黃河++姚剛+段世慧

摘要： 為滿足國(guó)產(chǎn)有限元軟件HAJIF對(duì)大規(guī)模可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能的迫切需求，基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性的前后處理模塊.提出層次化、組件式的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu).在前處理功能設(shè)計(jì)方面，引入準(zhǔn)C++標(biāo)準(zhǔn)Boost庫(kù)，解決模型數(shù)據(jù)的持久化和內(nèi)存管理問(wèn)題；采用節(jié)點(diǎn)相關(guān)面法以及OpenGL深度緩存機(jī)制大大提升模型顯示效率.在后處理功能設(shè)計(jì)方面，建立物理場(chǎng)量值與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并構(gòu)建結(jié)構(gòu)變形比例放大因子計(jì)算公式.研究表明：面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法可以大大提高開(kāi)發(fā)效率和前后處理模塊的可維護(hù)性.

關(guān)鍵詞： HAJIF； 前處理； 后處理； 有限元； 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

商業(yè)化的CAE軟件，如Abaqus和Nastran等，大多具有友好的前后處理模塊.HAJIF是航空工業(yè)集團(tuán)研發(fā)的大型有限元分析軟件，其功能涵蓋靜力、模態(tài)、屈曲等通用計(jì)算以及優(yōu)化、靜彈、顫振、熱應(yīng)力分析等專(zhuān)用求解計(jì)算功能.[1]近年來(lái)，隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)HAJIF計(jì)算系統(tǒng)求解規(guī)模越來(lái)越大，求解效率也越來(lái)越高，但由于缺少對(duì)大規(guī)模模型的前后處理功能，HAJIF軟件的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與市場(chǎng)銷(xiāo)售受到制約，因此，增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能十分迫切.

在分析有限元前后處理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以有限元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為中心構(gòu)建前后置程序架構(gòu)的思路，借助主流的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言C++，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前后置模塊HAJIF_PrePost，并重點(diǎn)對(duì)其中的關(guān)鍵功能技術(shù)進(jìn)行探討，如底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型數(shù)據(jù)持久化、大規(guī)模網(wǎng)格與云圖顯示技術(shù)等.

1 總體架構(gòu)

HAJIF_PrePost模塊采用層次化的三層體系架構(gòu)，見(jiàn)圖1.底層是數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)有限元模型數(shù)據(jù)的管理以及圖形顯示數(shù)據(jù)管理，是前后置模塊的基礎(chǔ)；中間層是業(yè)務(wù)層，承上啟下，串聯(lián)界面層與數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)具體功能接口的定義實(shí)現(xiàn)、模型卡讀寫(xiě)、圖形處理、數(shù)據(jù)處理等，是前后置模塊的核心；最上面層是界面層，主要提供數(shù)據(jù)顯示、交互及建模功能，并負(fù)責(zé)各個(gè)求解模塊的界面定義和任務(wù)管理.

出于開(kāi)放性的考慮，HAJIF_PrePost模塊遵循面向?qū)ο?、模塊化的軟件構(gòu)建技術(shù)，按照高內(nèi)聚低耦合的原則，以庫(kù)函數(shù)的方式形成一系列基礎(chǔ)服務(wù)組件即動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，不同功能組件通過(guò)約定的接口協(xié)同工作、傳遞數(shù)據(jù)，整個(gè)架構(gòu)由一個(gè)主程序和多個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)組件構(gòu)成，見(jiàn)圖2.

2 前處理關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用C++面向?qū)ο罄^承的重要特性，建立HAJIF_PrePost模塊完整的前后處理類(lèi)層次結(jié)構(gòu).[2-3]分別構(gòu)建Element，Node，Material，Property，Load和Bound等基類(lèi)，用于對(duì)有限元單元、節(jié)點(diǎn)、材料、屬性、載荷和邊界等數(shù)據(jù)的公共部分進(jìn)行封裝.在設(shè)計(jì)好基類(lèi)后，可以派生出更加具體的子類(lèi)，例如：由載荷類(lèi)可以派生出力矩類(lèi)、溫度類(lèi)，由屬性類(lèi)可以派生出桿元類(lèi)、梁元類(lèi)和殼元類(lèi)等.

