基于SiPESC的超大規(guī)模通用有限元可視化系統(tǒng)的研發(fā)與應用.pdf

1、有限元可視化系統(tǒng)是有限元分析系統(tǒng)的重要組成部分，其利用計算機圖形學技術，將有限元分析過程中產(chǎn)生的數(shù)量龐大且結構復雜的計算數(shù)據(jù)轉化為圖形圖像形式，以輔助設計人員直觀了解和深入洞察計算結果。隨著有限元方法和計算機圖形學的發(fā)展，有限元數(shù)據(jù)結構日益復雜，新的可視化方法不斷出現(xiàn)，為了更容易更便捷的將新的可視化方法應用于日益復雜的有限元數(shù)據(jù)，研究具有高度可擴展性的通用有限元可視化系統(tǒng)具有重要意義。同時隨著GPU通用計算技術和CPU多核計算技術的飛速

2、發(fā)展，單機計算能力顯著增強，單機有限元計算規(guī)模由過去的幾萬、幾十萬節(jié)點規(guī)模發(fā)展到幾百萬，乃至幾千萬節(jié)點規(guī)模，但隨之而來的問題是單機圖形渲染能力相對不足。為了能流暢的顯示超大規(guī)模有限元數(shù)據(jù)，研究高效的大規(guī)模有限元可視化策略非常關鍵?；谝陨媳尘埃疚膰@超大規(guī)模通用有限元可視化系統(tǒng)，從可擴展系統(tǒng)架構、大規(guī)?？梢暬呗?、通用可視化算法和定制化可視化系統(tǒng)等方面開展了以下工作。
　　第一，針對不斷出現(xiàn)的新的有限元可視化需求，提出了一種具有

3、高度可擴展性的有限元可視化系統(tǒng)架構。在系統(tǒng)核心層結構設計中，運用插件技術，根據(jù)有限元數(shù)據(jù)處理流程，將可視化系統(tǒng)分為多個獨立的模塊，實現(xiàn)了各模塊的動態(tài)協(xié)同;在有限元數(shù)據(jù)轉換過程中，引入流式體系結構，實現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效處理和可視化算法的動態(tài)添加;在各模塊具體程序實現(xiàn)時，提出了一種基于多種軟件設計模式的統(tǒng)一擴展機制，實現(xiàn)了有限元可視化全流程開放性，模型文件類型、單元類型、結果類型、可視化算法等統(tǒng)一擴展。
　　第二，針對不斷增大的有限

4、元模型規(guī)模，提出了一種有效的大規(guī)模有限元可視化策略。該策略首先通過分析有限元網(wǎng)格特點，提出了一種基于網(wǎng)格拓撲連接關系的并行模型簡化技術，剔除模型內部面片，大幅度減少了圖形數(shù)據(jù)量;其次運用GPU加速技術，將圖形數(shù)據(jù)直接存入GPU中，有效的提升了計算機圖形渲染效率;最后實現(xiàn)了單元消隱技術和切片技術，用于觀察內部結構，彌補了僅顯示模型表面帶來的不足。使用這一策略，有限元可視化系統(tǒng)實現(xiàn)了單機千萬節(jié)點規(guī)模有限元模型的流暢顯示。通過與多個商業(yè)和開源

5、有限元可視化軟件顯示效果對比，驗證了這一策略的有效性。
　　第三，針對現(xiàn)代化產(chǎn)品開發(fā)過程中有限元分析結果輕量化顯示需求，提出了一種實用的有限元輕量化顯示方案。該方案首先利用統(tǒng)一擴展機制，實現(xiàn)了對各種有限元結果文件格式的支持;其次通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)簡化和結果數(shù)據(jù)篩選，大幅降低了顯示數(shù)據(jù)量;最后選取兩種廣泛使用的輕量化文件格式來保存數(shù)據(jù)，方便用戶觀察和使用。數(shù)值算例中有限元結果文件經(jīng)過簡化，文件大小顯著減小，滿足輕量化顯示需求。
　　

6、最后，基于新的有限元可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了多方面的定制擴展和應用。在通用可視化算法方面，利用統(tǒng)一擴展機制，實現(xiàn)了面向有限元分析結果的云圖、變形圖顯示;實現(xiàn)了多重多級子結構的模型管理和自動分割技術;實現(xiàn)了線單元的三維外形可視化技術和線單元體單元連接關系可視化技術。這些功能的實現(xiàn)，進一步展示了系統(tǒng)的高度可擴展性。在定制化系統(tǒng)方面，基于單元消隱技術，實現(xiàn)了結構拓撲優(yōu)化結果可視化系統(tǒng);利用多模型管理技術，實現(xiàn)了模型修正可視化系統(tǒng);在過濾器模塊基礎上