CN114590366B - 一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶结构有限元分析结果的虚拟可视化系统，包括数据转换模块、模型优化模块、模型剖分与重组模块、虚拟现实可视化模块。数据转换模块用于获取CAE数据并进行格式转换；模型优化模块用于对转换后的CAE数据轻量化；模型剖分与重组模块将轻量化后的CAE数据中的单元剖分成三角形网格并进行重组，生成点云、节点与单元拓扑关系、节点解和材料属性数据；虚拟可视化模块完成在虚拟环境下网格模型的生成、渲染、工具与用户的交互。本发明提供了一种虚拟环境下快速实现船舶结构CAE数据的可视化的通用途径，有效提高了CAE数据的可视化效果，能够为工程设计及教育教学等领域提供便利。

Description

一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统

技术领域

本发明属于三维可视化显示技术领域，涉及一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统。

背景技术

随着计算机技术的发展，有限元方法已经在结构力学、电磁学、流体力学等领域得到广泛使用。通用有限元软件具有强大的求解能力，成为在结构安全评估方面强有力的手段。在结构有限元分析过程中包含三个过程：前处理、分析计算和后处理。在前处理阶段，主要是基于几何模型构建网格模型，并定义边界条件和施加载荷；随后采用求解器求解数值模型，最后对结果采用图形、图标及曲线等方式进行呈现，采用最多的方式是使用云图进行结果可视化。目前几乎所有的通用CAE软件在前处理和后处理过程中，可视化方法主要是基于2D屏幕结合视角的旋转来观察模型质量及计算结果，要实现模型和分析结果的3D可视化，采用“视图切割”进行逐个切片显示结果似乎是唯一的方法，但是通用CAE软件不支持体绘制等高级可视化技术，这使得从并行计算获取的大型输出文件的可视化成为了一项重大挑战。

近年来，随着船体结构的大型化趋势，有限元计算的规模呈级数级别的增长。计算结果文件从原来的几个GB增大到上百GB，另外，在张量等结果数据表达等方面缺少专门符号，动画展示效果差。在串行可视化方面，对网格数量巨大的精细模型的可视化能力弱、效率低且不稳定。随着计算能力和模拟精度的不断提高，对网格模型的前处理及对分析计算结果的可视化后处理将更加困难。

目前，国内外关于CAE分析结果可视化也取得了很大进展，但是，常用的商业通用CAE软件，比如，Ansys、Patran、Nastran、Abaqus等软件框架差异性较大，有限元模型和分析结果的数据结构各不相同，相互之间数据的通用性极差。虽然，目前流行的ParaView和Ensight等可视化软件增强了CAE分析结果的可视化效果，但是对CAE输出二进制结果文件的读取具有很大的局限性，比如ParaView和Ensight并不能直接读取和显示.odb(Abaqus结果文件)、.xdb(Nastran结果文件)等。因此，急需建立一种通用的有限元分析结果可视化数据架构和解决方案。

虚拟现实技术的发展提供了沉浸式交互体验的方案，有别于传统的2D可视化，在视觉显示上给予真实的3D呈现，为CAE分析结果可视化提供了新的契机。目前国内外基于虚拟现实的有限元仿真通用可视化研究仍处于起步阶段，在模型的通用可视化、模型的轻量化、交互方式多样化、后处理结果的渲染及可靠性表达等方面具有很大的发展空间。面对船舶工程有限元仿真日益增长的设计需求，迫切需要构建操作简便、通用性和扩展性强的船舶结构有限元虚拟可视化显示工具，为船舶结构设计人员提供快速、有效的大规模有限元模型及分析结果可视化解决途径。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，解决船舶结构有限元仿真过程中虚拟可视化效率低等问题，并提高结构设计效率和改进设计方案提供强有力的工具。

为实现上述目的，本发明提供了一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，包括：

数据转换模块、模型优化模块、模型剖分与重组模块和虚拟可视化模块；

所述数据转换模块用于获取CAE数据并进行格式转换，所述CAE数据包括船舶结构的应力数据、应变数据和变形数据；

所述模型优化模块用于对转换后的CAE数据并进行轻量化处理；

所述模型剖分与重组模块用于对轻量化后的CAE数据进行剖分与重组处理；

所述虚拟可视化模块用于对剖分与重组的CAE数据进行可视化处理。

可选的，所述船舶结构的应力数据、应变数据和变形数据分别包括CAE模型文件和CAE计算结果数据文件。

可选的，所述数据转换模块包括CAE数据读取接口和可视化数据转换接口；

所述CAE数据读取接口用于对不同的CAE模型文件及CAE计算结果数据文件的读取；

所述可视化数据转换接口用于将读取的数据进行格式的转换。

可选的，对转换后的CAE数据进行轻量化处理的过程为：在对节点及单元重新编号过程中，将与所述CAE数据无关的信息进行提取，通过判断每一个单元上附属的节点信息，去除冗余节点占用的存储空间。

