基于EnSight的數(shù)值仿真可視化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

完顏振海+梁磊+楊亮+沈志軍+羅軍

摘要： 為提高數(shù)值仿真后處理的效率，滿足分布式仿真系統(tǒng)在數(shù)值仿真數(shù)據(jù)方面的可視化需求以及實現(xiàn)仿真試驗過程的可視化，基于EnSight的二次開發(fā)開展數(shù)值仿真可視化系統(tǒng)設計.提出基于Qt開發(fā)框架的系統(tǒng)集成、基于Python的功能開發(fā)和基于Socket的通信接口開發(fā)，實現(xiàn)具有協(xié)同功能的數(shù)值仿真可視化系統(tǒng).該系統(tǒng)采用模板化技術實現(xiàn)帶場景的可視化和快速后處理功能.給出系統(tǒng)架構、組成、實現(xiàn)效果及應用案例.應用結果表明：該系統(tǒng)能夠適應多仿真類型結果分析，實現(xiàn)動態(tài)仿真過程的協(xié)同可視化.

關鍵詞： 分布式仿真系統(tǒng)； 數(shù)值仿真； 后處理； 可視化； 協(xié)同系統(tǒng)

中圖分類號： TP311.1文獻標志碼： B

Abstract： To improve the postprocessing efficiency for numerical simulation， satisfy the requirements of distributed simulation systems on numerical simulation data visualization and fulfill the numerical simulation process visualization， a system is designed on the basis of secondary development of EnSight. The system integration is implemented by Qt， the functions are developed by Python， and the communication interfaces are designed with Socket. So the visualized numerical simulation system with collaborative functions is developed. The system architecture， components， implementation results and application cases are also given. The application results show that， the system can be applied in the analysis on various types of simulation results and implement collaborative visualizations during dynamic simulation.

Key words： distributed simulation system； numerical simulation； postprocessing； visualization； collaborative system

0引言

CAE包括結構有限元分析、計算流體力學和多體動力學等，在產(chǎn)品研發(fā)和設計中的應用越來越廣泛，已經(jīng)成為一種非常重要的現(xiàn)代工程輔助設計方法.隨著計算理論以及計算機硬件和軟件的發(fā)展，利用CAE技術對復雜的工程問題進行精確模擬和分析已經(jīng)成為可能.然而，CAE計算過程的可視化和計算結果的后處理仍然是薄弱環(huán)節(jié)：一方面有些分析計算是很漫長的過程，例如流體力學分析即使利用高性能計算平臺也需要數(shù)天甚至數(shù)星期的時間，而現(xiàn)有的計算過程的可視化不完善，如果等計算全部完成再檢查分析結果，一旦發(fā)現(xiàn)分析有誤再重新計算會浪費大量的時間和計算資源；另一方面，CAE計算結果的后處理往往需要花費大量的時間，有些有限元分析后處理的時間甚至比計算時間還長，特別是對于多工況分析應用，計算結果的處理分析需要花費更多的時間[1].隨著CAE應用的深入，多物理場耦合分析開始受到越來越多的重視，耦合分析往往需要多個求解器，其分析結果難以進行統(tǒng)一的顯示和后處理.因此，開發(fā)高效適用的可視化系統(tǒng)是充分發(fā)揮CAE功效的重要途徑之一，在此基礎上構建可視化協(xié)同系統(tǒng)是實現(xiàn)分布式數(shù)值仿真的重要支撐.

