基于WPF的應(yīng)力云圖算法

【摘 要】在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要對(duì)設(shè)計(jì)的物體進(jìn)行應(yīng)力分析以判斷其是否適合相應(yīng)的工況，云圖起到直觀的視覺效果，可以輔助工程師判斷物體的應(yīng)力情況。WPF是微軟新一代圖形顯示框架，自帶有三維圖形引擎能夠方便快捷的構(gòu)建三維圖像。將WPF的三維圖形技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力分析中，可以對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和特定軟件的開發(fā)產(chǎn)生重要影響。

【關(guān)鍵詞】WPF 應(yīng)力云圖 機(jī)械設(shè)計(jì) 三維圖形

WPF是微軟全新的一代圖形系統(tǒng)，運(yùn)行在.NET Framework下，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了一系列統(tǒng)一的描述和操作方法。由于WPF是基于DirectX 9/10技術(shù)，故而WPF不僅帶來了前所未有的3D界面，而且其圖形向量渲染引擎也大大改進(jìn)了傳統(tǒng)的2D界面。不僅僅是圖形方面，在程序設(shè)計(jì)方面，WPF可以幫助 程序員開發(fā)出媲美Mac程序的酷炫界面，更重要的是實(shí)現(xiàn)了真正意義上的界面與用戶邏輯的分離。 WPF提供了超豐富的.NET UI 框架，集成了矢量圖形，豐富的流動(dòng)文字支持（flow text support），3D視覺效果和強(qiáng)大無比的控件模型框架[1]。

在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，常常需要考察產(chǎn)品的力學(xué)性能。物體由于外因（受力、濕度、溫度場(chǎng)變化等）而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置恢復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。物體中各個(gè)部位的應(yīng)力分布為評(píng)價(jià)材料屈服提供了重要的依據(jù)，而應(yīng)力云圖則形象的表達(dá)了這種依據(jù)。

本文將利用WPF的強(qiáng)大的3D渲染技術(shù)，開發(fā)應(yīng)力云圖的顯示算法。首先通過整合基礎(chǔ)的圖形類，設(shè)計(jì)自定義控件，用于構(gòu)造圖形顯示。

1 WPF云圖控件

WPF允許用戶自定義控件[2]，然后在Window的xmal中使用。所定義的控件可以像.net中的原生控件一樣進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，而數(shù)據(jù)綁定這個(gè)功能可以方便的實(shí)現(xiàn)云圖數(shù)據(jù)的傳輸。

首先，為了實(shí)現(xiàn)自定義控件的數(shù)據(jù)綁定功能，需要建立依賴屬性 DependencyProperty。在建立依賴屬性時(shí)，需要注冊(cè)xmal中所識(shí)別的屬性名，以及所啟動(dòng)的函數(shù)。

在這里我們定義依賴屬性StressProperty，以及其在xmal中注冊(cè)的屬性名Stress 和綁定的處理函數(shù)PathChanged。注意，在WPF的自定義控件中，PathChanged必須是static函數(shù)，那么也就無法直接調(diào)用非靜態(tài)的數(shù)據(jù)，故而需要再定義一個(gè)成員函數(shù)，命名為PaintStress。這樣，云圖的主要算法就可以打包在這個(gè)函數(shù)中。

2 云圖算法

云圖算法[3]的關(guān)鍵是將WPF的網(wǎng)格數(shù)據(jù)重新整合，并添加附加屬性值。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，首先需要提供三維模型的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的各類圖形處理語言，網(wǎng)格數(shù)據(jù)的處理算法都極其復(fù)雜，而WPF提供了方便的處理接口，僅需用戶定義簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)就能獲取三維圖形網(wǎng)格。在WPF的圖形庫中，GeometryModel3D類，存儲(chǔ)了所定義的三維圖形幾何數(shù)據(jù)，也就是關(guān)鍵的網(wǎng)格信息。應(yīng)力云圖效果如下圖所示。

3應(yīng)力云圖效果

算法實(shí)現(xiàn)：第一步，獲取3D幾何網(wǎng)格；第二步，獲取空間點(diǎn)；第三步，獲取三角形索引；第四步，重新設(shè)置網(wǎng)格，用于云圖的顯示；第五步，為節(jié)點(diǎn)設(shè)置附加屬性值，此處設(shè)置應(yīng)力值；第六步，重新設(shè)置三角單元；第七步，重構(gòu)3D模型。

本文結(jié)合微軟最新的顯示技術(shù)，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的強(qiáng)度校核環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力結(jié)果的直觀顯示?；赪PF的三維圖形引擎，開發(fā)了針對(duì)應(yīng)力云圖的三維顯示算法。該算法具有可移植性強(qiáng)，便于進(jìn)行二次開發(fā)的特點(diǎn)。對(duì)于后續(xù)的開發(fā)工作，起到很好的輔助作用。由于利用了WPF的自定義控件技術(shù)，算法嵌入到自定義控件中，用戶僅需在xmal中調(diào)用并綁定相應(yīng)數(shù)據(jù)便可以方便使用，可以用于開發(fā)力學(xué)分析方面的軟件，增強(qiáng)其三維顯示功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李成剛，馮靜，凌玲.基于WPF的交互式繪圖系統(tǒng)的開發(fā).微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（6）：50-52.

[2]李默涵.基于.NET框架、WPF技術(shù)隨機(jī)選房系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2014.

[3]王毅，孫佳俊，韓永，項(xiàng)杰. 基于衛(wèi)星云圖的臺(tái)風(fēng)云系特征提取算法研究[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，03：287-293.