CN103593513B - 一种cae及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具 - Google Patents

Abstract

一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，包括数据导入子系统、轻量化处理子系统和三维显示子系统；数据导入子系统用于实现不同格式的CAE及实物试验数据的统一读取，并按不同文件格式将数据导入到数据导入子系统中存储，同时将数据送入轻量化处理子系统；轻量化处理子系统用于CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，并转换为统一格式的数据，同时将统一格式的数据传输到三维显示子系统；三维显示子系统用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的三维显示，完成工具与用户的交互，以及对CAE数据、实物试验结果数据进行调用和查看。本发明有效地减少了数据贮存空间，便于网络传输和显示。

Description

一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具

技术领域

本发明涉及一种对CAE数据和实物试验数据进行统一读取和显示的工具，属于虚拟试验技术领域。

背景技术

复杂产品研制过程需要应用多种CAE软件，并辅以必要的实物试验来对设计进行验证。多种CAE软件数据和实物试验数据格式不一，多专业模型无法统一读取，难以将设计、仿真分析和实物试验紧密结合；同时CAE输出结果文件大小从几GB到上百GB，难以传输和共享，给跨专业的大系统协同研发带来难度。

目前，国内外对CAE数据的通用可视化技术展开了一些研究。如美国VCTI公司开发的Vcollab软件，实现了对多种CAE数据的读取，但CAE数据需要提前处理转换为统一格式，此外也不支持对实物试验数据的读取和显示。上海GET公司开发的CAEViewer软件，主要针对CAE模型文件，尚无法支持对CAE输出二进制结果文件的读取，对Fluent等商用软件仍有依赖。研究一种对CAE和实物试验数据进行统一读取和显示的通用工具，能够充分使用产品研制过程中产生的各类数据，为大系统的协同研发打下基础。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，解决了不同CAE软件产生模型及计算结果数据、多种实物试验产生数据的文件格式不一致问题，CAE及实物试验数据可不需提前转换文件格式进行统一读取，并采用轻量化处理以流式数据方式对数据进行压缩和传输，有效地减少了数据贮存空间，便于网络传输和显示。

本发明的技术解决方案是：

一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具包括：数据导入子系统、轻量化处理子系统、三维显示子系统和外部系统集成子系统，其中：

数据导入子系统，用于实现不同格式的CAE及实物试验数据的统一读取，并按不同文件格式规范将数据导入到数据导入子系统中存储，同时将数据送入轻量化处理子系统进行处理；

轻量化处理子系统，用于对数据导入子系统传送的CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，并转换为统一格式的数据，同时将统一格式的数据传输到三维显示子系统；

三维显示子系统，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的三维显示，完成工具与用户的交互，以及对CAE数据、实物试验结果数据进行调用和查看；

外部系统集成子系统，采用ActiveX技术完成各子系统的封装以及将各子系统集成到office系列软件、客户端及浏览器端进行调用。

所述的三维显示包括实体、线框及消隐显示模式及剖切、旋转、平移及动画显示操作。

所述的数据导入子系统包括CAE数据导入接口模块、实物试验数据导入接口模块、内存数据结构模块；

CAE数据导入接口模块，首先针对不同的CAE模型文件及二进制计算结果文件格式，在动态链接库中建立不同文件格式的关键字列表，然后逐行读取CAE文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将CAE数据中的单元、节点以及计算结果导入到内存数据结构模块中；

实物试验数据导入接口模块，首先在动态链接库中建立UNV文件格式的关键字列表，然后逐行读取UNV类型文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将UNV数据中的相关单元、节点以及计算结果导入到内存数据结构模块中；

内存数据结构模块，对不同格式的CAE及实物试验数据进行储存管理，并发送至轻量化处理子系统。

所述的轻量化处理子系统包括数据转换模块和流式可视化数据模块；

数据转换模块，用于对数据导入子系统传送的CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，所述的轻量化处理指根据实际需求采用算法去除数据中的表面数据以及中间节点；

流式可视化数据模块，将数据转换模块处理后的可视化数据转换为统一格式的数据，并将统一格式的数据传输到三维显示子系统。

所述的三维显示子系统包括基本显示模块、静力结果显示模块和振动试验显示模块；

基本显示模块，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的实体、线框及消隐显示，以及剖切、旋转及平移操作，基本显示模块根据用户具体需求完成上述基本显示和操作，同时对CAE数据、实物试验数据进行调用和查看；

