨论 了可视化在有限元后处理的应用，并提出采用s t e p 标准数据接口和用j a v a 以及 j a v a 3 d 进行系统开发的方法，构建通用后处理可视化系统，为开发新型后处理可视化 系统提供了新的思路。 接着本文对系统功能和模块分别进行了详细的讨论和设计。以软件工程为指导， 以面向对象的方法建立系统的各个功能模块，搭建可扩展框架。本文对几个关键技术 进行了深入的探讨。研究s t e p 交换标准数据结构，构建有限元分析结果数据基，突 出数据交换的通用性。提出了用j a v a 3 d 技术形成三维图形的新思路，建立场景图结 构并实现各种交互功能。数据的精炼是构建三维图形的关键，通过建立无向图数据结 构将离散的数据有机的结合起来，得到建立三维图形的数据信息，快速而有效。本文 还重点讨论了在j a v a 3 d 三维场景图中进行动态演示的技术和实现方法，给出了具体 的謇施步骤a ( 最后，在总结全文的基础上，指出了系统的创新和不足之处，展望了后处理可视 化系统的发展方向 关键词：有限元v 后处理可视化j a v a 3 d 动态场景 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er e s u l to ft h ei n c r e a s ei n c o m p u t e rp o w e ra n dt h ep r o g r e s si nn u m e r i c a l c o m p u t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n t a n a l y s i st o o li nm a n yi n d u s t r i e s f i n i t ee l e m e n tp o s t - p r o c e s s i n gv i s u a l i z a t i o ns y s t e mc a n h e l pu st ou n d e r s t a n dt h ea n a l y s i s m o d e la n dt h er e s u l t sd i r e c t l y , c o m p r e h e n s i v e l ya n d v i v i d l y a c c o m p a n y i n g w i t h d e v e l o p i n g s u c ha s y s t e m ，t h i sp a p e rt r a c e s t h e l a t e s t v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s ，e m p h a s i z e st h eu n i v e r s a l i t y a n d t r a n s p l a n t o ft h i s s y s t e m ， f o c u s e so nt h er e s e a r c ho f g e n e r a l i z i n ga n ds h o w i n gt h e3 dm o d e l ，a n di m p l e m e n t st h e d y n a m i cd e m o n s t r a t i o n a tl a s t , t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e s so ft h i ss y s t e ma r e d i s c u s s e di nt h ec u r r e n t p a p e r f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e st h e c o n c e p t s o ft h e v i s c ( v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) a n dt h ep r i m a r yp r o c e s so ft h ef e m p o s t - p r o c e s s i n g ，d i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o no f t h ev i s ci nt h ef i e l do ff e m , a n d p u t sf o r w a r dan e w m e t h o dt od e v e l o p m o r ea d v a n t a g e o u sp o s t - p r o c e s s i n gs y s t e mb yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h en e w - s t y l e d3 d t e c h n o l o g y - j a v a 3 d ，c o m b i n i n g w i t ht h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do