為實(shí)現(xiàn)有限元數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展性，HAJIF_PrePost模塊采用工廠設(shè)計(jì)方法模式，通過(guò)工廠對(duì)象接口，將實(shí)際創(chuàng)建工作推遲到子類(lèi)中，使系統(tǒng)在不修改工廠接口的情況下引進(jìn)新的產(chǎn)品.如：分別定義單元類(lèi)ElementSet，材料類(lèi)MaterialSet，屬性類(lèi)PropertySet和載荷類(lèi)LoadSet等8個(gè)工廠接口，然后通過(guò)定義模型管理類(lèi)FemManager存儲(chǔ)管理相應(yīng)的工廠類(lèi).以種類(lèi)相對(duì)較多的單元類(lèi)為例，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

2.2 模型數(shù)據(jù)管理

模型數(shù)據(jù)管理是CAE軟件前后處理的基礎(chǔ)：一方面需形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，將內(nèi)存中的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔；另一方面能根據(jù)用戶需要快速方便地進(jìn)行內(nèi)外部數(shù)據(jù)的交換.基于C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的I/O流框架雖然提供富有彈性且易于使用的流處理機(jī)制，但不具備快速對(duì)模型對(duì)象進(jìn)行序列化存儲(chǔ)、存檔的能力.準(zhǔn)C++標(biāo)準(zhǔn)Boost Serialization能以庫(kù)的形式為C++提供這個(gè)重要的功能，可以序列化C++中的各種類(lèi)型，同時(shí)Serialization庫(kù)把存檔的格式與類(lèi)型的序列化完全分離開(kāi)來(lái)，任意的數(shù)據(jù)類(lèi)型都可以采用任意的格式保存，非常靈活.[4]由于HAJIF_PrePost模塊是按照面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此可以應(yīng)用Serialization庫(kù)將模型對(duì)象轉(zhuǎn)換為一個(gè)字節(jié)流進(jìn)行存儲(chǔ)或者傳輸，在需要時(shí)再恢復(fù)成與原狀態(tài)一致的等價(jià)對(duì)象.

僅僅依靠Boost Serialization進(jìn)行模型對(duì)象的序列化與反序列化，會(huì)存在內(nèi)存泄露的問(wèn)題，特別是在反序列化時(shí)雖然分配內(nèi)存但是卻沒(méi)有合理的地方釋放，采用外部釋放又存在釋放不完全的風(fēng)險(xiǎn)，故引入Boost庫(kù)的智能指針Share_ptr進(jìn)行內(nèi)存管理.以材料對(duì)象為例，在材料類(lèi)集合對(duì)象映射表中存儲(chǔ)其智能指針，偽代碼如下.

2.3 大模型網(wǎng)格的可視化

有限元模型是由三維網(wǎng)格單元組成的，隨著建模精度的逐漸提高，網(wǎng)格單元數(shù)量級(jí)可能上億.由于在三維模型可視化過(guò)程中需要顯示的只是所選擇的計(jì)算區(qū)域外表面的信息，因此大模型網(wǎng)格的可視化問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為快速判斷在三維網(wǎng)格中哪些單元面是外表面，以及哪些外表面可見(jiàn)的問(wèn)題.

針對(duì)單元內(nèi)外面問(wèn)題，眾所周知，由于在三維模型網(wǎng)格中內(nèi)部單元面屬于并只屬于2個(gè)單元，外部單元面只屬于某一個(gè)單元.組建結(jié)構(gòu)外部單元面的一般方法為先形成結(jié)構(gòu)中所有單元的單元面，然后對(duì)各個(gè)單元面進(jìn)行比較，節(jié)點(diǎn)組成完全相同的面即為內(nèi)部單元面，其余的即為外部單元面.[5-6]隨著網(wǎng)格單元數(shù)目的增加，這種方法的運(yùn)算量將呈幾何級(jí)數(shù)增加.為提高模型的顯示速度和效果，采取如下更高效的節(jié)點(diǎn)相關(guān)面方法.

（1）建立節(jié)點(diǎn)相關(guān)面列表，F(xiàn)（n）=F1，F(xiàn)2，…，其中：n為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，F(xiàn)i代表一個(gè)單元面，例如單元號(hào)為154的四面體的1面為154.1，2面為154.2.

（2）對(duì)非空的F（n）列表的各個(gè)相關(guān)面進(jìn)行比較，剔除節(jié)點(diǎn)組成完全相同的面，剩下的即為節(jié)點(diǎn)相關(guān)的外表面.