静力结果显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映应力应变分析的云图，并将其在统一界面中进行显示；

振动试验显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映模态分析模态变形动画和反映频响分析的频响曲线，并将其在统一界面中进行显示。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明实现了不同格式的CAE数据和实物试验数据的统一读取，提供对设计、分析及实物试验数据类型的全面支持，不需依赖及安装商用CAE软件，不需提前转换文件格式，降低了试验数据的使用门槛。

（2）本发明采用了流式数据方式对数据进行压缩和传输，有效减少了数据贮存空间，便于网络传输和显示，目前文件压缩比可达到2%-30%，可通过流式访问方式实现数据的下载与显示，便于进行数据的快速共享。

（3）本发明实现了在Office系列软件、IE等浏览器中的集成使用，支持在产品数据管理、仿真数据管理以及试验数据管理等外部系统中集成，为跨专业的协同研发打下基础，具有很强的应用推广价值。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构框图；

图2为本发明的unv文件导入接口工作流程图；

图3为本发明的内存数据结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明，具体如下：

如图1所示，本系统包括数据导入子系统、轻量化处理子系统、三维显示子系统和外部系统集成子系统。

数据导入子系统，用于实现不同格式的CAE及实物试验数据的统一读取，并按不同文件格式规范将数据导入到数据导入子系统中存储，同时将数据送入轻量化处理子系统进行处理。其中CAE数据是指Nastran、Ansys、Abaqus、Fluent等常用CAE软件的模型文件及计算结果数据文件，实物试验数据是指实物试验数据文件。CAE模型文件为各软件自定义的文本形式，如Nastran的.bdf文件，ABAQUS的.inp文件，ANSYS的.cdb文件，Fluent的.cas文件。CAE计算结果数据文件为各软件自定义的二进制形式，Nastran的.op2文件，ABAQUS的.fil文件，ANSYS的.rst文件，Fluent的.dat文件。实物试验数据文件常用为文本形式的.unv文件。CAE数据的文件格式各不相同，其中由各CAE软件求解器生成的二进制格式计算结果数据，读取复杂；实物试验数据的文件格式定义也非常复杂。针对每种文件格式，需要定制相对应的接口程序，按其文件格式规范，如Nastran的op2文件格式规范在DMap文档中描述，将数据导入到系统自定义的内存数据结构模块中。

轻量化处理子系统，用于对数据导入子系统传送的CAE及实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，并转换为统一格式的数据，同时将统一格式的数据传输到三维显示子系统；针对CAE结果文件较大的问题，实现CAE结果文件的流式数据压缩和传输，也可对其他文件进行格式转换。在导入CAE结果文件后，可选取所需要的结果做轻量化处理，生成流式的可视化数据。采用自定义的流式数据格式，文件压缩比可达到2%-30%，在加载速度以及传输效率上具有明显优势。在与外部系统集成后，可通过流式访问方式实现数据的下载与显示，便于进行数据的快速共享。

三维显示子系统，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的三维展示，完成工具与用户的交互，以及对CAE数据、实物试验结果数据进行调用和查看。

外部系统集成子系统，采用ActiveX技术完成各子系统的封装以及将各子系统集成到office系列软件、客户端及浏览器端进行调用。

1、数据导入子系统包括CAE数据导入接口模块、实物试验数据导入接口模块、CAE内存数据结构模块

a、CAE数据导入接口模块

CAE数据导入接口模块，首先针对不同的CAE模型文件及二进制计算结果文件格式，在动态链接库中建立不同的文件格式关键字列表，然后逐行读取CAE文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将CAE数据中的单元、节点以及计算结果导入到CAE内存数据结构模块中；

CAE数据导入接口模块，用于实现采用统一的数据结构，针对不同的格式，创建不同的动态链接库，将CAE相关的单元，节点，计算结果等信息导入到统一的数据结构中，并且支持多模型导入。不同的CAE软件生成的数据格式各不相同，因此针对每种CAE结果，需要定制相对应的接口程序将数据导入到本发明中定义的CAE DB内存数据结构模块中。

