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相场模拟的可视化技术研究

【摘要】:相场法(Phase-Field method)通过求解以Ginzburg-Landau理论为基础的微分方程,获取材料及其属性在时间和空间上的瞬时状态,从而探究材料在各种属性方面的表现情况。分析和提取结果数据中的有用信息对于特定参数的模拟具有重要的意义。当前,相场法的模拟结果多以文本的方式记录各种物理场的空间分布,如何有效地处理这些数据,并得到直观、形象的处理结果成为计算材料领域研究的重点。然而,模拟结果数据具有类型繁多、规模多样和维度不一等特性,给相场模拟的可视化带来一定困难。本文研究将模拟数据中抽象符号信息转换为具有一定形状、颜色等视觉信号并展示出来。借助计算机图形学技术,对相场模拟结果进行体绘制和几何形状的可视化呈现,并获得材料结构和抽象物理场在空间整体分布和局部细节上的高质量图像;充分利用硬件的计算优势和存储功能,改善大数据集实时渲染效率低的不足。主要工作包括以下三个方面:1)分析三维可视化中的关键技术和相场模拟三维数据场的特征,探索可视化在相场模拟领域的应用。分析原始数据文件格式,通过转换数据格式到目标可视化文件来建立基于体素模型的结构化点集,通过阈值方式过滤结构化点集来获得基于四面体单元的非结构网格模型。2)设计并实现基于结构化点集的光线投射算法,设计不同传递函数和图像合成方式满足不同可视化需求,实现相场模拟微结构的三维显示。在效率和效果上与基于非结构网格的体绘制进行对比与分析。两者均能获得清晰的可视图,相同数据集下,基于体素模型的渲染效率优于非结构网格,但效率都不高且差异不明显;利用硬件的计算能力和纹理资源,实现光线投射算法的加速,在一定程度上解决大数据集实时渲染效率低的问题。3)通过插值对材料空间中每一个单元提取等值面,实现材料中相同物质的轮廓抽取,显示材料中指定成分的结构。通过在空间中放置由该处矢量定义的图标,以符号展示电场和极化矢量场的全貌,将矢量场视为速度场,通过流线积分算法生成电场的局部流线特征,种子点在材料边界处的流线有助于研究材料氧缺陷运动。二阶张量类型的应力和应变,通过张量特征构造椭球显示张量的整体分布,对于应力场,提取其特征矢量场,构造超流线,以颜色和轨迹表征特征矢量的连续变化。椭球体和超流线技术描述了应变和应力场的强弱分布及应力的局部连续变化形态。

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