CAE數(shù)值仿真的可視化，也可稱作科學計算可視化，最早由美國國家科學基金會在1986年召開的一次關于科學計算與圖形學及圖像處理的討論會上提出，是將計算機圖形學和圖像處理技術應用到科學計算領域，將科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉換為直觀的圖形或圖像在屏幕上顯示并進行交互處理的理論、方法和技術，涉及到計算機圖形學、計算機輔助設計、圖像處理、計算機視覺及人機交互技術等多個領域.[2]現(xiàn)有CAE軟件的可視化和后處理功能以軟件自帶的后處理模塊為主，各軟件后處理模塊大部分針對軟件專有的仿真數(shù)據(jù)格式，因此相關數(shù)據(jù)的可視化和后處理必須借助該仿真軟件才能使用[3]，無法滿足多專業(yè)耦合仿真應用分析結果的展現(xiàn)、分析研究和協(xié)同的需要.同時，一些軟件的后處理不具備并行計算和渲染能力，導致后處理時間過長，特別是對于一些多工況分析的后處理，需要大量的重復勞動.[46]由于各類分析軟件種類差異較大，很難適應多專業(yè)耦合仿真分析結果的可視化需求，也造成不同專業(yè)研究人員之間交流不便.

考慮到各種CAE結果的數(shù)據(jù)格式差異，可視化顯示和結果后處理較為復雜，因此要求系統(tǒng)具有良好的適應性，同時考慮到后續(xù)發(fā)展，該系統(tǒng)還要具備擴展性，能夠支持多種CAE結果的可視化工作，包括常用的Abaqus，Nastran，ANSYS，LSDYNA，F(xiàn)LUENT和CFX等常用的CAE軟件.專業(yè)科學計算可視化軟件能夠適應不同的數(shù)據(jù)格式，但是軟件自身無法實現(xiàn)自動可視化和后處理功能，也不能實現(xiàn)分布式仿真應用的協(xié)同支持，需要進行二次開發(fā).

目前，能夠支持多類型CAE結果數(shù)據(jù)可視化和后處理的專業(yè)軟件主要有AVS/Express，EnSight和Tecplot等.AVS/Express是面向?qū)ο?、基于虛擬編程范例的模塊化三維可視化開發(fā)環(huán)境，具有跨平臺的應用能力，可開發(fā)能力強，但CAE軟件接口更新較慢.Tecplot主要支持計算流體力學類軟件的后處理，對各類有限元分析的支持稍顯不足.EnSight可支持多種類型CAE軟件數(shù)據(jù)的可視化和后處理，包括常用的有限元分析軟件、計算流體力學軟件、多體動力學軟件和CAD軟件，同時該軟件也具備較好的二次開發(fā)能力，支持沉浸式虛擬現(xiàn)實設備，因此選擇在EnSight上進行開發(fā).

1EnSight簡介

EnSight是面向工程應用的科學工程可視化與后處理軟件，支持多種操作系統(tǒng)，包括Linux/Unix平臺，Windows平臺和MacOS平臺等.EnSight特點如下：（1）支持多類型數(shù)據(jù)格式.該軟件支持大多數(shù)主流CAE程序接口和數(shù)據(jù)格式，包括50多種CAE和CAD軟件，支持多個數(shù)據(jù)集，能夠支持計算流體力學、有限元分析、計算機輔助設計和多體動力學結果的聯(lián)合展示，具備多專業(yè)耦合分析結果顯示能力；（2）支持服務器/客戶端運行模式.該軟件可以隨意訪問任意地點的數(shù)據(jù)，采用的服務器/客戶端運行模式具有快速、穩(wěn)定和跨平臺的優(yōu)點；（3）二次開發(fā)能力.該軟件支持用戶界面定制，可使用開源編程語言Python對EnSight的功能進行腳本編程[7].

2系統(tǒng)架構及組成

2.1系統(tǒng)架構

在EnSight提供的應用模塊接口的基礎上，使用Python作為開發(fā)語言，采用Qt開發(fā)框架作為軟件集成開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)架構示意見圖1.

系統(tǒng)完整地集成EnSight的圖形界面，并允許用戶進行定制，以最大程度地滿足實際應用的需要.開發(fā)通信和數(shù)據(jù)接口，支持系統(tǒng)獨立運行和協(xié)同運行2種工作模式：獨立運行時可以作為單獨的可視化后處理系統(tǒng)，支持各類分析結果的回放和輸出；協(xié)同運行時可以接收來自分布式仿真平臺的顯示命令和數(shù)據(jù)，進行仿真過程中的可視化顯示以及仿真結束后的后處理.

