相場模擬的可視化技術(shù)研究.pdf

1、相場法（Phase-Field method）通過求解以Ginzburg-Landau理論為基礎(chǔ)的微分方程，獲取材料及其屬性在時間和空間上的瞬時狀態(tài)，從而探究材料在各種屬性方面的表現(xiàn)情況。分析和提取結(jié)果數(shù)據(jù)中的有用信息對于特定參數(shù)的模擬具有重要的意義。當前，相場法的模擬結(jié)果多以文本的方式記錄各種物理場的空間分布，如何有效地處理這些數(shù)據(jù)，并得到直觀、形象的處理結(jié)果成為計算材料領(lǐng)域研究的重點。然而，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)具有類型繁多、規(guī)模多樣和維度不

2、一等特性，給相場模擬的可視化帶來一定困難。本文研究將模擬數(shù)據(jù)中抽象符號信息轉(zhuǎn)換為具有一定形狀、顏色等視覺信號并展示出來。借助計算機圖形學技術(shù)，對相場模擬結(jié)果進行體繪制和幾何形狀的可視化呈現(xiàn)，并獲得材料結(jié)構(gòu)和抽象物理場在空間整體分布和局部細節(jié)上的高質(zhì)量圖像；充分利用硬件的計算優(yōu)勢和存儲功能，改善大數(shù)據(jù)集實時渲染效率低的不足。主要工作包括以下三個方面：
　　1）分析三維可視化中的關(guān)鍵技術(shù)和相場模擬三維數(shù)據(jù)場的特征，探索可視化在相場模擬

3、領(lǐng)域的應(yīng)用。分析原始數(shù)據(jù)文件格式，通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式到目標可視化文件來建立基于體素模型的結(jié)構(gòu)化點集，通過閾值方式過濾結(jié)構(gòu)化點集來獲得基于四面體單元的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型。
　　2）設(shè)計并實現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)化點集的光線投射算法，設(shè)計不同傳遞函數(shù)和圖像合成方式滿足不同可視化需求，實現(xiàn)相場模擬微結(jié)構(gòu)的三維顯示。在效率和效果上與基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的體繪制進行對比與分析。兩者均能獲得清晰的可視圖，相同數(shù)據(jù)集下，基于體素模型的渲染效率優(yōu)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，但效率都不

4、高且差異不明顯；利用硬件的計算能力和紋理資源，實現(xiàn)光線投射算法的加速，在一定程度上解決大數(shù)據(jù)集實時渲染效率低的問題。
　　3）通過插值對材料空間中每一個單元提取等值面，實現(xiàn)材料中相同物質(zhì)的輪廓抽取，顯示材料中指定成分的結(jié)構(gòu)。通過在空間中放置由該處矢量定義的圖標，以符號展示電場和極化矢量場的全貌，將矢量場視為速度場，通過流線積分算法生成電場的局部流線特征，種子點在材料邊界處的流線有助于研究材料氧缺陷運動。二階張量類型的應(yīng)力和應(yīng)變，通