相場(chǎng)模擬的可視化技術(shù)研究.pdf

1、相場(chǎng)法（Phase-Field method）通過(guò)求解以Ginzburg-Landau理論為基礎(chǔ)的微分方程，獲取材料及其屬性在時(shí)間和空間上的瞬時(shí)狀態(tài)，從而探究材料在各種屬性方面的表現(xiàn)情況。分析和提取結(jié)果數(shù)據(jù)中的有用信息對(duì)于特定參數(shù)的模擬具有重要的意義。當(dāng)前，相場(chǎng)法的模擬結(jié)果多以文本的方式記錄各種物理場(chǎng)的空間分布，如何有效地處理這些數(shù)據(jù)，并得到直觀、形象的處理結(jié)果成為計(jì)算材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。然而，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)具有類型繁多、規(guī)模多樣和維度不

2、一等特性，給相場(chǎng)模擬的可視化帶來(lái)一定困難。本文研究將模擬數(shù)據(jù)中抽象符號(hào)信息轉(zhuǎn)換為具有一定形狀、顏色等視覺(jué)信號(hào)并展示出來(lái)。借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，對(duì)相場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行體繪制和幾何形狀的可視化呈現(xiàn)，并獲得材料結(jié)構(gòu)和抽象物理場(chǎng)在空間整體分布和局部細(xì)節(jié)上的高質(zhì)量圖像；充分利用硬件的計(jì)算優(yōu)勢(shì)和存儲(chǔ)功能，改善大數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)渲染效率低的不足。主要工作包括以下三個(gè)方面：
　　1）分析三維可視化中的關(guān)鍵技術(shù)和相場(chǎng)模擬三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的特征，探索可視化在相場(chǎng)模擬

3、領(lǐng)域的應(yīng)用。分析原始數(shù)據(jù)文件格式，通過(guò)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式到目標(biāo)可視化文件來(lái)建立基于體素模型的結(jié)構(gòu)化點(diǎn)集，通過(guò)閾值方式過(guò)濾結(jié)構(gòu)化點(diǎn)集來(lái)獲得基于四面體單元的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型。
　　2）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)化點(diǎn)集的光線投射算法，設(shè)計(jì)不同傳遞函數(shù)和圖像合成方式滿足不同可視化需求，實(shí)現(xiàn)相場(chǎng)模擬微結(jié)構(gòu)的三維顯示。在效率和效果上與基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的體繪制進(jìn)行對(duì)比與分析。兩者均能獲得清晰的可視圖，相同數(shù)據(jù)集下，基于體素模型的渲染效率優(yōu)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，但效率都不

4、高且差異不明顯；利用硬件的計(jì)算能力和紋理資源，實(shí)現(xiàn)光線投射算法的加速，在一定程度上解決大數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)渲染效率低的問(wèn)題。
　　3）通過(guò)插值對(duì)材料空間中每一個(gè)單元提取等值面，實(shí)現(xiàn)材料中相同物質(zhì)的輪廓抽取，顯示材料中指定成分的結(jié)構(gòu)。通過(guò)在空間中放置由該處矢量定義的圖標(biāo)，以符號(hào)展示電場(chǎng)和極化矢量場(chǎng)的全貌，將矢量場(chǎng)視為速度場(chǎng)，通過(guò)流線積分算法生成電場(chǎng)的局部流線特征，種子點(diǎn)在材料邊界處的流線有助于研究材料氧缺陷運(yùn)動(dòng)。二階張量類型的應(yīng)力和應(yīng)變，通