f p r o d u c td a t ae x c h a n g e s t ep a st h ef o l l o w i n g ，w es t a t et h es y s t e mf u n c t i o na n dt h em o d u l ed e s i g n p a r t i c u l a r l y t h e d e s i g no ft h i ss y s t e mi sg u i d e db yt h ep r i n c i p l e so f t h es o r w a r ee n g i n e e r i n ga n dt h e o o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h i s p a p e rd e t a i l e d l ys h o w s t h em a i n p r o c 髂so fr e a l i z i n gt h em o d u l e - f u n c t i o n i na d d i t i o n , t h i s p a p e rh a sd i s c u s s e ds e v e r a l c r i t i c a lt e c h n o l o g i e si nt h em a s s ，s u c ha sc o n s t r u c t i n gt h e d a t a - s t r u c t u r eo ft h ef e ar e s u l t st oe m p h a s i z et h eu n i v e r s a l i t yb a s e do nr e s e a r c h i n gt h e s t e p , b r i n g i n gf o r w a r dt h en e wm e t h o d t or e n d e rt h e3 d - m o d e lu s i n gt h ej a v a 3 d - t e c h ， r e a l i z i n gt h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o ni nac o m p l e t es c e n e - s t r u c t u r e ，a n dc o n s i d e r i n gt h ed a t a r e f i n ea st h ei m p o r t a n ts t e pt oc o n s t r u c ta3 ds h a p e w ea l s oa d o p tab e s tw a y t oo r g a n i z e t h ed i s c r e t ef e ar e s u l td a t at og e tt h ed a t ai n d e xm o r eq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yt h r o u g h f o u n d i n gt h en o n o r i e n t e dg r a p h m o r e o v e r , t h i sp a p e re m p h a s i z e st h et e c h n o l o g ya n d m e t h o dt oc a r r yt h r o u g hd y n a m i cd e m o n s t r a t i o ni nt h ej a v a 3 ds c e n es t r u c t u r e ，a n dg i v e s 华中科技大学硕士学位论文 t h es t e p so f p u t t i n gi tt op r a c t i c e f i n a l l y , as u m m a r y o ft h i sp a p e ri sg i v e n ，a n dt h ei n n o v a t i o na n dd i s a d v a n t a g eo ft h i s s y s t e ma r ep o i n t e do u t b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef l e w t r e n do fp o s t - p r o c e s s i n g v i s u a l i z a t i o ns y s t e m k e y w o r d ：p o s t p r o c e s s i n g f e mv i s u a l i z a t i o nj a v a 3 d d y n a m i c s c e n e 1 1 1 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 1 绪论 1 1 1 科学计算可视化概述 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 i n g ) 是2 0 世纪8 0 年代后期提 出并发展起来的一个全新的研究领域，是计算机图形学领域的前沿课题【3 】。