一种跨平台连续数值模拟方法

1.本发明涉及数值模拟仿真技术领域，尤其涉及一种跨平台连续数值模拟方法。


背景技术：

2.数值模拟仿真是设计、机理研究和优化中普遍采用的方法。各数值模拟平台都有独立的离散模型和模拟结果数据格式，具有独特的模拟模块，同时也具有一定的功能局限性。因此模拟仿真中经常需要多个模拟平台的集成，进行跨平台模拟，以便发挥不同模拟仿真平台的优势和独特功能。
3.现有技术中，不同平台之间的离散模型和中间模拟结果经常不兼容，难以转换。而且很多的仿真软件的数值模拟结果数据格式不公开，无接口，模型和计算结果数据不能读取。该种情况下不能得到模拟数据的源数据，不能进行跨平台继续模拟仿真。
4.发明目的
5.本发明的目的即在于应对现有技术中所存在的不足，提供一种跨平台连续模拟方法，以便实现基于截面动画表达的模拟结果的平台可移植性，实现从源平台模拟结果的动画文件逆向转换到目标平台可读的模拟结果数据文件，从而在目标平台上继续进行数值模拟或者进行结果的深入分析。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种跨平台连续模拟方法，包括以下步骤：
7.步骤1、基于源仿真平台的模拟结果云图动画生成，具体为：对于不公开模拟结果及数据结果的源数值模拟仿真平台，将所述源数值模拟仿真平台的某一个时刻某一物理量的模拟结果在其后处理模块中沿x或y或z轴方向进行剖切，将剖切截面结果云图的变化保存为动画文件；
8.步骤2、动画中各截面图片的提取，即读取步骤1中所述动画文件，并提取数值模拟结果系列截面云图；采用有限元格式记录图片信息，将每一个像素对应为一个六面体单元，即将每一个像素的四个节点以及相邻切片图像的对应像素的四个节点共同组成一个六面体单元，其八个节点(i，j，k)、(i+1，j，k)、(i+1，j+1，k)、(i，j+1，k)、(i，j，k+1)、(i+1，j，k+1)、(i+1，j+1，k+1)、(i，j+1，k+1)构成了六面体的8个顶点，其中i、j、k分别指对应于三维坐标体系下x、y、z轴上的坐标值；所述六面体单元的模拟结果值用像素的颜色值对应得到；
9.步骤3、对所提取的图片进行预处理，具体为，如图片质量不佳或有的地方有文字或其它遮挡时，则去除图片中的干扰，对图片进行修复；针对图片压缩处理导致图片模糊化和产生噪声等进行去噪等预处理情况，对每个像素与相邻像素进行颜色值的判断，识别出孤立像素或半岛突出像素，修改其颜色值为背景颜色，以此消除图像中的毛刺。
10.步骤4、提取图片的三维模型并进行数据重构。
11.优选地，步骤1中选择垂直于圆弧面的坐标轴方向进行剖切，剖切步长δ是工件最薄部位的1/10-1/3；所述动画的动画帧数n＝l/δ，其中l为沿剖切方向的工件最大长度，动
画中图像的分辨率为平行于剖切断面方向的工件最大长度l的l/δ；选择固定色标，色标的最大值对应于模拟结果的最大值，色标的最小值对应于模拟结果的最小值；色标选择连续彩色色标，且与背景颜色区分明显的颜色，色标区域的长度方向充满整个图像的70％以上，所述剖切的显示断面平行于显示窗口。
12.可选地，步骤2中将一个六面体拆分为5个四面体表示，所拆分的5个四面体的模拟结果值为对应像素的模拟结果值。
13.优选地，步骤4进一步包括以下子步骤：
14.步骤s41、读取所提取图片中色标条colormap，建立颜色值和数值模拟结果值的对应关系如式(1)所示：
15.c[i
±
b][j
±
b][k
±
b]＝tc[m]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
[0016]
其中，c为数值模拟结果查询数组，c[i][j][k]为ijk像素等级所对应的数值模拟结果，tc[m]为模拟结果值，i、j、k的变化范围为0-255,m为颜色等级数，b为常数，取值范围为0-10，用于允许颜色范围有小幅波动，以避免出现有的颜色无法找到匹配颜色的情况；
[0017]
步骤s42、读取系列切片图片，根据像素颜色值和数值模拟结果值的对应关系，将每个图片的每个像素的rgb颜色通道值转换为当前像素的数值模拟结果值，如式(2)所示：
[0018]
t[i][j][k]＝c[i][j][k]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)，
[0019]
其中，i、j、k分别为像素宽度、高度编号和切片序号所对应的像素；
[0020]
步骤s43、如果色标条颜色和工件模拟结果不完全匹配，每个色标条的颜色值的三个通道的颜色值存在波动时，首先建立像素与结果值的对应关系如式(3)所示：
[0021]
m[i][j]＝tc[m]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0022]
式中rm、gm、bm分别为m等级色标的rgb通道的颜色值，a为常数，取值0.1-0.3，c为常数值，取值1-10；
[0023]
接着，采用rgb三个通道值的比值进行数值模拟结果和颜色值的匹配，则某一像素对应的模拟结果值如式(4)所示：
[0024]
t[i][j][k]＝m[p][q]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)，
[0025]
式中，i、j、k分别为像素宽度、高度编号和切片序号所对应的像素；
[0026][0027]
优选地，步骤4中进行数据重构后所输出数据文件的记录格式采用有限差分格式或有限元格式；当采用有限差分格式时，一个像素对应一个网格，网格编号为i、j、k分别为像素在宽度、高度和切片编号；网格的数值模拟结果值为像素颜色转换得到的模拟结果值。
附图说明
[0028]
图1是采用有限元格式记录时将一个像素对应一个六面体单元的示意图。
[0029]