以Nastran为例，对数据导入过程进行说明。Nastran的模型文件包括.bdf、.dat和.nas文件，包含所有节点信息，单元连接信息和边界条件等。其格式基本相同，可以通过统一的导入接口进行导入。通过查询Nastran文档，了解bdf文件中卡片的相关含义。在动态链接库程序中建立关键字列表，打开bdf文件，逐行读取文件中的文本，通过关键字比对，查询关键字的意义，并按照相关含义导入到内存数据结构模块的内存数据结构中。Nastran的计算结果数据文件包括.op2和.rs2文件，文件格式基本相同，可以通过统一的导入接口进行导入。通过查询Nastran DMap文档，了解op2文件中的格式规范。op2文件为按数据块存储的二进制数据，每一块数据的信息在数据块头中有相应的标记，通常为整数类型和字符类型。每个字符或者整数根据其所处的位置，会有其特定的含义，例如读到字符“GEOM2”表明下面的数据块为单元和节点数据，而在“GEOM2”中读到类型为一个整数值为“12001”的整数表明此单元为六面体单元。

Abaqus的模型文件为.inp文件，inp文件的导入方法与Nastran bdf文件的导入方法类似，所不同的是关键字列表及其所对应的格式是按照Abaqus关键字创建。Abaqus的计算结果数据文件为.fil文件，fil文件可以提供给第三方软件进行结果显示，文件的读取可以通过利用Abaqus提供的URDFIL，DBFILE等函数库。

Ansys的模型文件包括.cdb和.ans文件，cdb和ans文件的导入方法与Nastran bdf文件的导入方法类似，所不同的是关键字列表及其所对应的格式是按照Ansys关键字创建。Ansys的计算结果数据文件包括.rst、.rth、.rmg、.rfl文件，分别为在不同物理场下的结果文件，格式基本相同，可以通过统一的导入接口进行数据导入。rst文件的导入可以利用Ansys软件提供的BINLIB函数库。

Fluent的模型文件包括.cas和.msh文件，cas和msh文件的导入方法与Nastranbdf文件的导入方法类似，所不同的是关键字列表及其所对应的格式是按照Fluent关键字创建。Fluent的计算结果数据文件为.dat文件，文件包含每个网格单元的流场值以及收敛的历史纪录（残差值），该文件时Fluent中的基本文件之一，保留有完整的计算结果。dat文件的导入方法与Nastran op2文件的导入方法类似，所不同的是其采用的格式规范按照Fluent用户手册的定义。

b、试验数据导入接口模块

如图2所示，实物试验数据导入接口模块，首先在动态链接库中建立unv文件格式关键字列表，然后逐行读取unv文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将实物试验数据中的相关单元、节点以及计算结果导入到内存数据结构模块中；

试验数据导入接口的主要功能是对unv格式的数据进行解析，并把解析之后的数据赋值给内存数据结构模块。unv文件为按数据块存储的文本数据，每一块数据的信息在数据块头中有相应的标记，通常为整数类型和字符类型。导入接口采取直接打开unv文件，逐行读取文件中的文本，通过关键字比对，查询关键字的意义，并按照相关含义导入内存数据结构中。几种典型的unv文件中的关键字处理流程如图2所示，每个字符或者整数根据其所处的位置，会有其特定的含义，例如读到字符“2411”表明下面的数据块为节点数据，而读到“2412”的整数表明下面的数据块为单元。

c、内存数据结构模块

如图3所示，内存数据结构模块对不同格式的CAE及实物试验数据进行储存管理。

CAE及实物试验数据的基本数据结构主要包括单元，节点，以及结果数据等。为了管理上述数据，设计了内存数据结构类，对所有的CAE及实物试验数据进行管理，在程序中便于存储和访问。内存数据结构类包括以下几种：

网格数据主要由类CMesh来进行管理。CMesh类管理所有与CAE模型网格或实物试验测点位置相关的数据，包括节点、网格以及显示数据的存储和管理。

有限元结果数据由类CResult进行管理。CResult类管理所有与CAE计算结果或实物试验结果相关的数据。包括所有结果的个数、每个结果的信息，如位移结果，应力结果等，以及结果数据的存储和管理。

