基于HAJIF的前后置處理模塊的設計與實現(xiàn)*

王曉輝 黃 河 郭瑜超 張生貴

(中國飛機強度研究所 西安 710065)

基于HAJIF的前后置處理模塊的設計與實現(xiàn)*

王曉輝 黃 河 郭瑜超 張生貴

(中國飛機強度研究所 西安 710065)

針對國產(chǎn)有限元軟件HAJIF對大規(guī)模可視化的前后置處理功能的迫切需求,設計并實現(xiàn)了具有高度開放性的前后置處理模塊HAJIF_PrePost。在軟件框架設計方面,基于面向對象的思想,引入層次化、組件式的體系結構,該結構具有高效計算和高效通信特性,滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)處理要求；在前處理功能設計方面,引入準C++標準Boost庫,解決了模型數(shù)據(jù)的持久化與內存管理問題,采用節(jié)點相關面法以及OpenGL深度緩存機制,提升了模型顯示效率；在后處理功能設計方面,設計實現(xiàn)了彩色云圖的繪制,變形和動畫的生成方法,并且實現(xiàn)了后置動態(tài)查詢功能。實際應用表明：基于面向對象方法實現(xiàn)的HAJIF_PrePost前后置處理模塊具有很好的實用性、用戶體驗以及可擴展性。

可視化; HAJIF; 面向對象; 設計模式; OpenGL

Class Number TP317.4

1 引言

在有限元分析中,前后處理系統(tǒng)作為檢查、分析有限元計算結果的有效手段,現(xiàn)已成為一種被廣泛采用的可視化技術。同時,前后處理系統(tǒng)功能的強大與否也已經(jīng)成為衡量有限元軟件優(yōu)劣的標志。雖然國外大型有限元軟件(如ANSYS、ARGOL、NASTRAN、ABAQUS)等都有很強的前后處理功能,但屬于通用型有限元軟件其內核龐大、價格高、技術封鎖、源代碼封閉等知識產(chǎn)權問題,導致專業(yè)性不夠強。而HAJIF軟件作為航空工業(yè)集團自主研發(fā)的大型有限元分析軟件系統(tǒng),功能涵蓋了靜力、模態(tài)、屈曲等通用功能以及優(yōu)化、靜彈、顫振、熱應力分析等專用求解功能[1],在經(jīng)濟、效率方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。近些年來,隨著計算機技術的發(fā)展和多年的潛心攻關研究,HAJIF計算系統(tǒng)在求解規(guī)模效率方面有了很大提升,但很長時間里只能依附于其他前后處理工具進行分析。同時,伴隨著HAJIF計算系統(tǒng)的市場化,增強軟件可視化和后置數(shù)據(jù)處理功能就顯得尤為重要。

鑒于此,本文采用面向對象的程序設計思想,從軟件通用性和開放性出發(fā),采用層次化、統(tǒng)一化的軟件體系架構,借助于主流的程序設計語言C++和OpenGL圖像標準設計設計開發(fā)了有限元可視化軟件HAJIF_PrePost,并針對其中的框架設計、數(shù)據(jù)管理和可視化等關鍵技術進行了探討。

2 系統(tǒng)框架和數(shù)據(jù)結構的設計

整個軟件使用Visual Studio 2010 搭建壞境,以有限元數(shù)據(jù)結構為核心,進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示三部分內容,從而實現(xiàn)各種功能, 完成一個完整的前后處理系統(tǒng)。

2.1 統(tǒng)一的功能性框架模型

該模型應該具備跨平臺性能的圖形環(huán)境,按照面向對象的程序設計思想,利用其封裝性、繼承性、多態(tài)性來分離和封裝處理圖形圖像的基本功能[2]。在總體架構上,HAJIF_PrePost軟件采用三層體系架構(如圖1所示),最底層為數(shù)據(jù)層,管理有限元模型數(shù)據(jù)及圖顯數(shù)據(jù),屬于軟件的數(shù)據(jù)基礎；中間層為業(yè)務層,串聯(lián)界面層與數(shù)據(jù)層,完成具體功能接口的定義實現(xiàn)、模型讀寫、數(shù)據(jù)處理等,屬于軟件核心；最頂層為界面層,完成數(shù)據(jù)顯示和用戶交互功能,同時包含參數(shù)建模和求解任務的管理等。

