CN114492088B - 一种材料外形状态显示方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种材料外形状态显示方法和系统，其创建了可供模拟仿真软件调用的、用于表示材料在不同相态下的纹理库，该纹理库用于实时表现几何模型和材料在强载荷作用下局部大变形、崩落破坏时的外形、纹理特征，动态地显示仿真工况的实际效果。本申请还提出判断相变并完成材料外形纹理实时更新的方法，在计算迭代的过程中，通过提取计算过程中网格单元压力、温度数值并结合相变温度压力值判断材料相的分布，根据判断结果实现材料相变过程中纹理图的切换，从而真实地图形化表现出高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等工况下模型和环境的状态及其演化过程情况。

Description

一种材料外形状态显示方法和系统

技术领域

本申请涉及模拟仿真领域，具体涉及一种材料外形状态的显示方法和系统。

背景技术

自然界中存在各种各样的材料，外形具备各种不同的颜色和纹理。而且材料都是以固、液、气三种状态存在着。材料在不同的相态（固相、液相、气相）下的颜色和纹理都会有明显的区别。数值模拟方法在研究爆炸与冲击问题时，根据系统的守恒控制方程、可全过程地模拟和观测系统。材料模型建立数值模拟中材料的应力与应变、内能之间的联系，描述材料在外界作用下的物理响应。例如超高速撞击的物理特点是高温、高压和高应变率，并可能伴随材料熔化相变的发生。炸药爆炸过程中释放大量的能量，并伴随着固体炸药熔化、气化相变发生。

目前市场上的显示动力学数值模拟软件在显示模型材料的过程中，大多通过颜色进行区分，缺少表现材料真实外形的纹理特征，而且往往对应的颜色和材料实际颜色也并不一致。在描述材料在外界作用下的物理响应过程中，也无法表现出材料在数值模拟计算过程中由于相变引起的外形状态的区别，无法真实地再现各种工况的实际效果，对仿真结果的显示存在失真的情况。

发明内容

针对上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种材料外形状态显示方法，其基于动力学数值模拟软件，所述软件集成有包含材料模型、材料参数和相变温度压力值的材料库，所述软件集成有纹理库，所述纹理库和所述材料库对应，用于保存所述材料库中全部材料在不同相态下的纹理图，所述方法包括：S100，创建并配置至少一个几何模型，其中，所述配置至少一个几何模型包括：分别为所述至少一个几何模型选择求解器、划分网格、设置初始状态和边界条件、添加初始材料；S200，设置所述至少一个几何模型的计算起始时间t1、计算截止时间t2、计算时间步长Δt、时间步长数i=1、当前计算时间t=t1、计算初始环境温度w、计算初始环境压力p，根据所述计算初始环境温度w和所述计算初始环境压力p分别从所述纹理库中选择与几何模型初始材料相应的纹理图对所述至少一个几何模型进行渲染；开始执行计算；S300，判断t≥t2是否成立，如果成立，执行步骤S400；否则执行步骤S500；S400，停止计算，方法结束；S500，当t=t1+i×Δt时，获取所述至少一个几何模型每个网格的当前温度值W和当前压力值P；S600，基于所述材料库中的所述相变温度压力值，判断是否存在至少一个所述网格的当前温度值W和当前压力值P触发初始材料转变为另一相态；判断为否时，执行步骤S700，否则执行步骤S800；S700，i=i+1，返回执行步骤S300；S800，调用所述初始材料相应相态下的纹理图渲染所述至少一个几何模型的不同相态区域，i=i+1，返回执行步骤S300。

一种材料外形状态显示系统，该系统包括有处理器和一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质用于保存至少一条指令或至少一段程序，且所述处理器加载并执行所述至少一条指令或至少一段程序以实现上述的材料外形状态显示方法。