2.2系統(tǒng)組成

根據(jù)獨立和協(xié)同工作的需求，系統(tǒng)由4部分組成，分別為系統(tǒng)界面模塊、總線通信模塊、可視化顯示模塊和后處理輸出模塊.系統(tǒng)完整集成EnSight的圖形顯示窗口，并提供統(tǒng)一的用戶界面和管理功能.總線通信模塊提供總線通信API，基于Socket通信模式能夠接收總線的命令信息和數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應的操作.系統(tǒng)根據(jù)總線命令進行初始化，包括選擇應用場景、啟動可視化顯示.來自總線的數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)模型信息、視景模型信息、應用場景信息、關鍵的監(jiān)視參數(shù)信息、數(shù)據(jù)存儲位置信息等，通過這些信息可視化系統(tǒng)可以自動讀入要顯示和處理的數(shù)據(jù)，并給出相應的顯示結果.系統(tǒng)總線通信示意見圖2.

可視化顯示模塊是系統(tǒng)的核心組成部分，其功能基于應用場景模板，用于仿真過程或結果數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，包含數(shù)據(jù)預處理功能、顯示控制功能和交互處理功能.數(shù)據(jù)預處理功能既能對仿真結果數(shù)據(jù)進行預處理，包括仿真部件的管理、變量的創(chuàng)建、動作信息等，也能對視景模型進行預處理，包括匹配仿真模型進行大小縮放、相對位置定義等.顯示控制功能基于模板提供的控制面板，實現(xiàn)對顯示效果的控制以及多視口顯示等功能，例如對于計算流體力學分析結果，可以實現(xiàn)云圖、矢量圖、等值線和等值面、流線和粒子追蹤等顯示效果的控制，可以分別顯示在不同的視窗當中.交互處理功能通過對圖形顯示界面進行交互式操作，能夠?qū)崿F(xiàn)模型及場景的縮放和旋轉等功能，以實現(xiàn)全方位的展示和分析.

后處理輸出模塊也是系統(tǒng)的核心組成部分，其功能同樣基于應用場景模板，用于仿真數(shù)據(jù)可視化結果輸出，包含結果分析、渲染輸出、生成報告3方面的功能.結果分析可以實現(xiàn)單工況分析結果參數(shù)提取、瞬態(tài)結果的時間歷程分析，也可以給出不同工況下結果的對比分析.渲染輸出將分析結果以高分辨率的圖片、動畫、視頻的形式以及虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)格式輸出.生成報告功能則根據(jù)模板實現(xiàn)分析結果的自動生成，報告的內(nèi)容包括各類分析結果及相應的圖片.

3系統(tǒng)實現(xiàn)及應用案例

3.1系統(tǒng)實現(xiàn)

為實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，分別對EnSight的Server和Client進行二次開發(fā)，其中系統(tǒng)的各功能模塊均在Client端開發(fā)，Server端配合系統(tǒng)的輸入接口模塊和總線通信模塊開發(fā)自動數(shù)據(jù)更新系統(tǒng).系統(tǒng)集成EnSight的圖形窗口，通過Driver發(fā)送命令給EnSight，調(diào)用其可視化和后處理功能.

在系統(tǒng)界面功能方面，通過動態(tài)生成Python腳本隱藏EnSight菜單欄、工具欄、列表面板等界面元素.考慮到高級用戶的需求，允許用戶對EnSight圖形顯示窗口進行定制，最大程度地滿足實際應用的需要.

在總線通信方面，可視化協(xié)同系統(tǒng)與分布式應用系統(tǒng)的主控系統(tǒng)之間采用基于以太網(wǎng)Socket鏈路發(fā)送TCP/IP消息機制收發(fā)控制信息，通過二次開發(fā)實現(xiàn)由部署在仿真端的EnSight服務器端讀取CAE仿真結果，然后通過EnSight自身的網(wǎng)絡傳輸方式實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的推送，總線配置模塊見圖3.