圖1 軟件總體架構

鑒于框架開放性的考慮,整個軟件的架構通過一個主程序和多個基礎服務組件構成,整個構建過程遵循面向對象和模塊化的軟件構建技術,通過動態(tài)鏈接庫的方式形成一系列基礎服務組件,不同組件通過定義接口協(xié)同工作、完成數(shù)據(jù)傳遞(如圖2所示)。

圖2 基于組件式的系統(tǒng)結構

2.2 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構

有限元分析數(shù)據(jù),結構復雜,種類繁多,分析過程中涉及到大量數(shù)據(jù)[3],主要包括：1) 描述有限元分析的整體數(shù)據(jù),如單元數(shù)、節(jié)點數(shù)、材料種類數(shù)等；2) 節(jié)點數(shù)據(jù), 如節(jié)點坐標、節(jié)點自由度、節(jié)點力、節(jié)點位移等；3) 單元數(shù)據(jù), 如單元類型、單元屬性數(shù)據(jù)、單元材料數(shù)據(jù)等；4) 材料數(shù)據(jù), 包括彈性模量、泊松比等；5)荷載數(shù)據(jù), 包括體力、集中力、面力、動力荷載；6) 約束數(shù)據(jù),包括約束節(jié)點、約束位移；7)結果信息,包含元素位移、單元力、應力、應變等數(shù)據(jù)。基于以上特征, 按照面向對象的程序設計方法,應用分層設計的原則,抽象和定義了相關的類,按照功能組合形成了程序總體數(shù)據(jù)結構,如圖3 所示。

圖3 有限元數(shù)據(jù)結構

其中,基本數(shù)據(jù)類Node、Element、Constraint、Load處于數(shù)據(jù)結構的核心層,分別實現(xiàn)了對節(jié)點數(shù)據(jù)、單元數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)、約束數(shù)據(jù)的封裝,便于生成派生類,應用于不同類型的有限元分析,同時又可以相互關聯(lián)。

例如,由載荷類可以派生出力矩類、溫度類,由屬性類可以派生出桿元類、梁元類、殼元類等,以種類相對較多的單元類為例,其類層次關系結構見如圖4所示。Property、Material類分別實現(xiàn)對單元屬性數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)的封裝,處于數(shù)據(jù)結構的最底層,直接為Element 類及其派生類服務,不與其他類發(fā)生關聯(lián)。可以看出通過類的繼承設計,搭建起了采用面向對象設計思想的數(shù)據(jù)結構框架。最后,結果數(shù)據(jù)主要借助節(jié)點和單元進行存儲,從而與各種有限元分析結果相結合,形成了一個有機的整體。

圖4 單元類數(shù)據(jù)層次關系結構

3 前處理模塊關鍵技術

3.1 有限元模型模塊

實際應用中,有限元模型文件、單元形式以及計算結果多種多樣,要求該模塊具有很好的可擴展性。因此,HAJIF_PrePost軟件采用了工廠方法設計模式[4],利用面向對象繼承的重要特性,對有限元前后置處理的所有類別進行篩選和歸類,建立起一個完整的前后置處理的類層次結構。該模式通過定義產(chǎn)品對象接口和工廠對象接口,將類的實例化延遲到到其子類中,使系統(tǒng)在不修改工廠接口的情況下引進新的產(chǎn)品[4]。工廠方法模式示例如圖5所示。

圖5 工廠方法設計模式

對應于有限元模型模塊,主要定義了文件導入類,元素類和結果類三個產(chǎn)品對象接口以及文件導入描述類,元素描述類和結果描述類三個工廠接口。元素類用于保存單元、節(jié)點數(shù)據(jù)及與其結構相關的邊線和面片信息,具體包含模型數(shù)據(jù)中各個基類。由于整個模塊存在多個擴展接口和工廠接口,需要通過hjf_fem中的模型管理類Femproject用于管理各種基本類。為了便于其他組件調用,管理類Femproject在組件加載時,要存儲到系統(tǒng)全局對象列表中,供其他組件使用。

3.2 基于Boost庫的模型數(shù)據(jù)管理

模型管理是CAE軟件前后處理的基礎,一方面要求形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫文件,將內存中的模型數(shù)據(jù)進行存檔；另一方面要求快速方便地進行內外部數(shù)據(jù)的交換。準C++標準庫Boost Serialization以庫的形式為C++提供了這個重要的功能,可以序列化C++中的各種類型,同時可以把存檔的格式與類型的序列化完全分離,任意數(shù)據(jù)類型可采用任意格式的存檔保存,具有極大的靈活性[5]。在此使用 Serialization程序庫將模型對象轉換為一個字節(jié)流進行存儲或傳輸,而在需要時再恢復到與原狀態(tài)一致的等價對象,同時采用Boost庫的智能指針(Share_ptr)進行內存管理,避免了由于Boost Serialization在進行模型對象的(反)序列化時發(fā)生內存泄露問題。