可选的，对轻量化后的CAE数据进行剖分与重组处理的过程为：基于最大空圆原则和最小角最大化原则，将CAE数据中的单元剖分成三角形网格并进行重组，生成点云、节点与单元拓扑关系、节点解和材料属性数据。

可选的，对剖分与重组的CAE数据进行可视化处理的过程包括：基于节点与单元之间的拓扑关系，生成三角形网格；基于所述三角形网格，建立有限元模型；对所述有限元模型进行渲染；基于渲染后的有限元模型，完成对CAE模型文件和CAE计算结果数据文件的调用和查看。

可选的，建立有限元模型的过程是在Unity3d中构建的，采用Mesh组件设置每一个三角形网格的顶点坐标、法线、纹理坐标及三角形网格的绘制序列。

可选的，对所述有限元模型进行渲染的过程为：

基于MeshFilter和MeshRenderer中Contour_Plot函数，将所述节点解赋值给三角面片的顶点，单个面片上的颜色根据顶点的颜色进行插值计算，最终完成由网格面片组成的整个模型渲染。

本发明的技术效果为：

1)本发明提出的一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，可以读取多种商业软件的结果文件，突破了不同软件平台分析结构可视化之间的数据壁垒。同时，构建的函数库具有良好的可读性、易封装性和可扩展性。

2)本发明提出的一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，可以快速的在虚拟现实环境下重构有限元模型和CAE分析结果，沉浸式检查、修正有限元模型，3D环境下以多种方式进行分析结果与工具之间的交互，提高设计人员工作效率。

3)本发明提出的一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，可以实现包含不同网格类型的大规模精细模型及分析结果的并行可视化，大大改善了大规模数据的可视化效果。

4)本发明提出的一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，模型和分析结果重构过程，实现效果好，数据冗余小，保证了模型的轻量化需求，直接有益于模型的可视化、后处理结果的显示，并为有限元模型在虚拟环境下的实时计算提供了有效途径。

5)本发明提出的一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，不仅可以应用于实际的船舶工程设计，还可以满足教学的需要，使得学生更好的理解和学习船舶结构有限元数值模拟。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的.odb文件的数据架构；

图3为本发明实施例的远洋高科船舱段有限元模型示意图；

图4为本发明实施例的远洋高科船舱段有限元模型在有限元中的静力学云图；

图5为本发明实施例的远洋高科船舱段有限元模型静力学分析结果的虚拟可视化云图结果。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本发明提出一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统包括数据转换模块、模型优化模块、模型剖分与重组模块、虚拟可视化模块，其中：

数据转换模块用于实现CAE模型文件和CAE计算结果数据文件中的数据读取，即获得CAE数据，按不同类型的CAE数据特征转化为统一格式并保存，随后将转化后的数据导入到模型优化模块。CAE数据包括船舶结构的应力数据、应变数据和变形数据。

具体的，数据转换模块包括CAE数据读取接口、可视化数据转换接口、内存数据保存和输出接口：

CAE数据读取接口，针对不同的CAE模型文件及CAE计算结果文件格式，首先在配置文件中定义不同的关键字，调用相应的读取函数并建立不同文件格式的关键字列表，然后逐行读取CAE模型文件及CAE计算结果文件中的数据，通过与配置文件中的关键字列表进行比对，比对一致后按照配置文件中的关键字提取指令将CAE数据中的单元、节点以及计算结果导入到可视化数据转换接口。

基于配置文件中的关键字，将提取的数据保存至可视化数据转换接口中预定义的数据成员变量，通过数据转换建立通用的CAE可视化数据架构，成员变量主要包括：节点编号、单元编号、节点与单元拓扑关系、网格类型、节点解等。

内存数据保存和输出接口，对不同格式的CAE文件转换后的数据进行储存管理在相应的.rpt文件和内存中，并发送至模型优化模块。

模型优化模块用于CAE数据轻量化，减少冗余节点和单元等数据。

具体的，模型优化模块用于CAE数据轻量化，减少冗余节点和单元等数据。根据实际需求采用算法去除数据中的多余数据以及冗余节点，精简后的数据保存在相应的.rpt文件和内存中。