本申请至少具有以下技术效果：其首先创建了可供模拟仿真软件调用的、用于表示材料在不同相态下的纹理库，该纹理库可用于实时表现几何模型和材料在强载荷作用下局部大变形、崩落破坏时的外形、纹理特征，动态地显示仿真工况的实际效果。其次，本申请还提出判断相变并完成材料外形纹理实时更新的方法，在计算迭代的过程中，通过提取计算过程中网格单元压力、温度数值并结合相变温度压力值判断材料相的分布，根据判断结果实现材料相变过程中纹理图的切换，从而真实地图形化表现出高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等工况下模型和环境的状态及其演化过程情况，进而解决仿真结果展示中存在的颜色失真和表达不准确的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种材料外形状态显示方法流程图；

图2为本申请另一实施例提供的一种材料外形状态显示方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种材料外形状态显示方法，该方法是基于动力学数值模拟软件的方法，如图1所示，其中，所述动力学数值模拟软件集成有包含材料模型、材料参数和相变温度压力值的材料库。其中，所述材料库内嵌多种常用材料，如空气、水、炸药（TNT，黑火药等）、金属（钢、铝、铜、铁、黄金等）、岩石、土壤、混凝土、沙子、玻璃、陶瓷等。所述材料模型、材料参数和相变温度压力值相互对应，以便在软件使用者选定材料模型和材料参数后，可以据此选择与其对应的相变温度压力值。具体的，在本申请中，建立材料模型、材料参数、相变温度压力值的对应关系也有利于几何模型求解器的调用。

进一步，所述动力学数值模拟软件软件集成有纹理库，所述纹理库和所述材料库对应，用于保存所述材料库中全部材料在不同相态下的纹理图。纹理图包括物体表面的纹理即物体表面呈现凹凸不平的沟纹，也包括在物体的光滑表面上的彩色图案，沟纹和彩色图案的结合在视觉上给人以凹凸不平感。本申请中，基于显示动力学数值模拟软件，在软件材料模型、材料参数的基础上，建立纹理库（包括多种材料固、液、气三种状态），例如，纹理库分别给出了材料库中具有不同属性参数的不同材料在不同相态下的纹理图，具体的，所述材料模型、材料参数、相变温度压力值和纹理库具有对应关系，该对应关系的建立例如可以通过材料名称来建立，具体其对应关系的建立方式在本申请中不受限制。

进一步，所述软件集成所述纹理库包括：所述软件调用用于获取所述纹理库的接口。在本申请的一个实施例中，所述步骤S100之前还包括以下步骤：S001，建立所述纹理库，如图2所示。在本申请中，可以在具有存储功能的任何位置保存所述纹理库，所述软件仅需要通过接口就可以调用所述纹理库，不仅可以减少软件集成的难度，另一方面也方便多个软件共享该纹理库，实现资源共享的目的。

在本申请中，所述纹理库包括第一纹理库和第二纹理库，其中，第一纹理库包括材料本身具有纹理的材料纹理图，第二纹理库包括材料本身不具有纹理的材料纹理图。例如砖本身具有沟纹，还具有相应的颜色，这种材料的纹理图可分类到第一纹理库中，空气本身是看不见的，可被认为不具备沟纹，因此，对于本身不具备沟纹的一类材料，可以采用适当的方式来表示其在不同相态下的纹理。一个实施例中，可以采用RGB色彩模式颜色图来分别本身不具备沟纹的材料纹理，即第二纹理库中材料纹理图为RGB色彩模式颜色图，例如可以采用天蓝色来表示常规温度压力下的空气纹理。

进一步的，本申请定时更新所述材料库和所述纹理库，所述更新包括更新所述材料库中的材料模型、材料参数、所述相变温度压力值。例如，更新所述相变温度压力值可通过试验和查阅文献建立材料相变温度压力值，用来表示物体相变（融化，凝固等）与一些参数（如温度、压力）之间的关系，给出了不同压力下对应材料的相变温度。