3.3 模型網(wǎng)格可視化

三維模型可視化主要包括網(wǎng)格圖形的快速形成和高效消隱,本質上即只顯示計算區(qū)域外表面的信息。

首先,確定模型的內外面。在三維模型網(wǎng)格中,內部單元面屬于并只屬于兩個單元,外部單元面只屬于某一個單元[6～7]。因此,采取節(jié)點相關面方法確定模型的內外面：

1) 建立節(jié)點相關面列表F(node)=F1,F2…,其中node為節(jié)點編號,Fi代表一個單元面,如單元號為127的四面體的1面為127.1,2面為127.2；

2) 對非空的F(node)列表的各個相關面進行比較,剔除節(jié)點組成完全相同的面,剩下的即為節(jié)點相關的外表面。

其次,完成模型網(wǎng)格的繪制。繪制過程中需要通過OpenGL的深度緩存(Z緩存)技術[8],對三維模型的內部單元和被遮擋的外部單元進行消隱,從而完成三維模型的可視化。

4 后處理模塊關鍵技術

有限元分析中的后處理技術主要是研究有限元模擬結果的可視化問題,在分析成形時,由于可視化技術具有顯示、檢查、調整、改善有限元分析結果的功能,因此,在大量工程應用中發(fā)揮了重要的作用。

4.1 數(shù)據(jù)描述和接口定義

后置處理系統(tǒng)的主要功能就是將有限元分析后置處理系統(tǒng)的主要功能就是將有限元分計算產(chǎn)生的大量的結果數(shù)據(jù)以圖形化的方式顯示出來,因此建立有效的數(shù)據(jù)結構,對結果數(shù)據(jù)進行詳細的分析,是關系到后置處理系統(tǒng)成敗的關鍵。根據(jù)系統(tǒng)需求和功能分析,有限元后置處理系統(tǒng)一般涉及到以下結果數(shù)據(jù)：

1) 節(jié)點數(shù)據(jù),包括節(jié)點編號、節(jié)點坐標、節(jié)點法矢,節(jié)點應力應變、節(jié)點約束力；

2) 單元數(shù)據(jù),包括單元編號、單元相關節(jié)點、單元內力、單元應力應變；

3) 結果數(shù)據(jù)描述信息,包括工況信息、結果類型、分析類型。

根據(jù)結果數(shù)據(jù)類型和可視化需求,通過引入數(shù)據(jù)塊的方法,基于二進制格式文件讀寫快速、高效的特點,對結果數(shù)據(jù)進行了重新組織。此外,在后置模塊中針對標量、矢量和張量數(shù)據(jù)定義了后置顯示功能接口：

1) 節(jié)點云圖顯示

int showNodeContour(list〈int〉 &elemIdList, list〈ScalarData〉&nodeDataList)

說明：對節(jié)點標量數(shù)據(jù)ScalarData進行云圖顯示,輸入數(shù)據(jù)為單元列表,外部節(jié)點號及節(jié)點相對應的標量數(shù)據(jù)。

2) 單元云圖顯示

int showElementContour(list〈ScalarData〉 &elemDataList)

說明：對單元標量數(shù)據(jù)ScalarData進行云圖顯示,輸入數(shù)據(jù)為與單元相對應的數(shù)據(jù)。

3) 變形

int showDeformation(list〈VectorData〉 &nodeDeformList)

說明：按照位移矢量顯示變形,輸入數(shù)據(jù)為外部節(jié)點號及節(jié)點位移,且考慮放大系數(shù)。

4) 動畫

int showAnimation(list〈int〉 &elemIdList, list〈int〉 &nodeIdList)

說明：時域動畫顯示,主要用于瞬態(tài)分析和非線性分析,輸入數(shù)據(jù)為與時間或者載荷相關的節(jié)點,單元數(shù)據(jù),進行變形和云圖的顯示。

5) 二維和三維曲線

void onShow2DCurve(x[],y[])

void onShow3DCurve(x[],y[],z[])

