3.6. Методы визуализации
в системах инженерного анализа
Как мы уже показали ранее, применение методов компью
терной графики для визуализации результатов расчетов являет
ся необходимым условием практического использования МКЭ
в современных системах инженерного анализа. Применительно
к современному состоянию развития CAE-технологий, впол
не уместно констатировать, что возможности интерпретации
результатов инженерного анализа в значительной мере зависят
от наличия в конкретной компьютерной системе эффективных
инструментов и способов представления (визуализации) резуль
татов расчетов и оптимизации. Примеры визуализации результа
тов расчетов, полученные студентами при выполнении курсовых
и дипломных проектов с помощью популярных промышленных
систем инженерного анализа в центре компьютерного проекти
рования СамГГУ, приведены в приложениях к данной книге.
В интерактивных автоматизированных системах большая
часть графических изображений не является конечным продук
том, кроме иллюстраций и чертежей, а используется на проме
жуточном этапе для анализа и принятия решений пользователем.
То есть графическая визуализация выступает как часть одного из
этапов общего процесса принятия решений по проектной задаче.
В этом случае графические картины играют роль опоры мысли
тельных действий проектировщика и должны рассматриваться,
прежде всего, с этих позиций.
С точки зрения инженерной психологии деятельность авто
матизированной системы представляется как процесс принятия
Решения человеком, включенным в состав информационной
среды, а графическое представление данных выделено в этом
процессе как частная форма представления информации, обла
дающая определенными свойствами. К этим свойствам можно
отнести такие, как информационная емкость, точность и удоб
ство для восприятия человеком. Графические изображения,
применяемые для задач инженерного анализа, должны обладать
наглядностью и в то же время не допускать неоднозначного или
искаженного восприятия информации.
125
3.6. Методы визуализации в системах инженерного анализа
Раздел 3. Инженерный анализ и компьютерное моделирование
МКЭ-пакетах пространство между изостатами закрашивается
Заметим, что одну и ту же информацию можно визуализиро
вать различными графическими способами. Причем требования
к способу изображения формируются в зависимости от функцио
нального назначения и дальнейшего использования графической
информации. Для оперативного принятия человеком решений
в интерактивных системах преимущественно требуются изо
бражения, отражающие качественную картину явлений и про
цессов. Именно для этого они и используются в САЕ-системах,
когда пользователю надо проанализировать большие массивы
расчетных данных, изначально представленные в количествен
ной, но труднообозримой цифровой форме. По нашему мнению,
разработка и комплексирование различных методов визуализа
ции в САПР, изучение влияния способов представления инфор
мации на эффективность работы персонала автоматизированной
системы до сих пор остается одной из самых интересных и мало
изученных проблем как в практическом, так и в научном плане.
Чаще всего графические картины, применяемые для инже
нерного анализа машиностроительных изделий, представляют
собой отображения на поверхности или срезе конечноэлемент-
ной модели полей параметров различной природы: полей тем
ператур, усилий, напряжений и пр. Некоторые из рассматри
ваемых параметров являются скалярными, например величины
напряжений и температур, а некоторые векторными, например
направления усилий и скоростей. Причем поля физических па
раметров, непрерывные по своей природе, при использовании
сеточных моделей становятся дискретными. В этих моделях рас
пределение параметров кусочно-непрерывное и при переходе от
элемента к элементу могут быть изломы и разрывы аппроксими
рующих функций.
В качестве примеров обсудим несколько способов визуали
зации скалярных и векторных полей параметров, применяемых
в инженерном анализе для принятия решений о характере сило
вой работы конструкций, в том числе в рассмотренной выше ме
тодике отыскания структур силовых конструкций.
Для изображения скалярных полей параметров в различ
ных предметных областях широко используются картины, по
лучаемые с помощью построения линий равного уровня (изо-
статы), или графики в виде эпюр (рис. 3.19). В современных
различными красками в соответствии с выбранной шкалой со
ответствия цветов и величин параметров (рис.3.20а). Получают
ся яркие, разноцветные картины, которые смотрятся очень зре-
лишно и, несомненно, украшают сухие технические отчеты.
Рис. 3.19. Визуализация скалярных полей параметров:
а — изостаты; б — изменение характера изображения в зависимости
от числа изостат; в — эпюры
Указанные способы достаточно хорошо отражают количе
ственное распределение параметров, так как линии равного
уровня или масштаб эпюр имеют конкретные числовые значе
ния. Однако они не совсем удобны для отображения качествен
ной картины физических явлений. Линии равного уровня про
водятся с определенным шагом, то есть получаемая картина
в свою очередь дискретна, а градиенты между различными цве
тами неоднозначно воспринимаются человеком. На этом эффек
те построено множество известных оптических иллюзий. Кроме
того, для получения изостат в кусочных моделях требуется пред
варительно производить сглаживание полей параметров. То есть
человек видит на экране монитора не истинные результаты расче
тов, а искусственно осредненное, сглаженное поле параметров.
Более точно поля параметров отражают полутоновые одно-
Цветные изображения. В этом случае градиенты характеристик
непрерывного поля изображаются интенсивностью одного цве
та. Но алгоритм также включает предварительное сглаживание.
На рис. 3.16 для анализа распределения толщин материала
после оптимизации был использован так называемый точечный
способ визуализации скалярных полей параметров. Поле параме-
в Данном способе отображается интенсивностью распреде-
ления большого числа одноцветных точек, заполняющих поле
127
