最新【精品】范文参考文献专业论文基于OpenGL的地铁车辆车轴强度应力场可视化研究基于OpenGL的地铁车辆车轴强度应力场可视化研究摘要：为了直观显示地铁车辆车轴不同标准下应力场的整体变化情况，根据车轴结构特点和等值线绘制要求，结合等值线的绘制与填充过程分离的编程思想,应用区域等值线填色算法，研究地铁车辆车轴应力分布的可视化，采用面向对象的软件工程思想编制了试验数据可视化系统。应用实例表明该系统能快速、形象、方便地处理试验数据，对于开发其他车辆零件具有启发、参考作用。关键词：计算机应用；可视化；OpenGL；云图；等值线中图分类号：G623.58文献标识码：A文章编号：引言车轴是地铁车辆转向架的关键承载部件，其强度决定着地铁列车的运行安全。地铁车辆车轴强度的计算方法一般有2种：①运用有限元方法进行车轴强度仿真计算[1]；②按照制订的规范进行车轴强度的计算，目前我国地铁列车车轴强度计算主要参考规范有：日本的JISE4501[2]、欧洲铁路联盟制订的EN13103/EN13104[3,4]。近几年，主要采用有限元法，计算结果可靠，但分析周期较长、计算成本较高，须配备先进的计算机设备和有限元软件，著名的有限元软件有ANSYS，NASTRAN，MARC等。利用有限元软件强大的后处理程序可以利用直观显示的方法对车轴进行强度评估。相比之下，采用材料力学或弹性理论确定的车轴应力分布，因其产生的大量数字信息，不能直观的反映数据之间的可比性，为了快速地分析结果，把OpenGL技术引入车轴应力场的后处理阶段，实现数据可视化，即用图形图像来表征数据，将隐藏在大量数据中的信息以相对直观，易于理解的图像方式表达出来，使研究人员能够直观、迅速地观察到计算模拟的结果[5]。由于地铁车辆车轴结构的规则与通用性，结合等值线绘制与填充过程分离的思想，以区域填充法为基础[4、5]，基本方法是把整体结构转化为每一个网格单元内等值线的抽取和填充，然后遍历所有单元，形成整体应力云图。此类方法的特点是速度较快,精度随着子域的减小而提高[6]，避免了传统等值线方法对等值线搜索并进行拓扑分析，方法简便并提高了平台速度。采用MFC和OpenGL混合编程技术实现了车轴应力可视化系统。1OpenGL简介OpenGL即开放性图形库(OpenGraphicsLibrar2y)，是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准,它源于SGI公司为其图形工作站开发的IRISGL，在跨平台移植过程中发展成为OpenGL。OpenGL作为先进而强大的三维图形编程接口(3DAPI),它具有功能完备的二维和三维图形处理能力，是理想的三维应用程序开发工具。它包含众多的功能函数，能处理各种图形基本元素及其图形特征效果，如明暗度、纹理贴图、Z缓冲、抗混淆、反走样、光照模型等，可以创作出具有照片质量的、独立于窗口系统(WindowsSystem)的操作系统(OperatingSystem)和硬件平台的三位彩色图形和动画。以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植，并且它可与VisualC++紧密接口，便于实现图形图像的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性，使用简便,效率高。OpenGL从定义几何要素到把像素段写入帧缓冲区的基本工作流程如图1所示。图1OpenGL工作流程2系统功能实现2.1车轴数据场特点由于地铁车辆车轴应力最大值常常出现在车轴表面，因此表面场值分布图是后处理中关键的表达方法。把三维标量场可视化转化为二维标量场可视化，极大地简化了数据模型，在算法上更容易实现。2.2等值线快速填充原理填充等值线的方法有两种：一种是相邻的两条等值线之间的等值区间用相同的颜色进行填充；另一种是根据参数值的变化趋势整个填充区域在两种或几种颜色之间自然过渡,即使相邻的两条等值线之间的等值区间也是如此。对于第一种方法，一些编程人员进行了有效的尝试，但是这些方法必须在等值线搜索完毕后对等值线进行拓扑分析，搜索并记录两条等值线间的连通区域，算法存在一定的难度且无法达到颜色完全渐变的效果。对于第二种方法,用传统的C/C++编程也可实现。这种基于栅格的填充算法虽然比较简单,但是填充的时间与空间效率都比较低[7]。针对地铁车辆车轴结构特点，彩色云图不需要颜色的过渡进行精确地表示，只需要相邻等值线区域颜色不同即可。因此，为了避免传统第一种等值线的搜索与拓扑分析工作带来的麻烦，采用了基于四边形四节点单元格内部彩色云图的绘制方法。2．3画出应力数据场云图的过程画应力数据场云图的步骤如下：(1)计算单元节点数据。对于应力场等问题，计算结果就是计算截面的应力，采用某一规范给出的算法，计算出节点应力，具体方法可参见有关文献。(2)建立颜色与应力的关系，并画出颜色与应力的对照关系图