在提取出外表面后，需要把三維模型信息經(jīng)過(guò)某種投影變換在二維顯示的表面上繪制出來(lái).投影變換會(huì)失去深度信息，導(dǎo)致圖形的二義性.要消除二義性，就要在繪制時(shí)消除實(shí)際不可見(jiàn)的面，對(duì)三維模型的內(nèi)部單元和被遮擋的外部單元進(jìn)行消隱.HAJIF_PrePost模塊應(yīng)用基于OpenGL的幀緩存圖形消隱技術(shù)，即OpenGL的深度緩存.深度緩存保存每個(gè)像素的深度值，深度通常用視點(diǎn)到物體的距離來(lái)度量，有較大深度值的像素會(huì)被較小深度值的像素替代，即遠(yuǎn)處的物體被近處的物體所遮擋.[7]深度緩存也稱(chēng)為Z-buffer.在實(shí)際應(yīng)用中，常用x和y度量屏幕上水平與垂直距離，而用z度量眼睛到屏幕的垂直距離，如果像素的z坐標(biāo)值小于深度緩沖區(qū)中的深度值，則深度緩沖區(qū)中的深度值被z坐標(biāo)值替代，即只保留距離觀察點(diǎn)近的圖形元素所對(duì)應(yīng)的像素，也就是說(shuō)他們沒(méi)有被其他元素遮擋住并最終在眼前顯示.對(duì)有限元模型每個(gè)顯示對(duì)象的每個(gè)面上的每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行上述處理后，即可得到消除隱藏面的有限元模型.某機(jī)翼盒段結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型見(jiàn)圖4.

3 后處理關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

3.1 彩色云圖繪制

有限元數(shù)值結(jié)果主要包括位移、應(yīng)力和應(yīng)變等信息，相應(yīng)的后處理程序以彩色云圖的繪制為主要內(nèi)容，以便能快速準(zhǔn)確地掌握模型中物理量的客觀分布以及極值的大小和位置等.

在計(jì)算結(jié)果平滑云圖的繪制過(guò)程中，彩色云圖繪制的關(guān)鍵之一是建立物理場(chǎng)量值與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系.[8-9]通常，有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)值較大且危險(xiǎn)的部位用紅色表示，數(shù)值結(jié)果較小且相對(duì)安全的部位用藍(lán)色表示.在HAJIF_PrePost模塊中彩色云圖的配色主要采用RGB方案，最小場(chǎng)值配色為藍(lán)色，最大場(chǎng)值配色為紅色，場(chǎng)值中值配色為綠色，物理量場(chǎng)值和顏色呈線性分布，見(jiàn)圖5.最后，通過(guò)OpenGL繪圖命令對(duì)模型進(jìn)行著色，并進(jìn)行繪制和填充，填充后的彩色云圖使有限元分析數(shù)據(jù)的描述更為直觀.某機(jī)翼盒段模型應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6.

3.2 變形圖繪制

由于載荷作用，工程結(jié)構(gòu)會(huì)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(diǎn)的位移.將節(jié)點(diǎn)位移以變形圖形式表現(xiàn)出來(lái)，有助于更直觀、更準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的受力變形或振動(dòng)情況.[10]但是，離散結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移相對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸要小得多，若直接將節(jié)點(diǎn)位移疊加到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上并進(jìn)行離散結(jié)構(gòu)單元的重繪，由此得到的離散結(jié)構(gòu)變形圖幾乎看不出整體結(jié)構(gòu)的變形情況，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行適當(dāng)程度的放大.基于此，在HAJIF_PrePost模塊中將最大的節(jié)點(diǎn)位移放大到結(jié)構(gòu)尺寸的f倍，取f為0.15～0.2，模型變形圖的比例換算因子

4 算 例

為驗(yàn)證HAJIF軟件前后置模塊的實(shí)際性能，選取飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證.機(jī)身模型見(jiàn)圖8.該有限元模型包含928 768個(gè)節(jié)點(diǎn)，由231 600個(gè)桿元和694 800個(gè)四邊形單元等近百萬(wàn)個(gè)單元組成，在8GB內(nèi)存、2GB顯存的計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用操作流暢，顯示效果良好，滿足使用要求.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9.

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)封裝基本數(shù)據(jù)類(lèi)派生出高級(jí)類(lèi)的方法，建立面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)架構(gòu)，符合現(xiàn)代軟件的設(shè)計(jì)思想，大大提高HAJIF_PrePost模塊開(kāi)發(fā)效率和可維護(hù)性，對(duì)于提高軟件質(zhì)量以及縮短開(kāi)發(fā)周期具有現(xiàn)實(shí)意義.（2）HAJIF_PrePost模塊具有操作簡(jiǎn)單、功能全面、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，給用戶帶來(lái)直觀的感受和操作的便利，提升國(guó)產(chǎn)CAE軟件HAJIF的競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的發(fā)展前景，為進(jìn)一步市場(chǎng)開(kāi)拓打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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