模型剖分与重组模块将精简后的四边形及多边形网格剖分为三角形网格，并进行网格重组，将生成的点云、节点与单元拓扑关系、节点解、材料属性数据等信息导入虚拟可视化模块。

具体的，网格剖分是针对低阶四边形单元，每个四边形单元剖分成两个三角形单元；网格重组是将剖分后的三角形单元进行重组，删除冗余边界。模型剖分好重组过程中，三角形网格单元增加，总体节点数不变。

具体的，四边形网格剖分成三角形网格过程中，遵守Delaunay三角剖分最重要的两条规则：最大空圆原则和最小角最大化原则。

具体的，点云、节点与单元拓扑关系、节点解、材料属性数据等信息导入虚拟可视化模块中，点云对应节点在空间的分布，由每个节点的坐标决定其位置。节点与单元拓扑关系是指每个单元的编号、在其上附着的节点及节点编号的顺序，其中节点编号的顺序决定这网格的构成及网格单元的法向量。

具体的，节点编号及坐标、单元编号及与节点的拓扑关系、节点解等有限元模型特征信息分别保存在函数库中对应的成员变量和单独的.rpt文件。

虚拟可视化模块主要完成网格模型的生成、渲染、工具与用户的交互等。

具体的，网格模型的生成主要是依靠导入的节点坐标形成点云，依据单元和节点之间的拓扑关系快速形成三角形网格进行形成整个有限元模型，该过程是在Unity3d中构建的，主要是采用Mesh组件设置每一个三角形网格的顶点坐标、法线、纹理坐标及三角形网格的绘制序列。

具体的，三角形网格的渲染主要是借助MeshFilter(网格过滤器)和MeshRenderer(网格渲染器)中的Contour_Plot函数来实现的，渲染过程中将节点解赋值给三角面片的顶点，单个面片上的颜色根据顶点的颜色进行插值计算，最终完成由网格面片组成的整个模型渲染。

具体的，工具与用户的交互包括：有限元模型的显示模块，静力学结果显示模块，模型分割、旋转、平移等模块，完成用户对CAE模型和分析结果的调用和查看。

静力学显示模块用于对可视化数据进行查看和分析，包括应力、应变及结构变形的云图。

具体的，本系统还包括子模块的集成与发布模块，子模块的集成与发布是在Unity3d中完成，用户可以根据自己需求选择不同的发布平台：PC端、VR端、移动端、Web端。

具体的，虚拟可视化显示包括实体、有限元模型、静力学云图及结果模型分割、旋转、平移及动画显示等交互操作。

以远洋高客船舱段模型对本发明的各个模块及系统功能进行测试。

数据转换模块完成不同CAE数据的读取，并按不文件格式规范将数据转化为可视化统一格式并保存到内存和相应的.rpt文件中进行存储，同时将数据送入模型优化模块进行处理。其中CAE数据是指Nastran、Ansys、Abaqus、Fluent等常用CAE软件的模型及分析结果数据。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、.xdb、.h5等文件，Abaqus的.odb文件，ANSYS的.db文件等。CAE软件求解器生成的二进制文件，一般非开源文件，解析比较困难。因此，针对不同CAE商业软件的每种二进制格式结果文件，定制开发了相对应的接口程序。

本实施例以Abaqus软件的.odb文件解析进行说明。

odb文件由模型数据和结果数据两部分组成，如图2所示。节点编号及坐标、单元编号及类型、单元与节点的拓扑关系等结构信息是属于模型信息数据，位于根装配(rootAssembly)下部件实例(instances)的节点(nodes)和单元(elements)对象中。比如获取实例信息的方法可使用odb.rootAssembly和rootassembly.instances的方式。结果数据：分析步(steps)对应分析类型，帧(frames)对应一个增量步，场输出(fieldOutputs)储存该帧所有的计算结果。

针对CAE结果文件较大的问题，对其数据架构进行转换，实现CAE结果文件的数据压缩和传输，提取有效信息，基于配置文件(如表1)中对节点、单元及拓扑关系的关键字以及函数库中的成员变量，将模型和分析结果的特征信息保存到内存及相应的rpt文件中，实现CAE结果文件的数据压缩、传输和转换。

表1

模型优化模块用于CAE数据轻量化，减少冗余节点和单元等数据。在导入CAE结果转换文件后，对所需要的模型和结果做轻量化处理。模型后期剖分效果和效率依赖于前处理建模中单元编号在空间上的有序程度，单元排列无序时在数据块边界形成大量冗余节点，并影响渲染效率和可视化效果。文件压缩比可达到10％左右，可以提高模型在重构过程中的数据加载速度以及传输效率。在与外部系统集成后，可通过访问实现数据的下载与显示，便于进行数据的快速共享。