在科学和 工程计算领域，人们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要直观的了解在 计算过程中数据的变化，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术将这些量 大且晦涩难懂的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解，科 学计算可视化就是针对这一特殊情况提出而发展起来的一门交叉性学科。 科学计算可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程 及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法 和技术【3 l 。科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在一 起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解送入计算机的图 像数据，它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉以及人机 交互等多项技术。计算机图形学的发展在可视化技术的发展中起着关键性的作用，特 别是o p e n g l 三维图形设计界面技术的出现和发展，给p c 平台显示高性能三维图形 带来了极大的方便。而d i r e e t x 技术则给图形的显示带来更强的交互功能，使得在 w i n d o w s 平台上能迅速生成平滑、快速的动画和紧凑、实时的输出。 科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎涉及自然科学及工程技术的一切领 域。主要应用领域为医学、地质勘探、气象学、分子模型构造、计算流体力学和有限 元分析 3 1 。实现科学计算的可视化具有多方面的意义，它可以大大加快数据的处理速 度，使目前每日每时都在产生的庞大的数据得到有效的利用；它可以在人与数据、人 与人之间实现图像通信，而不是文字通信和数字通信，从而可使人们观察到传统的科 学计算中发生了什么现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；它 还可以使人们对计算过程实现引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观 察其影响。总之，科学计算的可视化将极大的提高科学计算的速度和质量，实现科学 计算和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生根本性的变化。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 有限元分析系统 有限元分析是2 0 世纪5 0 年代提出的适用于计算机处理的一种数值计算方法，是 结构分析的强有力工具，是计算机辅助设计技术的基础之一，在工程技术领域中的应 用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的数值 结果。由于该方法所依据的理论的普遍性，使得该方法具有很强的适用性，在飞机设 计、水坝建造、机械产品设计、建筑结构应力分析中得到广泛应用。 从数学的观点来看，有限元分析将研究对象剖分为若干子单元，并在此基础上求 出偏微分方程的近似解。在有限元分析中，需要应用可视化技术实现形体的网格剖分 及有限元结果数据的图形显示，即所谓有限元分析的前后处理。并根据分析结果实现 网格剖分的优化，使得计算结果更加可靠和精确。 图1 1有限元分析系统一般过程 1 1 3 有限元后处理可视化系统 后处理可视化系统是科学计算可视化的重要分支，是有限元分析的一个重要组成 部分。在经过分析计算后，人们面对的是大量的离散化的计算结果，整理和分析这些 数据在整个有限元分析的工作量中占去很大的比例，因此利用计算机对结果进行有选 择的抽取及显示就显得十分必要的，特别是结果的可视化显示和图形的交互处理能够 大大增强分析的灵活性和直观性，从而将人们从繁琐的数据查询中解脱出来，有利于 满足集成化设计分析的需要【1 9 1 。有限元后处理可视化系统就是用图形对有限元分析模 型和计算结果进行直观、全面、快速的检查和理解。 华中科技大学硕士学位论文 后 处 理 过 程 ! j 有限元分析结果i ： i l 分析数据格式 等化 士 载入模型并以最佳角度方式显示 数据滤波构造当前数据场 多种方法可视化显示 辅助功能 1 2 国内外研究概况 图1 2 有限元后处理一般过程 目前国内主流的有限元计算与分析软件多为著名的a n s y s 、m s c ( n a s t r a n 、p a i t r e n ) 等，以及一些专用的有限元分析系统，如c m o u l d 、m - f l o w 、d e f o r m 、 f o r g e 3 d ，这些软件除了具有强大的计算分析功能，还有十分完善的前、后处理器， 以不同的方式展现有限元分析结果。