计算机论文：离散元法工程计算软件的前后处理系统

 　　离散元法是一种建立在经典力学基本运动定律的基础上,研究离散的单元之间相互作用及其变化规律的学科分支。70年代初Cundall等人首先提出该思想, 80年代发展了包含前后处理的离散元程序,但图形简单。离散元法在我国的研究和应用起步较晚,但发展迅速,主要研究离散体结构的离散单元。无论是国内还是国外,包括图形制作和显示的前后处理系统一直是离散元法工程计算软件的一个薄弱环节。我们根据自己的工作需求在Windows环境下开发出一套"离散元工程计算软件[1]前后处理系统"。该系统是用VC++语言结合OpenGL[2]在Windows平台下开发的。用户可以利用该程序创建出质量接近光线跟踪的静止或动画三维彩色图象,速度比光线跟踪算法快一个数量级,而计算部分可以计算连续体-非连续体模型。我们为离散元法工程计算软件配备了功能齐备、操作简单的前后处理系统。
　　离散元工程计算软件主要应用于冲击动力学问题的数值解析方面,其主要特点是可以对材料和结构在冲击、爆炸、碰撞等情况下的受力、变形和破坏过程进行可视化演示。离散元法工程计算软件包括前处理、计算和后处理三个基本模块,系统总体结构如图1所示。用户通过数据输出信息(前处理)形成数据文件,计算后再通过数据输入(后处理)进行应力、变形和破坏过程的可视化演示。软件的设计采用面向对象技术,数据采用数据结构的形式。本系统将前后处理作为彼此独立的对象单元,可独立运行。本系统采用的离散元基本模型是圆盘形的刚体单元(二维)和圆球形的刚体单元(三维)。离散元的计算所需的前端数据文件包含许多参数,如果全凭手工输入需要很长时间,且必须对数据的内部结构很了解,但即使这样也很容易出错。为此我们通过方便灵活的人机交互方式生成计算模型,自动生成全部的离散元模型数据,不需要手工输入多少数据,从而为用户提供了全部的前处理界面,极大地简化了离散元建模过程。
　　在建模过程中,采用了前面介绍的SGI公司的图形软件接口OpenGL,使得三维图形的建模十分简单,并且效果较为逼真。材料库采用智能化的方法,即如果材料库中没有用户需要的材料,那么用户第一次手工输入后,就将其自动加入材料库中。而且,材料库可以满足不同本构关系的模型的需要,不同的本构关系对应不同的材料参数。由于采用了人机交互方式来构造结构的几何模型,建模十分简单,用户不需要有很强的专业水平即可交互地生成离散元计算模型材料参数、单元界面特性、外部载荷、边界约束条件等数据,还可以对离散元模型进行编辑与修改。离散元模型的数据通讯包含两部分内容:一是生成离散元模型的公共数据库,这是一个规格化的数据文件,其数据按块组织,每一块的开始都说明数据的性质,便于使用者观察,这个文件还可以转换成其它工程计算或图形处理需要的数据格式;二是生成离散元分析程序的前端输入文件,该数据文件可以直接被计算程序读取,用来计算。
　　本系统的图形后处理有两个主要任务:用静态的二维图形或三维图形表示计算模型某一点或某一部分的应力、应变等物理量的分布和随时间的变化; 用动画的方法显示整个计算模型的受力、变形和破坏的全过程。在工程中,后种图形显示方式更为直观,但实现起来难度较大。下面着重介绍这方面的工作。
　　离散元法工程软件的图形后处理要求速度快,动画演示平滑,为此,我们采用了一些新的技巧。其中,图形显示用双缓冲区的方法,一幅图形在显示的同时,下一幅将要显示的图形在内存中开始画,这样交替进行就不会产生闪烁感。尽管这样,在画应力云图的时候由于需要大量的计算,仍然不能满足演示动画的要求。于是我们充分利用OpenGL的功能,既简化了计算,又没有对图形的精度产生太大的影响,而速度却提高了一个数量级。为了今后使用方便,我们用OpenGL为MFC快速地创建了一个可重用的3D视类,在程序中可直接使用,增强了程序的可移植性。在实施动画方面,我们没有提前把各幅图形生成好放在硬盘上。因为离散元法生成的数据文件很大,如果把每幅图形都提前生成好,将大量占用硬盘空间,全部多达几十兆。我们直接从图形文件读取数据进行画图,图形的位置变化用位移增量表示,这样极大地节省了磁盘空间,而且速度也很快。