基于变层厚法的复杂区域物理场可视化若干关键技术研究与应用

论文摘要

可视化是处理大量数据和信息的有效方法，它具有直观、易于理解和交流的特性，给科学研究工作与项目决策等都带来了很大的便利。本文针对复杂区域物理场可视化目前存在的问题，研究了基于自适应变层厚笛卡尔切割单元法的复杂区域物理场数值模拟与可视化技术。提出了一种面向复杂三维形体的非结构化六面体笛卡尔生成方法，研究了基于非结构化笛卡尔网格的复杂区域物理场数值模拟及可视化方法。开发了基于自适应变层厚笛卡尔切割单元法的可视化系统，实现了复杂区域物理场的可视化。 论文的主要工作包括： 第一章讨论了物理场可视化的主要任务与发展历程，总结了物理场可视化的研究及应用现状，分析了目前在复杂区域物理场可视化方面存在的问题，论述了基于自适应笛卡尔切割单元法的复杂区域物理场可视化研究的意义。最后阐述了本文的研究背景、意义和主要研究内容。 第二章分析了STL文件的特点与常见错误，提出了基于松弛AVL树的冗余顶点归并方法，完成了STL文件拓扑关系的快速重构。采用了环分裂空洞修补算法等STL文件常见错误的修复方法，实现了基于拓扑关系的STL文件错误修复。 第三章提出了基于自适应变层厚笛卡尔切割单元法(本文中简称为变层厚法)的复杂区域非结构化各向异性笛卡尔网格生成方法。研究了自适应层厚控制算法及基于轮廓线集拓扑关系树的切割面上实体区域判断，采用基于凸包的背景网格顶点与封闭轮廓线关系判断方法改进了现有笛卡尔切割单元法。采用了面向不同情况的各向异性加密算法，实现了优质、高效的网格划分，为复杂区域物理场可视化奠定了基础。 第四章采用了基于各向异性笛卡尔网格的变空间步长显式差分格式与隐式差分格式，实现了基于各向异性非结构化笛卡尔网格的压铸件凝固过程三维非稳态温度场有限差分计算。构建了区域大气环评与复杂河道水环境评价计算模型，实现了基于各向异性非结构化笛卡尔网格的区域环评预测计算。 第五章在对电表机架压铸件的铸造缺陷进行大量统计分析的基础上，提出了新的铸造缺陷预测方法。研究了缩孔缩松及气孔等孔洞缺陷以及铸造热应力、热裂等缺陷发生的判据及预测方法，并结合神经网络技术，实现了基于神经网络的复杂压铸件铸造缺陷预测。 第六章针对可视化显示中等值线区域填充问题，提出了一种基于笛卡尔网