然而这些软件多为商业软件，出于商业目的而使 得其后处理器不可能单独提取出来为其他特殊的有限元软件使用，所以般人们都是 为那些自主开发的有限元计算软件单独开发后处理系统。而这些由有限元分析实施者 自行编写的后处理系统一般都强调于对结果数据的处理上面，而忽视了分析结果的可 视化展现上，所以，这些后处理系统的可视化功能都相对薄弱。也有一些由专业人士 开发的后处理器的可视化功能较强，但是这些系统的开发年代较早，采用的开发工具 相对落后，特别是现代的新型技术如面向对象开发技术、o p e n g l 图形接1 ：3 都对后处 理可视化系统产生了相当大的影响，因此，这些系统在可视化处理的性能上以及交互 功能上都相对欠缺，特别是基本上都相对缺乏实时动态演示的功能。由于过去盼有限 元分析系统基本上是在u n i x 大型机上进行，所以有很多的后处理器是基于u n i x 系 华中科技大学硕士学位论文 统进行编程，随着p c 机性能和计算能力的大幅提高，现在的有限元分析都基本转到 p c 机上进行，而后处理系统如不经过大幅的代码修改，是不能从i n d ( 上直接移植 到p c 系统上执行的，后处理器的跨平台使用性能较差。由于大部分系统的开发过程 没有采用面向对象的开发技术和统一软件开发过程，系统的构建不是有机过程，因此 后处理系统的框架结构零散，可扩展性能差，为以后系统功能的扩充带来了不便。 随着现代可视化技术的进步和编程语言的发展，现在有很多学者开始重新进行后 处理可视化系统的开发，但都限于对以前系统的修修补补上，只不过是采用了新的编 程语言和o p e n g l 库，而不是采用一种全新的设计理念，依然带有过去的弊端。因此， 如何在现有的新型技术的基础上，提出一种新的思路进行后处理可视化系统的设计成 为本文研究的重点。 1 3 本文采用的方案 鉴于以往的后处理系统大多采用的是点对点的设计方式( 即一对一) ，不同的有 限元分析本体，有不同的后处理系统，不同的操作系统( 主要为w i n d o w s 和u n i x 系统) ，采用不同的语言和编译器编写后处理系统，不仅导致不同的有限元分析软件 之间数据的相容性差，而且造成软件编写的大量的重复性工作，后期维护工作量也很 大。虽然目前有许多通用的有限元分析软件可供人们选择，然而针对特殊情况，仍需 要有针对的编制有限元分析本体软件。特别是，因此，设计一种跨平台的通用的有限 元后处理系统就显得十分必要。本文在研究有限元后处理模式及j a v a 3 d 的基础之上， 开发通用后处理应用系统u p p f e a ( u n i v e r s a l p o s t - p r o c e s s i n g f e a ) 。本系统采用目前 流行的跨平台的面向对象的编程语言一j a v a 语言，开发通用的有限元后处理系统框 架，实现跨平台使用；并在研究s t e p 标准的应用集成资源a r l 0 4 的基础上，构建满 足此系统的数据交换接口，把有限元分析本体所生成的模型和计算结果数据转换成符 合s t e p a r l 0 4 标准的数据，实现交换数据的通用性；利用j a v a 语言强大的三维软件 包- - j a v a 3 d 技术，实现变形图、应力云纹图等的静态及动态显示。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 可视化系统的开发环境简介 由于本文主要在于研究并开发一套通用的跨平台的后处理可视化系统框架，因此 采用一种可跨平台的面向对象的开发语言就是十分必要，而这种语言还最好能拥有自 己独立的3 d 语言开发包，这种情况下，j a v a 语言就成为了最佳的选择。 2 1 j a v a 语言简介 j a v a 最初叫0 a k ，是由s u n 公司在2 0 世纪9 0 年代中期开发并推出的一门完全面 向对象的编程语言，从表面上看，它有许多地方和c 、c + + 类似，但比它们更简捷和 更容易设计。j a v a 语言是一种没有限制的可扩展语言，增加了像l i s p 语言中的“垃 圾”搜集功能和极强的网络安全保护特性。j a v a 的查错功能很强，并取消了指针功能。 另外j a v a 的生存空间从一开始就是基于网络的，因此它又具有一般语言所没有的能 力，具有诸多特色。j a v a 语言是一种跨平台的编程语言，其一贯宗旨是“w r i t eo n c e ，r u n a n y w h e r e ”，在短短的几年中，特别是随着j a v a 2 版本的推出，j a v a 凭借自身的优势， 由一门语言而逐渐发展成为一门开发平台，成为众多程序员的首选。 具体来讲，j a v a 语言具有如下语言特色：简单：j a v a 是一种面向对象的语言， 它通过提供基本的方法来完成指定的任务，只需要理解一些基本的概念，就可用它编 写出适合各种情况的应用程序。面向对象：j a v a 的设计集中在对象及其接口，它提 供了简单的类机制以及动态的接口模型。对象中封装了它的状态变量及相应的方法， 实现了模块化和信息隐蔽，而类则提供了一类对象的原型。分布性：j a v a 是面向网 络的语言，可处理t c p i p 协议，用户可通过u r l 地址，在网络上方便地访问其对象。 