材料数据由类CMaterial进行管理。CMaterial类管理所有与CAE模型或实物试验试件材料相关的数据。包括所有材料类型、特性数据的存储和管理。

边界条件数据由类CLBC进行管理。CLBC类管理所有与CAE模型边界或实物试验环境条件相关的数据。包括所有载荷、约束等数据的存储和管理。

以CMesh类的定义为例对输入项、输出项进行说明。CResult、CMaterial、CLBC类的定义与之类似，如表1、2所示。

表1 CMesh类输入项

表2 CMesh输出项

2、轻量化处理子系统包括数据转换模块和流式可视化数据模块；

a、数据转换模块

数据转换模块，用于对数据导入子系统传送的CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，所述的轻量化处理指根据实际需求去除数据中的表面数据以及中间节点；

数据转换模块的主要功能对导入的CAE模型和结果数据进行处理，进行轻量化和流式数据化，转换后流式数据格式使用流式可视化数据模块中所提到的HSF格式，文件后缀名可指定为*.hyw。

在CAE结果转换过程中，通过参数确定只保留部分表面数据，或去除中间节点等减少文件大小：首先是只显示表面数据，对于结构分析来说，结构破坏一般都是从结构表面开始，应力集中等现象也是一般都发生在结构的表面，大部分情况下只需要查看模型表面的数据；其次是在显示模型和结果云图时去除中间节点，在模型网格比较密集的情况下，中间节点对显示的结果影响极小。

采用的算法包括：表面搜索算法，三维单元表面搜索采用对所有单元进行遍历的方式，搜索单元的自由外表面，即没有与其他单元相重合的面，最后把搜索到的结果保存在数组中，二维单元表面不需要搜索；边线判断算法，边线的判断通过计算单元与其相邻单元法线的夹角，如果角度大于预先设定的面角度值，则表面这条相邻单元边为边线；包围框计算算法，为了显示的方便，需要确定整个模型所占空间的大小范围，通过遍历所有节点的坐标，得到包围框在三个方向上的取值范围。

b、流式可视化数据模块

流式可视化数据模块，将数据转换模块处理后的可视化数据转换为统一格式的数据，并将统一格式的数据传输到三维显示子系统。

为了满足网络环境下低宽带，高速度的数据传输要求，定义了可视化数据的组织和描述方法以及数据结构，用于在服务器和客户端以及浏览器端之间进行可视化数据的传输。针对CAE结果文件所包含的所有结果数据，每个流式可视化数据只保存一类结果的数据，同时进行高度压缩来减少文件大小。流式可视化数据通过HOOPS/Stream工具包进行管理，HOOPS MVO工具包提供的实用库函数支持HSF（HOOPS Stream Format,HOOPS流格式）的读写功能。导入CAE及实物试验数据后，调用HOOPS/Stream工具包生成HSF文件，并将文件传输到三维显示子系统。

3、三维显示子系统包括基本显示模块、静力结果显示模块和振动试验显示模块；

a、基本显示模块

基本显示模块，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的实体、线框及消隐显示，以及剖切、旋转及平移操作，基本显示模块根据用户具体需求完成上述基本显示和操作，同时对CAE数据、实物试验数据进行调用和查看；

基本显示模块利用HOOPS图形显示引擎进行开发实现，包括了结果显示功能和流式数据传输功能的实现以及流式数据显示与效率提升。基本显示时，通过HOOPS/Stream工具包访问HSF文件，转化为所需要的显示数据。

基本显示模块使用的HOOPS Visualize工具包支持点、线、面的显示，例如使用Hoops的函数HC_Insert_Shell可以生成三维的表面；支持符号，文字的三维场景显示；支持三类节点显示，包括节点符号、节点编号和节点组；支持两种单元显示，包括分类显示和单元组；支持模型剖切、缩放、旋转和平移；支持调节颜色数、放大比例和保存为图片（^＊.jpeg，^＊.bmp）。支持任意切面。

基本显示模块所使用的内部接口主要是建立HOOPS图形对象数据的接口实现，由CVITA_HYPDoc类和CVITA_HYPView类进行管理和实现。CVITA_HYPDoc中跟HOOPS基本显示功能的图形对象数据相关的变量和接口函数。

CVITA_HYPView类主要对HOOPS显示窗口的操作进行管理和控制。由CVitaHoopsView类派生而来。与基本显示模块相关的功能包括模型的旋转、平移、缩放，和单元节点的拾取等，为CVITA_HYPView类的结构图。