具体的，图1所示的材料外形状态显示方法包括：

S100，创建并配置至少一个几何模型，其中，所述配置至少一个几何模型包括：分别为所述至少一个几何模型选择求解器、划分网格、设置初始状态和边界条件、添加初始材料。

在该步骤中，可以建立算例的几何模型，并为所述几何模型选择相应的求解器（Lagrange、Euler），对几何模型划分网格，并施加初始状态、边界条件等。例如，在混凝土厚板的爆炸模型算例中，创建混凝土模型，混凝土模型尺寸为长1m宽1m高0.5m，建立欧拉直角坐标系，计算区域 x 方向划分为 25 个网格，y方向划分为50个网格，z方向划分为50个网格，共计62500个网格。填充材料CON-35MPA，并使用Lagrange 模型，其中，CONC-35MPA材料的状态方程为P alpha，强度模型 RHT Concrete，失效模型 RHT Concrete，对应的部分材料参数如表1所示。创建空气模型，空气模型尺寸为长1m，宽1m，高1.4m ，建立欧拉直角坐标系，计算区域 x 方向划分为50个网格，y方向划分为50 个网格，z 方向划分为70个网格，共计 175000个网格，填充材料AIR，并使用Euler模型。创建炸药模型，炸药模型尺寸为长0.1m宽0.1m高0.1m，建立欧拉直角坐标系，计算区域 x方向划分为5个网格，y方向划分为5个网格，z方向划分为5个网格，共计125个网格。填充材料TNT，并使用Euler模型。具体的，选择TNT材料模型的状态方程为JWL，选择AIR材料模型的状态方程为 Ideal Gas，对应的部分材料参数如表2，材料库中材料参数用于求解器计算时调用。创建Lagrange-Lagrange 作用方式，Euler-Lagrange 作用方式。定义流出 Outflow 边界条件，设置起爆点位置，设置求解和输出参数。

表1

Material	ρ0/(kg/m3)	ρa/(kg/m3)	sound speed (m/s)	Pe/MPa	Ps/MPa	Compaction exponent
							CON-35MPA	2750	2314	2920	23.3	6000	3

表2

Material	ρ0/(kg/m3)	p0/MPa	γ	A/MPa	B/MPa	R1	R2	ω
									TNT	1630	21000		373770	3747.1	4.15	0.9	0.35
Air	1.225	0.101	1.4

S200，设置所述至少一个几何模型的计算起始时间t1、计算截止时间t2、计算时间步长Δt、时间步长数i=1、当前计算时间t=t1、计算初始环境温度w、计算初始环境压力p，根据所述计算初始环境温度w和所述计算初始环境压力p分别从所述纹理库中选择与几何模型初始材料相应的纹理图对所述至少一个几何模型进行渲染；开始执行计算。

在本申请中，通过设置计算初始环境温度w和所述计算初始环境压力p可以唯一确定初始材料的相态，并依据该相态从纹理库中为每个几何模型选择相应的纹理图进行渲染。例如用户要模拟在常规环境下的混凝土厚板的爆炸模型算例，此时，压力值p为1.01*10⁶ Pa，温度w为常温25℃，AIR、CONC-35MPA、 TNT三种材料中，AIR为气态，CONC-35MPA和TNT为固态，此时可根据AIR、CONC-35MPA、 TNT三种材料的状态，分别从纹理库中选择对应相态下的纹理图对几何模型进行渲染。例如，AIR为气态，则从纹理库中选择气态下空气的纹理图对空气模型进行渲染；CONC-35MPA为固态，则从纹理库中选择固态下的CONC-35MPA纹理图对混凝土模型进行渲染；TNT为固态，则从纹理库中选择固态下的TNT纹理图对炸药模型进行渲染。优选的，在本申请中，使用纹理贴图的方式进行几何模型的渲染。所述纹理贴图可以采用以下方式：使用VTK提供的图像数据读取类读取一张二维纹理图，其中，作为纹理图的格式有：tif、bmp、jpg等。从读取的图像数据集中获取其数据，通过VTK的可视化管道，创建纹理对象。选择不同的映射方式，可以将纹理坐标数据映射到可视化对象上，可以选择的映射方式有圆柱映射、平面映射、球映射。经过材料状态的判断，给不同的材料状态对应的VTK中Actor对象进行贴图。对数据进行渲染，最终得到贴图后的渲染结果。