健壮性：j a v a 在编译和运行程序时，都要对可能出现的问题进行检查，以避免错误 的产生。安全性：j a v a 不支持指针，一切对内存的访问都必须通过对象的实例类实 现。避免了对对象和成员的访问及指针操作中的错误。体系结构中立：j a v a 解释器 生成与体系结构无关的字节码指令，它可在任意的平台上运行。可移植性：与平台 无关的特性使j a v a 程序可方便地被移植到网络的不同机器上。解释执行；j a v a 解 释器直接对j a v a 字节码进行解释执行。高性能：j a v a 的字节码能直接转换成对应 于特定c p u 的机器码，充分利用硬件平台资源，得到较高的整体性能。多线程： 多线程机制使应用程序能够并行执行，且同步机制保证了对共享数据的正确操作，这 华中科技大学硕士学位论文 样就徽容易实现网络上的实时交互行为。0 动态性：j a v a 类滕中可自由加入新方法和 实铡变量两不会影旗瓣产程序执行。送秘设诗使j a v a 更适会一个不鞭笈震匏环摹 ”。 j a v a 拥脊大量的程序包( 即普通开发语言中的函数库) 、系统工热包以殿优秀的 匿形开发工其毽( 文岍移s w 臻g ) ，这些都必程旁爨野茇功巍宠善豹j a v a 罄廖謦来 了极大的方便。更重蒙的是j a v a 采用了中性体系结构，j a v a 解释器生成与体系结构 无关豹字节玛摆令，哭耍安装了j a v a 运行系绞，j a v a 茬_ 亭赣可鞋在强意嚣戆理器上 运行。这些字节码指令对应予j a v a 虑拟机中的运行粥，j a v a 解释器得到字节码后， 对它避 亍转换，使之麓够在不溺匏平台上运费。这静与平台无芙静特链使j a v a 程痔可 以方便地被移植到网络上的不同机器，在w m d o w s 操作系统下编写的j a v a 程序能够 缀轻轮懿在t 瓣、l i n u x 系统运行，霖摇窿凌裁确丝毫没有海诋，不汉降低t 程 序出错的可能性，而且给程序的安装和维护带来了极大的方便，降低开发和维护的费 用。 2 2j a v a - - 维羹形舞发互兵- - d a v a 3 d 技术 o p e n g l 棒必一个性能优越的隧形应用程窿设诗器露( a p i ) 焉迸建手广泛酶 算机环境，从个人微机蒯工作站，o p e n g l 都熊实现高性能的三维图形功能 1 4 l 。o p e n g l 在有限嚣摸型及分掇结果驰显示方瑟，表现出了投丈驰缆越瞧。 j a v a 3 d 是j a v a 的一组a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应用编程接口) ， 是s u n 公司冀i n t e r 、s i l i c o n 、g r a p h i c s 、a p p l e 在研究o l ，删g l 及v r m l 虚拟现实鏊 模语言的基础上共同汗发推出的3 d 软件包粥。j a v a 3 d 撼j a v a 语言在互维领域的扩展， 秉承tj a v a 语塞豹跨警台特链，它提供了一个建立三缭矮景盼执裁，为嚣发者提供了 更高层次的概念和组件用来构造和操作三维几何实体，以及创建用于演染的相应场景 结构，是缡写曼维应耀程序豹一个性黥优越的工具l l 。 j a v a 3 d 是面向对裂的编稷，并且题在o p e n g l 的綦础上发展起来的，因而j a v a 3 d 懿数据绩掏逛秘o p c n g l 一撵。采蘧翡氇是场爨圈翡数据结擒，僵j a v a 3 d 的璐景鹜 根据j a v a 语言编程的特点，增加了一毖新的内容，更加易于实时处理及特殊兰维效果 懿显示，更黧方便最新缒三维嚣形热速技寒豹应焉。j a v a 3 d 翁场景鍪藤j a v a 3 d 运行 环境崴接转变成具有三维显示效果的内存数据，从而猩计算机上显示出三维效渠。而 显示痰存孛款数据不颟接牧j a v a 3 d 运褥产生艇最薪数据结果，舞曼示出来，产生三 6 华中科技大学硕士学位论文 维动画效果。 伟w c 吐b 甜vp h l i 审le n v i r o n m e n t 图2 1j a v a 3 d 场景图结构 j a v a 3 d 的场景图是d a g 图( d i r e c t c d - a c y c l i cg r a p h 非对称结构) ，具有方向的 不对称性，类似一颗大树，上面有非常多的树权，而这些树杈并不是左右对称的。 j a v a 3 d 的场景图中有许多线和线的交汇点，交汇点称为节点( n o d e ) ，不管什么节点， 都是j a v a 3 d 的实例( i n s t a n c eo f c l a s s ) ，线( a r c ) 则表示各个对象之间的关系i s 。 j a v a 3 d 的场景图中，最低层( 根部) 的节点是x r t r t u a lu n i v e r s a ，每一个场景图只 能拥有一个根结点m 1 8 lu n i v e r s e ，好似一颗大树的根。根结点的上面是一个或多个 l o c a l e 节点，但同时只能有一个l o c a l e 节点处于显示状态，就好像一个电视机，它可 以收到很多电视节目，但一台电视机同时只能看一个电视节目。