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(yīng)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，將有限元分析過程中產(chǎn)生的數(shù)量龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形圖像形式，以輔助設(shè)計(jì)人員直觀了解和深入洞察計(jì)算結(jié)果。隨著有限元方法和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，有限元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)日益復(fù)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(yīng)用于日益復(fù)雜的有限元數(shù)據(jù)，研究具有高度可擴(kuò)展性的通用有限元可視化系統(tǒng)具有重要意義。同時(shí)隨著GPU通用計(jì)算技術(shù)和CPU多核計(jì)算技術(shù)的飛速

2、發(fā)展，單機(jī)計(jì)算能力顯著增強(qiáng)，單機(jī)有限元計(jì)算規(guī)模由過去的幾萬、幾十萬節(jié)點(diǎn)規(guī)模發(fā)展到幾百萬，乃至幾千萬節(jié)點(diǎn)規(guī)模，但隨之而來的問題是單機(jī)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(guān)鍵。基于以上背景，本文圍繞超大規(guī)模通用有限元可視化系統(tǒng)，從可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)、大規(guī)模可視化策略、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(kuò)展性的有限元可視化系統(tǒng)架構(gòu)。在系統(tǒng)核心層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用插件技術(shù)，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(gè)獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)了各模塊的動(dòng)態(tài)協(xié)同;在有限元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，引入流式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效處理和可視化算法的動(dòng)態(tài)添加;在各模塊具體程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，提出了一種基于多種軟件設(shè)計(jì)模式的統(tǒng)一擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)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(jié)果類型、可視化算法等統(tǒng)一擴(kuò)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(diǎn)，提出了一種基于網(wǎng)格拓?fù)溥B接關(guān)系的并行模型簡化技術(shù)，剔除模型內(nèi)部面片，大幅度減少了圖形數(shù)據(jù)量;其次運(yùn)用GPU加速技術(shù)，將圖形數(shù)據(jù)直接存入GPU中，有效的提升了計(jì)算機(jī)圖形渲染效率;最后實(shí)現(xiàn)了單元消隱技術(shù)和切片技術(shù)，用于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了單機(jī)千萬節(jié)點(diǎn)規(guī)模有限元模型的流暢顯示。通過與多個(gè)商業(yè)和開源

5、有限元可視化軟件顯示效果對比，驗(yàn)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(jié)果輕量化顯示需求，提出了一種實(shí)用的有限元輕量化顯示方案。該方案首先利用統(tǒng)一擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對各種有限元結(jié)果文件格式的支持;其次通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)簡化和結(jié)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(jié)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(shí)現(xiàn)了多方面的定制擴(kuò)展和應(yīng)用。在通用可視化算法方面，利用統(tǒng)一擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了面向有限元分析結(jié)果的云圖、變形圖顯示;實(shí)現(xiàn)了多重多級子結(jié)構(gòu)的模型管理和自動(dòng)分割技術(shù);實(shí)現(xiàn)了線單元的三維外形可視化技術(shù)和線單元體單元連接關(guān)系可視化技術(shù)。這些功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步展示了系統(tǒng)的高度可擴(kuò)展性。在定制化系統(tǒng)方面，基于單元消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可視化系統(tǒng);利用多模型管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型修正可視化系統(tǒng);在過濾器模塊基礎(chǔ)上