函数库及成员变量、内存数据。CAE数据的基本数据结构主要包括单元，节点，以及结果数据等。管理上述数据，设计了内存数据结构的函数库及成员变量，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。内存数据结构函数包括以下几种：

节点及单元数据主要由CAE_Mesh函数来进行管理。Mesh函数管理所有与CAE模型网格节点有关的位置、编号及关联单元等相关的数据，与网格单元相关的编号、网格类型、附着节点及节点连接顺序等。

有限元结果数据由CAE_Result函数进行管理。CAE_Result函数管理所有与CAE计算结果相关的数据。包括计算结果类型(应力、应变、位移及变形等)、节点解(应力、应变、位移及变形等)，以及结果数据的存储和管理。见表2内存管理相关的函数库主要成员变量

表2

CAE结果转换过程中，由于船舶结构主要采用板壳单元，因此只需要保留多余数据即可。采用的算法包括：遍历搜索算法，对所有单元及节点进行遍历的方式，搜索自由节点，即没有与其他单元相相关联，对所有单元的附着节点进行判断，搜索无效单元，即节点在一条直线上；网格剖分算法，检索每一个四边形网格剖分后是否符合Delaunay三角剖分最重要的两条规则：最大空圆原则和最小角最大化原则。

通过遍历每一个节点及其与单元之间的拓扑结构关系，确定单元及节点的冗余信息，其中，节点与单元无拓扑关系、三个节点之前拓扑关系是在一条直线上、两个单元重复使用一个边界，均为冗余信息。删除冗余信息后对节点进行重新编号。优化后的网格节点数目为93907，网格数目为194584。见表3优化后节点编号及节点坐标；表4优化后单元编号及与节点之间的拓扑关系；表5优化后节点应力值。

表3

节点编号	X	Y	Z
				1	33861	35434	35426
2	37090	35452	35464
				3	37130	37127	35543
4	32613	32611	32612
				5	31014	32612	32611
6	32611	32609	31014
				7	32611	32613	32615

表4

单元编号	NodeID	NodeID	NodeID
				1	86999.9766	9310.	20399.9492
2	86999.9766	9450.	20199.9492
				3	86849.9766	9310.	20399.9492
4	86849.9766	9450.	20199.9492
				5	86399.9766	9310.	20199.9492
6	86699.9766	9310.	20399.9492
				7	86699.9766	9450.	20199.9492
…	..	…	…
				93905	86999.9375,	1050.00024,	1199.97913
93906	86999.9297,	1049.99963,	-0.0208637882
				93907	86999.9297,	0.,	-0.0207306929

表5

单元编号	Attached elements	S,Mises
			1	76896	11.1054
2	76808	16.94
			2	76812	16.94
3	76895	8.03424
			3	76896	8.03424
4	76807	14.9006
			4	76808	14.9006
4	76811	14.9006
			…	…	…
93907	92748	110.524
			93907	93258	22.6329

虚拟可视化模块主要完成网格模型的生成、渲染、工具与用户的交互等。

可视化模块，用于实现模型优化发送来的可视化数据，在统一界面的实现显示。Unity3D中对物体MeshFilter组件下的Mesh对象赋值，实现网格的渲染。Mesh对象包含存储三角网格的顶点数组Vertices(存储顶点的xyz方向上的数据)、存储网格顶点构造顺序的索引数组Triangles(int类型的数组，存储Vertices数组的渲染顺序)、存储顶点颜色的颜色数组Colors(Colors数组与Vertices数组对应，用于对网格的顶点进行颜色赋值)及重新计算顶点法向和边界值的函数等。

配置文件中添加CAE软件类型，以体现其具有良好的扩展性。通过修改配置文件中访问的有限元文件类型、路径、名称、模型网格类型以及需要访问的部件实例、分析步、帧和需要输出的变量等信息，程序可以对目标有限元二进制文件进行自动访问和读取，从而避免了繁琐的代码修改。

系统设计中模型剖面显示通过定义交互函数完模型的旋转、平移等操作，通过定义平面的方式进行数据筛选，通过调用显示函数进行剖面显示，实现对模型内部分析结果的查看。

本发明测试例的对象为某远洋高科船舱段模型，长度约为87.7m，网格节点数目为93907，网格数目为194584。图3为在Patran中构建的有限元模型，图4为在Abaqus中完成的有限元分析静力学云图，图5为在Unity3d中重构和渲染后的云图，通过发布可以在VR环境下进行交互。