绝大多数程序只有一 个l o c a l ，当然，复杂的j a v a 3 d 应用程序可以建立多个l o c a l ，再由程序控制当前的 l o c a l 是哪一个。每个l o c a l e 节点上面拥有一个到多个b r a n c h g r o u p 节点，b r a n c h g - r o u p 节点下面则是零个到多个子节点( 这些字节点可以是b r a u c h g r o u p 节点、 t r a n s f o r m g r o u p 节点或最终节点l e a f 节点) 。t r a n s f o r m g r o u p 节点定义了三维实体 摆放的具体位置，l e a f 节点定义了所要显示的三维形体的几何实体、光源、雾化、行 为等数据，l e a f 节点没有字节点，而只能有一个父节点。 一般来说，要想建立三维应用环境，必须定义所需要的形体( s h a p e ) ，给出形体 的外观( a p p e a r a n c e ) 及几何信息( g e o m e t r y ) ，设置摆放的合适的位置。这些形体及 摆放位置都是由相应的节点给出的，它们必须摆放在b r a n c h g r o u p 节点上面，摆放的 具体位置由节点t r a n s f o r m g r o u p 设定。另外，摆放好三维形体之后，还需要设定具体 7 华中科技大学硕士学位论文 的观察位置及观察参数如视角，完成了这些工作，就算完成了三维场景图的建立。这 个过程就好像画一颗大树：先用准备好的笔画出各个交汇点，然后用各种颜色的彩笔 画出所需要的树干和树枝。画交汇点就是定义好所需要的对象，如显示的是什么形体， 有什么颜色，形体按照什么样的运动方式运动；画树干和树枝就是给出各对象之间的 关系，例如谁是父节点，谁是字节点。j a v a 3 d 程序只要正确地定义了三维图形的具体 观测位置及观测参数，建立了一个带有三维形体及其属性的一个场景图，就可以在计 算机屏幕上显示所需要的三维效果【1 j 【4 】【5 】。 j a v a 3 d a p i 包括了几乎所有编写j a v a 三维交互式应用程序所需要的最基本的类、 方法和接口，其核心类和接口放在j a v a x m e d i a j 3 d 程序包中。此外，j a v a 3 d 还提供 了u t i l i t y 工具包c o r n s u n j 3 d u t i l s ( 用于快速生成所需要的一些方法) 和矢量数据包 j a v a x v e c m a t h ( 提供用来处理定义矢量计算所用的类。如处理定义三维形体及其位 置，或者处理数值运算时，需要用到的点、矢量、矩阵及其他一些数学对象) 。 2 3 开发及运行环境的安装与设置 对于j a v a 语言来说，只有安装和编辑方法是与系统相关的。最完整的j a v a 版本 可以运行在s o l a r i s 、l i n u x 、w m d o w s 平台上，通过s u n 公司的官方网站我们可以免 费下载自己所用开发平台所需的j a v a 2s d k ( j a v a 软件开发工具箱) 版本。j a v a 2s d k 不 仅包含了j a v a 程序运行所需的运行环境的支持( j r e ) ，还包括开发j a v a 程序的工具 级别的支持，包括各种工具包和编译工具。 2 3 1本文所开发的后处理可视化系统的开发及编译环境为： w i n d o w s 2 0 0 0 + j d k l 4 1 + j a v a 3 d 1 3 b e t a 2 2 3 2 采用的集成开发环境( i d e ) 为： n e t b e a n s 3 4 或s u no n es t u d i o4 0 ( 均为免费) 2 3 3j a v a 2s d k 在i n d o w s 下的安装与设置： 1 ) 下载并安装j a v a 2s d k ，一般使用系统默认的安装路径 2 ) 环境变量的设置： 8 华中科技大学硕士学位论文 在w m d o w s 2 0 0 0 的高级属性中设置如下系统变量和变量值，或在d o s 命令 行下以命令( s e t ) 的形式设置这些系统变量 1 ) 变量：j a v a _ h o m e 变量值：j d k 默认安装目录，例如c f i p r o g r a m f i l e s j 2 s d k l 4 1 2 ) 变量：c l a s s p a 埘 变量值：；c a p r o g r a mf i l e s j 2 s d k l 4 1 、l i b t o o l s j a r ； 3 ) 最后再在系统路径中添加c a p m g r a mf i l e s j 2 s d k l 4 1 b i n 一项即可，这样基本 的j a v a 运行环境就基本建立起来了。 2 3 4j a v a 3 d 程序包的安装与设i 我们可以从s u n 的官方网站或j 3 d 民间网站和f t p 服务器上免费获得j a v a 3 d 的程序包，一般分为o p e n o l 和d i r e e t x 两个安装文件，o p e n g l 程序包必须安装，而 如果要运行三维动态效果的j a v a 3 d 程序，则d i r e e t x 程序包也要安装，安装过程使用 系统默认的即可。