计算起始时间t1、计算截止时间t2用来表示所述至少一个几何模型模拟仿真的目标观察时间段。计算时间步长Δt用来表示几何模型相态变化判断的时间间隔，在本发明中，Δt的取值范围为[0.1μs，100μs]，具体的，可以根据算例的具体情况确定Δt的取值，例如，高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等剧烈型的工况中，其会在极短的时间内发生相态的变化，此时，需要设置Δt为较小数值，才可以真实地图形化表现出模型和环境的状态及其演化过程情况。当前计算时间t用于表示所述至少一个几何模型计算的当前时间，随着计算的执行不断增加。

S300，判断t≥t2是否成立，如果成立，执行步骤S400；否则执行步骤S500。S400，停止计算，方法结束。当几何模型的当前计算时间超出设置的观察时间段后，停止计算。

S500，当t=t1+i×Δt时，获取所述至少一个几何模型每个网格的当前温度值W和当前压力值P。具体的，在计算的执行过程中，通过指针获取所述至少一个几何模型每个网格的当前温度值W和当前压力值P，一个实施例中，标记全部网格的序号和/或位置、类型或者是所属几何模型，并记录每个网格的当前温度值W和当前压力值P。

S600，基于所述材料库中的所述相变温度压力值，判断是否存在至少一个所述网格的当前温度值W和当前压力值P触发初始材料转变为另一相态；判断为否时，执行步骤S700，否则执行步骤S800；S700，i=i+1，返回执行步骤S300；S800，调用所述初始材料相应相态下的纹理图渲染所述至少一个几何模型的不同相态区域，i=i+1，返回执行步骤S300。

在本申请中，假设在所述混凝土厚板的爆炸模型算例中，当几何模型从t1时刻计算到（t1+Δt）时刻，此时模型中TNT炸药进行了爆炸，AIR、CONC-35MPA、 TNT三种材料所占的网格单元数量和网格单元状态都发生了明显的变化。由于TNT爆炸膨胀，导致TNT所占网格数从初始状态的125个大幅度的增大，而且从固相变为气相。AIR区域网格温度升高，所占网格数减少，仍为气相。CONC-35MPA区域网格数量变化较少，随着爆炸发生，网格单元温度升高，当网格单元内的当前温度W值超过熔点，将从固相融化为液相。根据AIR、CONC-35MPA、TNT三种材料在（t1+Δt）时刻的状态，为其添加对应的纹理图，在程序中设置，当材料处于固态，将固态网格区域通过固态材料纹理图来显示，当材料处于熔化态，将液态网格区域通过液态材料纹理图来显示，当材料处于气态，将气态网格区域通过气态材料纹理图来显示。随着几何模型计算的推进，时间从t1到（t1+Δt）再到（t1+2×Δt），重复上述获取每个网格当前温度W和当前压力P，判断网格相态是否发生变化，若发生则从纹理库中调用相应相态下的纹理图进行渲染的步骤，这样便直观地显示出不同时刻几何模型外形真实状态及其变化过程情况。即本申请在几何模型的计算过程中，每完成一个计算时间步长Δt，就依据此时网格上的压力和温度值，结合材料的相变温度压力值来判断模型网格中相的情况，然后根据判断结果显示对应网格的材料状态。即当判断某些网格的状态为固态时，则通过固态材料纹理图来显示该区域，当判断某些网格的状态为液态时，则通过液态材料纹理图来显示该区域，当判断某些网格的状态为气态时，则通过气态材料纹理图来显示该区域。从而真实且直观地展示出了模型在计算过程中材料外形、状态及其变化过程。

进一步，在本申请中，所述至少一个几何模型的不同相态区域的确定为：在一个几何模型中，通过划分具有相同相态的网格而形成该几何模型的不同相态区域。例如，在一个几何模型中，网格1-3为液态，网格4-8为气态，则网格1-3形成该几何模型的液态区域，网格4-8形成该几何模型的气态区域。且不同的几何模型在同一时刻具有不同的相态区域。