用户可以根据自己需求选择不同的发布平台：PC端、VR端、移动端、Web端，形成船舶结构有限元分析结果虚拟可视化工具，本实施例发布为VR端。

本发明可以有效实现大型船船舶结构有限元分析结果的虚拟可视化，可以应用于工程设计和教育教学领域，同时通过测试案例也验证了所提方法的可行性和实用性。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，其特征在于，包括：

数据转换模块、模型优化模块、模型剖分与重组模块和虚拟可视化模块；

所述数据转换模块用于获取CAE数据并进行格式转换，所述CAE数据包括船舶结构的应力数据、应变数据和变形数据；

所述模型优化模块用于对转换后的CAE数据并进行轻量化处理；

所述模型剖分与重组模块用于对轻量化后的CAE数据进行剖分与重组处理；

对轻量化后的CAE数据进行剖分与重组处理的过程为：基于最大空圆原则和最小角最大化原则，将CAE数据中的单元剖分成三角形网格并进行重组，生成点云、节点与单元拓扑关系、节点解和材料属性数据；

网格剖分是针对低阶四边形单元，每个四边形单元剖分成两个三角形单元；网格重组是将剖分后的三角形单元进行重组，删除冗余边界；模型剖分好重组过程中，三角形网格单元增加，总体节点数不变；

四边形网格剖分成三角形网格过程中，遵守Delaunay三角剖分最重要的两条规则：最大空圆原则和最小角最大化原则；

点云、节点与单元拓扑关系、节点解、材料属性数据信息导入虚拟可视化模块中，点云对应节点在空间的分布，由每个节点的坐标决定其位置；节点与单元拓扑关系是指每个单元的编号、在其上附着的节点及节点编号的顺序，其中节点编号的顺序决定这网格的构成及网格单元的法向量；

节点编号及坐标、单元编号及与节点的拓扑关系、节点解有限元模型特征信息分别保存在函数库中对应的成员变量和单独的.rpt文件；

所述虚拟可视化模块用于对剖分与重组的CAE数据进行可视化处理；

所述船舶结构的应力数据、应变数据和变形数据分别包括CAE模型文件和CAE计算结果数据文件；

所述数据转换模块包括CAE数据读取接口和可视化数据转换接口；

所述CAE数据读取接口用于对不同的CAE模型文件及CAE计算结果数据文件的读取；

所述可视化数据转换接口用于将读取的数据进行格式的转换；

CAE数据读取接口，针对不同的CAE模型文件及CAE计算结果文件格式，首先在配置文件中定义不同的关键字，调用相应的读取函数并建立不同文件格式的关键字列表，然后逐行读取CAE模型文件及CAE计算结果文件中的数据，通过与配置文件中的关键字列表进行比对，比对一致后按照配置文件中的关键字提取指令将CAE数据中的单元、节点以及计算结果导入到可视化数据转换接口；

基于配置文件中的关键字，将提取的数据保存至可视化数据转换接口中预定义的数据成员变量，通过数据转换建立通用的CAE可视化数据架构，成员变量主要包括：节点编号、单元编号、节点与单元拓扑关系、网格类型、节点解；

内存数据保存和输出接口，对不同格式的CAE文件转换后的数据进行储存管理在相应的.rpt文件和内存中，并发送至模型优化模块。

2.根据权利要求1所述的船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，其特征在于，对转换后的CAE数据进行轻量化处理的过程为：在对节点及单元重新编号过程中，将与所述CAE数据无关的信息进行提取，通过判断每一个单元上附属的节点信息，去除冗余节点占用的存储空间。

3.根据权利要求1所述的船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，其特征在于，对剖分与重组的CAE数据进行可视化处理的过程包括：基于节点与单元之间的拓扑关系，生成三角形网格；基于所述三角形网格，建立有限元模型；对所述有限元模型进行渲染；基于渲染后的有限元模型，完成对CAE模型文件和CAE计算结果数据文件的调用和查看。

4.根据权利要求3所述的船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，其特征在于，建立有限元模型的过程是在Unity3d中构建的，采用Mesh组件设置每一个三角形网格的顶点坐标、法线、纹理坐标及三角形网格的绘制序列。

5.根据权利要求4所述的船舶结构有限元分析结果虚拟可视化系统，其特征在于，对所述有限元模型进行渲染的过程为：

基于MeshFilter和MeshRenderer中Contour_Plot函数，将所述节点解赋值给三角面片的顶点，单个面片上的颜色根据顶点的颜色进行插值计算，最终完成由网格面片组成的整个模型渲染。

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