只有安装了j a v a 3 d 扩展程序包，才能在该系统中运行用j a v a 3 d 编 写的程序。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 有限元分析结果数据处理 3 1 数据存储形式 随着计算机技术的飞速发展，有限元分析技术在工程和科研领域得到迅速的推广 和应用。现代的有限元分析系统，一般都与c a d c a m 系统结合，通过c a d c a m 或 其他前处理软件进行建模和前处理过程，然后再在专用的有限元分析本体程序上进行 分析，最后在可视化后处理器上进行后处理过程。在这个过程中要处理大量的有限元 数据，并经常要在不同的有限元软件之间、不同的有限元前后处理软件之间、或者有 限元软件与c a d c a m 软件之间进行数据交换。 众所周知，有限元的核心在于计算。而在此方面，各高校、科研院所无疑已在其 各自领域内积累了大量的程序及开发经验，不过这些有限元分析本体软件的强项基本 在于有限元的计算方面，而且这些程序绝大多数是用f o r t r a n 语言写成，不仅缺乏统 一的输入输出格式，还存在图形的前处理和后处理的界面较差以及不便使用等多方面 原因，更由于这些有限元分析本体程序的开发存在各自为政的局面，适用的领域千差 万别，分析数据的存储形式千变万化，后处理的过程当然也就相当的麻烦。因此在不 摒弃这些有限元分析本体程序的情况下，如何开发一个通用的有限元后处理可视化系 统的关键之一就在于如何从这些分析系统中提取后处理所需要的数据。如若针对每个 分析系统我们都要在所开发的后处理系统中编制或预留针对其数据读取的接口，就又 走上了前人的老路子，不仅要对每个分析系统的数据结构了解透彻，还造成在后处理 系统的开发过程中存在诸多的不确定因素，给软件的开发和发布带来一定的困难，也 带来人力和物力的浪费，因此本文在开发这套系统的过程中，一开始就考虑了这些因 素，认为只有采用一种统一的、不依赖于系统的且可扩展的数据格式才能避免上述缺 点。因此，本文在参考大量有关中性文件的资料后，选择基于s t e p 标准来建立有限 元数据基。如下图，通过建立以中性文件形式存在的有限元数据基，实现此文件与有 限元分析本体程序的数据交换，我们将模型和单元的信息输送给分析系统进行分析计 算，而再将分析计算的结果存储在该文件中，再由本文所开发的有限元可视化后处理 系统进行后处理过程。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 基于有限元数据基中性文件的数据交换 3 2 s t e p 标准简介 s t e p ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，产品模型数据交换标准) 是国际标准化组织i s ot c l 8 4 s c 4 组织开发的一个国际标准，是计算机可识别的产品 数据表示与交换标准，正式代号为i s o - - 1 0 3 0 3 1 2 1 1 。它为现代制造业提供了一种独立 于任何具体系统的中性机制。s t e p 标准的目标就是以中性文件格式概括出一个在产 品生存期内具有完整性与集成性的计算机化的产品模型所需的信息，通过s t e p 中性 交换文件，可以保证在整个信息交换过程中数据交换的一致性和完整性。 s t e p 的体系结构分为三层：应用层、逻辑层和物理层。应用层面向具体应用， 包括应用协议及对应的抽象测试集；逻辑层包括集成资源，是从实际应用中抽象出来 的，与具体实现无关；物理层是最底层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现 形式的信息模型【2 i j 。 s t e p 标准不仅制定了用于产品数据模型，而且还制定了描述产品数据定义的 e x p r e s s 语言及标准数据存取界面s d a i ( s t a n d a r d d a t aa c c e s si n t e r f a c e ) 。s t e p 标 准的所有部分分为七类：描述方法、通用集成资源、应用集成资源、应用协议、一致 性测试方法论和框架、抽象测试集以及方法【2 4 l 。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 1a r l 0 4 集成资源简介 a r l 0 4 是s t e p 的集成资源之一，是有关有限元分析的信息交换资源。有限元的 应用资源包括有限元的模型输入、有限元建模、分析控制及分析结果的输出等，它主 要分成四大模式【2 7 1 ： 1 ) s t r u c t u r a lr e s p o n s e ( 结构定义模式) ：d e f i n i t i o n s c h e m a 该模式规定了有限元分析模型、单元和节点的定义。 2 ) s t r u c t u r a l ( 结构表达模式) ：_ r e s p o n s e y e p r e s e n t a t i o n s c h e m a 该模式定义了形成离散化网格的节点、单元材料和一些几何特性的表达，材 料和坐标空间的表示法及管理信息。 