通過定義后置接口,不僅隱藏了具體功能實現(xiàn)的細節(jié),更方便了后置功能的擴展,提高了模塊的利用率和有效性。

4.2 結果數(shù)據(jù)可視化

有限元后處理分析中的可視化技術主要包含標量場可視化技術和矢量場可視化技術。標量場可視化技術主要包含彩色云圖、等值線圖、等值面及切片圖,其中以彩色云圖最為常用。矢量場的可視化技術比較復雜,大多數(shù)情況下也必須將其轉化成對應的標量場進行可視化處理。

4.2.1 彩色云圖

有限元結果數(shù)據(jù)包括位移、單元力、應力、應變等信息,可以基于彩色云圖的繪制,通過顏色變化反映物理數(shù)據(jù)的變化,快速、直觀、準確地表現(xiàn)物理量在模型中的分布、位置與極值大小等。其中,繪制彩色云圖的關鍵之一是建立物理場量值和顏色的對應關系[9～10],如圖6所示。

圖6 物理量場值和顏色的對應關系

在Windows環(huán)境中確定顏色的常用方法是運用RGB宏指令,一般而言,有限元計算結果數(shù)值較大危險的部位用紅色表示數(shù)值結果較小且相對安全的部位用藍色表示。

簡要的操作流程如圖6所示,首先確定繪制的變量是否為節(jié)點變量,如果為單元變量則還需要轉化類型；然后,按照一定規(guī)律確定顏色值集合,即色譜,根據(jù)變量相對值選定顏色數(shù)值；最后,通過OpenGL繪圖命令對模型進行著色、融合和反走樣處理,完成云圖繪制。

圖7 彩色云圖繪制步驟

此外,在普通云圖的基礎上,通過對各個單元節(jié)點的環(huán)境顏色與色散顏色進行Lagrange線性插值,采用平滑過渡的方式實現(xiàn)連續(xù)云圖。此外,通過剔除模型內部單元,降低模型單元渲染量,提高顯示效率；采用OpenGL顯示列表模式[11～12],設計成命令高速緩存,避免使用傳統(tǒng)模式下繪圖流水線的繪制方式,從而減少資源消耗,提高程序的運行效率。

4.2.2 變形顯示

載荷作用下的工程結構會產(chǎn)生各自由度方向上的變形,經(jīng)有限元分析后體現(xiàn)為離散節(jié)點的位移,從而將節(jié)點位移通過變形圖的形式表現(xiàn)出來,有助于更直觀、更準確、更有效地評價結構的受力變形或振動情況[10]。但離散結構的節(jié)點位移相對于結構尺寸要小得多,需要對節(jié)點位移進行適當比例的放大,再疊加到節(jié)點坐標上進行離散結構單元的重繪,由此更形象地表現(xiàn)整體結構的變形情況。在HAJIF_PrePost軟件中將最大的節(jié)點位移放大到結構尺寸的γ(0.1～0.2)倍,對于二維和三維模型變形圖的比例換算因子由式(1)確定。

(1)

其中,Sx,Sy,Sz分別表示結構模型在X,Y,Z三個方向上的最大跨距,Xi,Yi,Zi分別表示節(jié)點i在X,Y,Z三個方向的位移值。

將節(jié)點位移作為節(jié)點場變量,繪制與節(jié)點位移變形圖相結合的彩色云圖,不僅能考察被分析結構的位移分布情況,還能夠準確直觀地評價結構在計算工況下的變形情況。

4.2.3 動畫顯示

通過動畫顯示可以動態(tài)描述模型結構從受力變形至破壞的過程。其中,在OpenGL中提供了雙緩存(Double Buffer)技術[11]來實現(xiàn)動畫顯示。即通過設置前后臺兩個緩存,在顯示前臺緩存中的內容時,同時在后臺緩存中計算場景繪制下一幀畫面,繪制完成后,交換至前臺緩存,將后臺緩存用于顯示,而前臺緩存用于繪制下一幀畫面。如此循環(huán)往復,不僅提高了運行速度和顯示效果,且很好地解決視覺上的停頓和閃爍問題。因此,HAJIF_prepost后置模塊中采用OpenGL的雙緩存技術,通過在執(zhí)行繪圖代碼時能夠在一個屏幕之外的緩存區(qū)內進行渲染,然會用交換命令把圖形瞬間切換到屏幕上,大大提高了顯示效率。