模板可以方便地實現(xiàn)軟件擴展和重用.[8]可視化顯示模塊通過Python實現(xiàn)定制化的應用場景模板，包括仿真數(shù)據(jù)的顯示樣式、顯示效果以及與視景仿真的結合等.對于不同的應用來說，系統(tǒng)提供應用場景模板的管理和更改，帶場景背景的可視化效果見圖4.

后處理輸出模塊采用定制的模板庫控制輸出結果的樣式和格式，樣式包括云圖、矢量圖等，格式包括圖片、視頻和立體動畫等.模板庫定義語句為

顯示接口模塊通過二次開發(fā)調(diào)用EnSight實現(xiàn)相應的功能，包括支持顯示屏、投影設備以及沉浸式虛擬現(xiàn)實設備等.

3.2應用案例

分別以計算流體力學仿真結果和結構有限元仿真結果開展應用案例分析.計算流體力學仿真采用FLUENT對圓柱體繞流的穩(wěn)態(tài)流場進行仿真分析.結構有限元仿真采用LSDYNA對小汽車碰撞防護欄過程進行顯式動力分析.

對于FLUENT仿真結果分析，數(shù)值仿真可視化系統(tǒng)處于獨立運行模式，用于對不同工況下的仿真結果進行快速處理，包括云圖、矢量圖、流線圖以及曲線圖等，后處理系統(tǒng)界面及功能模板見圖5.

對于LSDYNA仿真過程的可視化，數(shù)值仿真可視化系統(tǒng)處于協(xié)同工作模式，并由仿真主控系統(tǒng)接收來自仿真計算軟件的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)仿真過程可視化顯示，見圖6.仿真結束后，系統(tǒng)也可以對仿真結果進行后處理，例如顯示不同部件和節(jié)點單元的詳細信息，碰撞仿真結果的后處理見圖7.

4應用前景分析

基于EnSight的數(shù)值仿真可視化協(xié)同系統(tǒng)支持多種應用場景，并且在以下方面發(fā)揮巨大優(yōu)勢.

4.1顯著提高工程仿真效率

系統(tǒng)在以下3個方面大大提高工程仿真后處理的效率.首先，由于系統(tǒng)通過應用模板的方式實現(xiàn)自動化的可視化顯示和后處理輸出，模板具有無限擴展能力，因此只需通過一次定制可以實現(xiàn)重復使用，尤其在多工況分析等應用場景，可以顯著減少仿真分析時間.其次，使用系統(tǒng)的仿真過程可視化功能可以避免必須仿真結束后才能判讀結果的情況，大大增強仿真過程的可控性.最后，當前大多數(shù)復雜工程應用一般采用圖形工作站進行前后處理、高性能計算服務器求解的方式，仿真數(shù)據(jù)的后處理需要從服務器上把計算結果下載到本地，大量數(shù)據(jù)下載導致人力物力浪費，而該系統(tǒng)能夠跨操作系統(tǒng)使用，無須將高性能計算系統(tǒng)上的仿真結果下載到本地，從而可以節(jié)省大量時間.

4.2可以提供協(xié)同的仿真分析環(huán)境

目前，航空航天產(chǎn)品的協(xié)同設計正逐漸從數(shù)字樣機向虛擬樣機轉變[910]，通過可視化協(xié)同系統(tǒng)可以實現(xiàn)虛擬樣機的協(xié)同，支持不同專業(yè)的仿真工程師和設計工程師共同進行產(chǎn)品的設計與改進.特別是對于復雜環(huán)境條件下的工程產(chǎn)品分析，由于需要多物理場耦合分析，仿真過程和結果分析需要各個專業(yè)的設計師共同參與，所以此可視化協(xié)同系統(tǒng)可以作為研究媒介和手段，為不同專業(yè)開展協(xié)同仿真分析提供環(huán)境.參考文獻：

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