CHoopsViewHPoint类管理所有的用户自定义视点。

b、静力结果显示模块

静力结果显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映应力应变分析的云图，并将其在统一界面中进行显示；

静力结果显示模块的数据流程为从CAE结果数据，中间经过数据映射，矢量生成和图形对象编辑等处理，到HOOPS云图数据的过程。通过导入接口，读取文件中的静力学结果，通过系统的显示功能将结果分类进行显示，显示类型包括：位移应力应变云图显示；位移变形图显示；应力应变位移矢量图显示；应力应变云图与变形图叠加显示。

c、振动试验显示模块

振动试验显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映模态分析模态变形动画和反映频响分析的频响曲线，并将其在统一界面中进行显示。

振动试验结果包括虚拟振动试验和实物振动试验。虚拟振动试验的结果来自于有限元的模态分析，频响分析等求解的结果文件，如Nastran的op2文件和Ansys的rst文件等。而实物振动试验的结果来自于试验室的试件在振动台上通过实际加载振动激励而测得的响应，一般是一些数据点的信息，为unv的数据文件。将振动试验的数据用直观的方式表现出来，以供研究人员清楚的了解试验的结果。对于模态试验，一般通过模态变形动画反映试件的阵型，模态动画的实现采用HOOPS三维图形显示引擎；通过频响曲线反映试件的振动频率特性，振动曲线的绘制使用Windows GDI绘制函数。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，其特征在于包括：数据导入子系统、轻量化处理子系统和三维显示子系统，其中：

数据导入子系统，用于实现不同格式的CAE及实物试验数据的统一读取，并按不同文件格式规范将数据导入到数据导入子系统中存储，同时将数据送入轻量化处理子系统进行处理；数据导入子系统包括CAE数据导入接口模块、实物试验数据导入接口模块、内存数据结构模块；CAE数据导入接口模块，首先针对不同的CAE模型文件及二进制计算结果文件格式，在动态链接库中建立不同文件格式的关键字列表，然后逐行读取CAE文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将CAE数据中的单元、节点以及计算结果导入到内存数据结构模块中；实物试验数据导入接口模块，首先在动态链接库中建立UNV文件格式的关键字列表，然后逐行读取UNV类型文件中的数据，通过与动态链接库中的关键字列表进行关键字比对，比对一致后按照关键字含义将UNV数据中的相关单元、节点以及计算结果导入到内存数据结构模块中；内存数据结构模块，对不同格式的CAE及实物试验数据进行储存管理，并发送至轻量化处理子系统；

轻量化处理子系统，用于对数据导入子系统传送的CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，并转换为统一格式的数据，同时将统一格式的数据传输到三维显示子系统；轻量化处理子系统包括数据转换模块和流式可视化数据模块；数据转换模块，用于对数据导入子系统传送的CAE数据和实物试验数据进行轻量化处理生成流式的可视化数据，所述的轻量化处理指根据实际需求采用算法去除数据中的表面数据以及中间节点；流式可视化数据模块，将数据转换模块处理后的可视化数据转换为统一格式的数据，并将统一格式的数据传输到三维显示子系统；

三维显示子系统，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的三维显示，完成工具与用户的交互，以及对CAE数据、实物试验结果数据进行调用和查看。

2.根据权利要求1所述的一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，其特征在于还包括：外部系统集成子系统，采用ActiveX技术完成各子系统的封装以及将各子系统集成到office系列软件、客户端及浏览器端进行调用。

3.根据权利要求1所述的一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，其特征在于：所述的三维显示包括实体、线框及消隐显示模式及剖切、旋转、平移及动画显示操作。

4.根据权利要求1所述的一种CAE及实物试验数据统一读取及轻量化显示工具，其特征在于：所述的三维显示子系统包括基本显示模块、静力结果显示模块和振动试验显示模块；

基本显示模块，用于实现轻量化处理子系统发送来的可视化数据在统一界面的实体、线框及消隐显示，以及剖切、旋转及平移操作，基本显示模块根据用户具体需求完成上述显示和操作，同时对CAE数据、实物试验数据进行调用和查看；

静力结果显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映应力应变分析的云图，并将其在统一界面中进行显示；

振动试验显示模块，用于对可视化数据进行分析，生成反映模态分析模态变形动画和反映频响分析的频响曲线，并将其在统一界面中进行显示。