综合上述内容可知，本申请首先创建了可供模拟仿真软件调用的、用于表示材料在不同相态下的纹理库，该纹理库可用于实时表现几何模型和材料在强载荷作用下局部大变形、崩落破坏时的外形、纹理特征，动态地显示仿真工况的实际效果。其次，本申请还提出通过判断相变并完成材料外形纹理实时更新的方法，在计算迭代的过程中，通过提取计算过程中网格单元压力、温度数值并结合相变温度压力值判断材料相的分布，根据判断结果实现材料相变过程中纹理库的切换，从而真实地图形化表现出高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等工况下模型和环境的状态及其演化过程情况，进而解决仿真结果展示中存在的颜色失真和表达不准确的情况。

本申请的实施例还提供了一种材料外形状态显示系统，该系统包括有处理器和一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质用于保存至少一条指令或至少一段程序，且所述处理器加载并执行所述至少一条指令或至少一段程序以实现上述实施例提供的方法。

本申请的实施例还提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质可设置于电子设备之中以保存用于实现方法实施例中一种方法相关的至少一条指令或至少一段程序，该至少一条指令或该至少一段程序由该处理器加载并执行以实现上述实施例提供的方法。

本申请的实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和前述的非瞬时性计算机可读存储介质。

本申请的实施例还提供一种计算机程序产品，其包括程序代码，当所述程序产品在电子设备上运行时，所述程序代码用于使该电子设备执行本说明书上述描述的根据本申请各种示例性实施方式的方法中的步骤。

虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本申请的范围和精神。本申请开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种材料外形状态显示方法，其基于动力学数值模拟软件，所述软件集成有包含材料模型、材料参数和相变温度压力值的材料库，其特征在于，所述软件集成有纹理库，所述纹理库和所述材料库对应，用于保存所述材料库中全部材料在不同相态下的纹理图，所述方法包括：

S100，创建并配置至少一个几何模型，其中，所述配置至少一个几何模型包括：分别为所述至少一个几何模型选择求解器、划分网格、设置初始状态和边界条件、添加初始材料；

S200，设置所述至少一个几何模型的计算起始时间t1、计算截止时间t2、计算时间步长Δt、时间步长数i=1、当前计算时间t=t1、计算初始环境温度w、计算初始环境压力p，根据所述计算初始环境温度w和所述计算初始环境压力p分别从所述纹理库中选择与几何模型初始材料相应的纹理图对所述至少一个几何模型进行渲染；开始执行计算；

S300，判断t≥t2是否成立，如果成立，执行步骤S400；否则执行步骤S500；

S400，停止计算，方法结束；

S500，当t=t1+i×Δt时，获取所述至少一个几何模型每个网格的当前温度值W和当前压力值P；

S600，基于所述材料库中的所述相变温度压力值，判断是否存在至少一个所述网格的当前温度值W和当前压力值P触发初始材料转变为另一相态；判断为否时，执行步骤S700，否则执行步骤S800；

S700，i=i+1，返回执行步骤S300；

S800，调用所述初始材料相应相态下的纹理图渲染所述至少一个几何模型的不同相态区域，i=i+1，返回执行步骤S300。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软件集成所述纹理库包括：所述软件调用用于获取所述纹理库的接口。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，Δt的取值范围为[0.1μs，100μs]。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纹理库包括第一纹理库和第二纹理库，其中第一纹理库包括材料本身具有纹理的材料纹理图，第二纹理库包括材料本身不具有纹理的材料纹理图，第二纹理库中材料纹理图为RGB色彩模式颜色图。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定时更新所述材料库中的所述相变温度压力值。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S100之前还包括以下步骤：S001，建立所述纹理库。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过指针获取所述至少一个几何模型每个网格的当前温度值W和当前压力值P。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个几何模型的不同相态区域的确定为：在一个几何模型中，通过划分具有相同相态的网格而形成该几何模型的不同相态区域。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过纹理贴图的方式来渲染所述几何模型。

10.一种材料外形状态显示系统，其特征在于，该系统包括有处理器和一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质用于保存至少一条指令或至少一段程序，且所述处理器加载并执行所述至少一条指令或至少一段程序以实现权利要求1-9中任一项所述的材料外形状态显示方法。

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