4.2.4 后置查詢功能

為了更方便用戶在后置顯示時可以對云圖數(shù)據(jù)進行觀察和分析,基于Qt的信號與槽機制完成結果數(shù)據(jù)和視圖界面對象之間的通信[13],可以動態(tài)查詢節(jié)點、單元結果信息,并和云圖顯示一一對應,更好地完成視圖與用戶的交互。

5 應用算例

為驗證HAJIF_PrePost軟件的實際性能,選取不同模型從軟件顯示規(guī)模、顯示效果和顯示類型三方面進行了驗證。試驗機器選用Windows 7系統(tǒng),內存8G,顯存4G。

1) 超大規(guī)模有限元模型可視化

面對超大規(guī)模汽車有限元模型(168萬節(jié)點,166萬單元),HAJIF_prePost前置模塊有很好的實用性和有效性。由于采用基于Boost庫的模型數(shù)據(jù)管理方法,從而使得模型的讀寫操作變得快速和高效,模型導入速度和patran相當,具體如圖8所示。

圖8 某汽車全車模型圖

圖9 某汽車全車模型彩色云圖

圖10 某汽車底盤模型彩色云圖

該數(shù)量級的模型對數(shù)據(jù)處理能力和圖形渲染效率的要求都很高,HAJIF_prePost軟件可以正常顯示,且旋轉、縮放操作流暢。

2) 某機型后堵板模型和計算結果的可視化

該實例模型包含1.5萬節(jié)點,1.3萬單元(如圖10所示),包含位移、應力和應變等計算結果,通過快速高效地導入內存進行解讀,可完成云圖繪制(如圖11所示)和變形顯示(如圖12所示),同時支持實時數(shù)據(jù)查詢和高亮顯示,便于后處理分析。

圖11 某機身后堵板模型網(wǎng)格可視化

圖12 某機身后堵板模型應力云圖

圖13 某機型后堵板變形云圖和后置查詢功能

3) 支持多種分析類型的結果可視化

由于在后置模塊中定義了標準顯示接口,因此具有很好的擴展性和兼容性。目前除支持靜力、屈曲、模態(tài)外,還支持熱、氣彈、顫振和優(yōu)化等分析結果數(shù)據(jù)的可視化分析(如圖14～圖16所示)。

圖14 熱分析下熱應力變形云圖

圖15 熱傳導分析下溫度梯度云圖

圖16 滿應力分析下應力比云圖

6 結語

在需求分析的基礎上,通過封裝基本數(shù)據(jù)類、派生出高級類的方法,建立了面向對象的系統(tǒng)架構,設計了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,在具體實現(xiàn)中采用工廠方法設計模式,組件技術,Qt圖形用戶界面庫,OpenGL圖形處理庫和準C++標準庫Boost,實現(xiàn)了一個具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力,開放性,可擴展性的有限元前后處理模塊HAJIF_PrePost；通過應用實踐證明,該軟件有很好的實用性,支持多種分析類型和結果類型,給用戶帶來了直觀的感受和操作的便利,解決了一定的工程問題,同時也提升了國產(chǎn)CAE軟件HAJIF的市場競爭力,具有廣闊的發(fā)展前景。

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Design and Implementation of Pre-Processing and Post-Processing Module Based on HAJIF

WANG Xiaohui HUANG He GUO Yuchao ZHANG Shenggui

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi’an 710065)

As to the large scale visualized pre-processing and post-processing demands of HAJIF Fem system, an high open pre-processing and post- processing software for HAJIF is designed and implemented. In the architecture design, the hierarchy structure design of framework is detailed based on the object-oriented design technologies. In the pre-processing, Fem model data is documented and variable memory is managed by Boost which is similarly C++ standard lib. And the method of grid-face correlativity and depth-buffer mechanism of OpenGL are used to improve visibility efficiency for Fem model. In the post-processing, the contour drawing, deforming and animation generation are design and implemented, then rear query function is added. The practical application shows that it has a practical performance, user experience, and extensibility.

visualization, HAJIF, object-oriented, design pattern, OpenGL

2016年9月8日,

2016年10月26日

王曉輝,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:虛擬實驗與航空軟件研發(fā)。黃河,男,碩士研究生,工程師,研究方向:虛擬試驗與航空軟件研發(fā)。郭瑜超,男,工程師,研究方向:虛擬試驗與仿真優(yōu)化。張生貴,男,研究員,研究方向：虛擬試驗與航空軟件研發(fā)。

TP317.4

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.032