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 物理场可视化的研究与发展
• 1.2.1 物理场可视化的主要任务与发展历程
• 1.2.2 物理场可视化的主要应用领域
• 1.2.3 物理场可视化在产品设计与风险评价中的应用
• 1.3 复杂区域物理场可视化技术存在的若干问题
• 1.3.1 各向异性非结构化笛卡尔网格的剖分问题
• 1.3.2 基于各向异性非结构化笛卡尔网格的物理场数值模拟问题
• 1.3.3 各向异性非结构化笛卡尔网格数据场的可视化显示问题
• 1.4 研究的背景、内容及意义
• 1.4.1 论文的研究背景
• 1.4.2 论文的研究内容
• 第二章 复杂区域表面离散模型的拓扑重构与错误修复
• 2.1 引言
• 2.2 基于STL文件的复杂形体表面描述及其缺陷分析
• 2.2.1 基于STL文件的表面描述
• 2.2.2 STL文件表面描述模型的优缺点
• 2.2.3 STL文件常见错误分析
• 2.3 STL文件拓扑关系重建与错误修复
• 2.3.1 基于AVL树的STL文件拓扑关系建立
• 2.3.2 基于拓扑关系的STL文件错误修复
• 2.4 应用实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于变层厚法的复杂区域网格生成
• 3.1 引言
• 3.2 基于拓扑关系的自适应变层厚切片技术
• 3.2.1 三维复杂形体的自适应层厚控制算法
• 3.2.2 三维复杂形体特征区域的层厚控制方法
• 3.2.3 基于拓扑关系的切平面内封闭轮廓线生成
• 3.3 基于笛卡尔切割单元法的切片层实体内网格生成
• 3.3.1 切割点的追踪与切割单元的生成
• 3.3.2 基于凸包的实体外背景网格节点删除
• 3.3.3 切割单元的合并与实体内网格的各向异性加密
• 3.4 应用实例
• 3.5 本章小结
• 第四章 复杂区域的物理场数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 复杂形体压铸件凝固过程温度场数值模拟
• 4.2.1 凝固过程温度场计算的数学物理模型
• 4.2.2 求解传热方程的有限差分格式
• 4.2.3 应用实例
• 4.3 复杂物理区域扩散浓度场数值模拟
• 4.3.1 区域大气环评多源叠加预测计算
• 4.3.2 基于非结构化笛卡尔网格的河流污染扩散模型
• 4.3.3 应用实例
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于温度场数值模拟的复杂压铸件缺陷预测
• 5.1 引言
• 5.2 复杂压铸件凝固过程中缩孔缩松的预测
• 5.2.1 复杂压铸件缩孔缩松与气孔缺陷的形成机理
• 5.2.2 复杂压铸件缩孔缩松的判据与预测算法
• 5.3 复杂压铸件应力集中区域的快速预测
• 5.3.1 复杂压铸件铸造应力集中区域形成机理
• 5.3.2 应力集中区域的预测算法
• 5.4 基于神经网络的复杂压铸件缺陷预测
• 5.4.1 多层前向神经网络的搭建与改进
• 5.4.2 基于神经网络的缺陷预测
• 5.5 应用实例
• 5.6 本章小节
• 第六章 基于非结构化笛卡尔网格的等值线快速填充
• 6.1 引言
• 6.2 基于笛卡尔网格节点的栅格数据等值线区域填充
• 6.2.1 基于网格节点的栅格填充
• 6.2.2 基于色调顺时针插值法的填充色颜色渐变
• 6.3 基于VORONOI图的矢量结构等值线拓扑填充
• 6.3.1 矢量结构等值线数据的生成
• 6.3.2 等值线拓扑关系线索化二叉树的构建
• 6.3.3 基于拓扑关系线索化二叉树的等值线拓扑填充
• 6.4.应用实例
• 6.5.本章小结
• 第七章 可视化系统的实现及应用
• 7.1 引言
• 7.2 基于非结构化笛卡尔的等值线与等值面生成
• 7.2.1 GIS中非结构化笛卡尔网格数据场等值线的快速生成
• 7.2.2 非结构化各向异性笛卡尔体数据场的等值面生成
• 7.2.3 应用实例
• 7.3 基于动态关联的层次流可视化
• 7.3.1 基于动态关联的层次流可视化模型
• 7.3.2 节点动态关联的实现
• 7.3.3 应用实例
• 7.4 压铸制造过程可视化系统的主要功能模块
• 7.4.1 系统体系结构与主要功能模块
• 7.4.2 网格剖分模块
• 7.4.3 温度场数值模拟模块
• 7.4.4 缩孔缩松陷预测模块
• 7.4.5 应力集中缺陷预测模块
• 7.4.6 可视化显示模块
• 7.5 基于GIS的环评可视化系统的主要功能模块
• 7.5.1 大气环评计算模块
• 7.5.2 水环境环评计算模块
• 7.5.3 噪音环评计算模块
• 7.5.4 基于GIS的环评结果可视化模块
• 7.6 本章小节
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录一 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录二 攻读博士学位期间主要参加的科研项目及获奖情况
• 致谢