大坝地震反应数据场可视化方法研究

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尽管近年来对可视化的研究已有了很大的突破,但可视化的方法中还有许多问题有待于人们去解决,比如如何提高体绘制速度、如何动态地显示数据场可视化图像等,这些问题的解决,会进一步扩大可视化的应用领域和范畴。在大坝地震反应分析中,所常用的后处理软件的可视化功能主要是二维显示,三维的可视化功能非常有限,只能显示表面的应力分布和位移变化,无法显示大坝内部场值分布的变化过程,没有达到理想的可视化效果。 本文充分考虑了大坝地震反应数据场的特点,以大坝地震反应数据场的可视化方法研究为主要内容,以研制开发大坝地震反应可视化系统为最终目的,提出了几种可行性强的数据场可视化方法。其具体研究内容如下: (1)、基于St.Andrew单元剖分的基本思想,对定义在四节点非正规化网格上的地震反应数据进行等值线抽取,并以多种颜色绘制出计曲线。采用扫描线方法,计算出断面上像素点的场值及对应的颜色值,绘制出颜色连续变化的场值云图,使人们清楚地了解大坝地震反应中指定断面的场值分布。 (2)、为了使人们了解大坝地震反应整体应力分布情况,提出多层断面云图显示方法,将大坝多层断面的场值云图通过轴测投影变换后显示在一个画面里,并使其光强叠加,透过前一个断面可看到后一个断面的场值分布。该方法既能显示大坝单个断面的应力分布,又能观察和比较大坝各个断面的应力情况,生成方法简单,易于推广,为体数据的三维可视提供了简单可行的途径。 (3)、为了弥补传统体绘制静止画面不能明确判断场值集中部位的不足,提出一种快速体绘制算法,针对大坝地震反应有限元计算数据场,根据每个单元法线与视线夹角最小的表面来选择剖切方向,将单元剖切成多个四边形面后,对单元的绘制顺序进行合理排序,利用OpenGL图形库函数进行颜色融合,再将各个单元依次叠加,从而生成了三维数据场的体绘制图。该方法大大提高了体绘制速度,实现了从不同视点动态观察体绘制图,可以清楚地分析场值集中部位。 (4)、为了动态地显示大坝地震反应数据场的整体变化情况,本文提出了基于网格、表面、体绘制和多断面的数据场三维动态可视方法,并给出了位移数据场的几种动态可视方法,可以立体地反映出三维数据场的整体数据分布,实现大规模数据场实时动态可视,使人们及时准确地了解大坝地震反应过程,正确地做出决策。 (5)、举例说明了分形的IFS方法;推导出Koch曲线的具体迭代算式;给出了由分形插值曲面生成地形图的具体方法;提出了在同一递归深度取相同随机量的方法解决中点变位法中的裂缝问题,实现了用三角形中点变位法和四边形中点变位法绘制场景中的山形,从而用连续四边形面片构造出了库区山形及河道,用分形曲面构造出了河床,逼真地全景显示了可视化场景。 可视化是涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域的交叉学科,可视化在土木工程中的应用又会涉及到土木工程中的许多实际工程问题,因此要达到完善大坝地震反应可视化方法及研制开发大坝地震反应可视化系统的目标,还有大量艰苦的工作要做。
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