3 ) f m i e _ e l e m e n t _ a n a l y s i s _ c o n t r o la n dr e s u l ts c h e m a ( 有限元分析的控制和分析 结果模式) ： 包括分析环境信息、节点和单元的输出信息及整个模型的输出信息。 4 ) f e a _ s c a l a r _ v e e t o r _ l e n s o r s c h e r r a ( 标量、矢量和张量模式) ： 主要描述了有限元输入输出中要用到的一些标量、矢量和张量的表示法，其 中包括2 d 和3 d 一阶张量、二阶张量及对称的四阶张量。 3 2 2 p 2 0 3 应用协议 a p 2 0 3 是s t e p 标准中的一个应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，其全称是配置控 制的设计协议( c o n 丘g u r 撕o n c o n t r o l l e d3 d d e s i g n so f m e c h a n i c a lp a r t sa n da s s e m b l i e s ) ， 仅限于三维数据的表达与配置控制。 3 2 3 s t e p 中性文件 s t e p 标准提供了不同的产品数据交换实现形式，用于产品数据的可供选择的实 现形式有：交换文件、数据库、数据存取、知识库。交换文件实现形式定义了一套清 晰的文本编码，可用于不同系统间交换全套或部分产品数据表达，其文件为i s 0 1 0 3 0 3 - - 2 1 ，是最常用的一种实现形式。文件交换方式利用显式正文二进制编码( 目前定义 的交换结构实现为显式正文编码文件结构) 提供对应用协议中产品数据描述的读和 写，即交换文件交换方式。交换结构由一无二义性的、上下文无关的，又便于软件解 释的语法来描述，这种语法用w s n ( w m hs y n t a xn o t a t i o n ) 来表达，用交换结构描 华中科技大学硕士学位论文 述的产品数据形式是通过e x p r e s s 语言变换而来，可以独立于专门的应用。交换结 构实现方式包括三部分内容：用w s n 描述的交换结构语法、e x p r e s s 语言结构到交 换结构的映射规划、交换结构实现方式的数据交换模型。 s t e p 中性文件是用易懂得正文编码书写的顺序文件，文件内容为基本字符串组 成的连续字符流，由具有一定语义的t o k e n 组成不同的数据类型和格式构成，例如分 隔符、保留字、关键字和简单数据类型等。s t e p 中性文件由i s 0 1 0 3 0 3 - - 2 1 开始， e n d i s o 一1 0 3 0 3 - - 2 1 结束。文件按数据功能分为两部分( s e c t i o n ) ，即头段部分 和数据段部分，每段分别以脏a d e r 和d a l 隗开始，都以e n d s e c 结束。头段包含 了整个交换文件的信息，数据段包含了需交换的产品数据，为文件的主体，头段和数 据段在文件中必须出现且只能出现一次，而且头部段必须是交换文件的第一段吲。 s t e p 文件头段提供了3 个标准实体，即文件描述( f i l e - - d e s c p d p t i o n ) ，文件名 ( f i l e - - n a m e ) 和文件模式( f i l e - - s c h e m a ) ，且这三个实体必须依顺序出现。文件 描述实体包括文件内容的非正规描述和后置处理器的实旅级别2 个属性。文件名实体 共有8 个属性，包括文件名、建立日期、作者、实旖的s t e p 版本等信息。文件模式 实体则给出数据段中的实体从哪些模式中来，列出这些模式名。数据段以d a t a 打头， 以e n d s e c 结尾，中间是一系列被传送的产品数据，产品数据是应用协议中e x p r e s s 语言定义的实体实例( e m y n s l a n c e ) 口硼。 s t e p 交换文件的其形式如下： i s o - 1 0 3 0 3 - 2 1 ： h e a d e r ； e n d s e c ： d a t a ： e n d s e c ： e n d i s o - 1 0 3 0 3 - 2 1 ： 3 3 有限元数据的读取 有限元数据基可以理解为用于进行有限元数据表示和数据交换的一种中性表达 华中科技大学硕士学位论文 方式。该表达方式可以采用具有规定格式的中性文件的形式，用来描述进行于有限元 分析结果相关的外部数据处理和交换的信息。它不必涉及到有限元软件或相关软件如 c a d c a m 系统、后处理系统内部的数据交换和管理，而只是提供这些应用程序之间 进行数据交换的平台。因此，在得到以s t e p 中性文件表示的有限元计算数据结果之 后，要将其读取到系统中并利用可视化技术进行三维重现，就需要建立s t e p e x p r e s s 数据模型与j a v a 内存数据的映射关系，将文件数据转换为可为后处理系统 相关联的内存数据结构【2 l 】。 s t e p 中性文件使用形式化的数据规范语言e x p r e s s 来描述产品数据，这有利 于提高数据表达的准确性和一致性