图2是本发明实施例中跨平台转换算例的效果示意图。
具体实施方式
[0030]
下面参照附图来详细说明本发明所述的跨平台连续数值模拟方法，需要申明的
是，这里的说明及具体实施例只用于示例性地阐述本发明的思想和原理，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，仅展示了部分功能，而不是全部功能，它们不应被视为对本发明保护范围的限定，任何不脱离本发明灵魂和主旨的修改及替代都落入本发明的范围。
[0031]
本发明所述的一种跨平台连续模拟方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1、基于源仿真平台的模拟结果云图动画生成，具体为：对于不公开模拟结果及数据结果的源数值模拟仿真平台，将所述源数值模拟仿真平台的某一个时刻某一物理量的模拟结果在其后处理模块中沿x或y或z轴方向进行剖切，将剖切截面结果云图的变化保存为动画文件；选择垂直于圆弧面的坐标轴方向进行剖切，剖切步长δ是工件最薄部位的1/10-1/3；所述动画的动画帧数n＝l/δ，其中l为沿剖切方向的工件最大长度，动画中图像的分辨率为平行于剖切断面方向的工件最大长度l的l/δ；选择固定色标，色标的最大值对应于模拟结果的最大值，色标的最小值对应于模拟结果的最小值；色标选择连续彩色色标，且与背景颜色区分明显的颜色，色标区域的长度方向充满整个图像的70％以上，所述剖切的显示断面平行于显示窗口。
[0033]
步骤2、动画中各截面图片的提取，即读取步骤1中所述动画文件，并提取数值模拟结果系列截面云图；采用有限元格式记录图片信息，将每一个像素对应为一个六面体单元，如图1所示。即将每一个像素的四个节点以及相邻切片图像的对应像素的四个节点共同组成一个六面体单元，其八个节点(i,j,k)、(i+1,j,k)、(i+1,j+1,k)、(i,j+1,k)、(i，j，k+1)、(i+1,j,k+1)、(i+1,j+1,k+1)、(i,j+1,k+1)构成了六面体的8个顶点，其中i、j、k分别指对应于三维坐标体系下x、y、z轴上的坐标值；所述六面体单元的模拟结果值用像素的颜色值对应得到；
[0034]
步骤3、对所提取的图片进行预处理，具体为，如图片质量不佳或有的地方有文字或其它遮挡时，则去除图片中的干扰，对图片进行修复；针对图片压缩处理导致图片模糊化和产生噪声等进行去噪等预处理情况，对每个像素与相邻像素进行颜色值的判断，识别出孤立像素或半岛突出像素，修改其颜色值为背景颜色，以此消除图像中的毛刺。
[0035]
步骤4、提取图片的三维模型并进行数据重构，具体包括以下子步骤：
[0036]
子步骤s41、读取所提取图片中色标条colormap，建立颜色值和数值模拟结果值的对应关系如式(1)所示：
[0037]
c[i
±
b][j
±
b][k
±
b]＝tc[m]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
[0038]
其中，c为数值模拟结果查询数组，c[i][j][k]为ijk像素等级所对应的数值模拟结果，tc[m]为模拟结果值，i、j、k的变化范围为0-255,m为颜色等级数，b为常数，取值范围为0-10，用于允许颜色范围有小幅波动，以避免出现有的颜色无法找到匹配颜色的情况；
[0039]
子步骤s42、读取系列切片图片，根据像素颜色值和数值模拟结果值的对应关系，将每个图片的每个像素的rgb颜色通道值转换为当前像素的数值模拟结果值，如式(2)所示：
[0040]
t[i][j][k]＝c[i][j][k]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)，其中，i、j、k分别为像素宽度、高度编号和切片序号所对应的像素；
[0041]
子步骤s43、如果色标条颜色和工件模拟结果不完全匹配，每个色标条的颜色值的三个通道的颜色值存在波动时，首先建立像素与结果值的对应关系如式(3)所示：
[0042]
m[i][j]＝tc[m]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0043]
式中rm、gm、bm分别为m等级色标的rgb颜色值，a为常数，取值0.1-0.3，c为常数值，取值1-10；
[0044]
接着，采用rgb三个通道值的比值进行数值模拟结果和颜色值的匹配，则某一像素对应的模拟结果值如式(4)所示：
[0045]
t[i][j][k]＝m[p][q]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)，式中，i、j、k分别为像素宽度、高度编号和切片序号所对应的像素；
[0046][0047]
进行数据重构后所输出数据文件的记录格式采用有限差分格式或有限元格式；当采用有限差分格式时，一个像素对应一个网格，网格编号为i、j、k分别为像素在宽度、高度和切片编号；网格的数值模拟结果值为像素颜色转换得到的模拟结果值。
[0048]
以下用一个实施例进一步描述本发明所述方法。
[0049]
实施例
[0050]
实验选取轮毂铸件采用铸造之星ft-star数值模拟软件得到的结果，沿z轴正向剖切铸件凝固过程中某时刻的温度场，输出为动画，剖切步长为工件实际高度尺寸的1/100。
[0051]
读取动画，将该文件读取转化成系列图像，并对系列图片进行色彩修复处理，去掉孤岛点和凸出点。对比图如下：
[0052]
读取图片中色标条(colormap)，建立颜色值和数值模拟结果值的对应关系c[i
±
b][j
±
b][k
±
b]＝tc[m]，ij k变化范围为0-255,m为颜色等级数，b为常数，取值10。
[0053]
读取系列切片图片，根据像素颜色值和数值模拟结果值的对应关系，将每个图片的每个像素的rgb颜色通道值转换为当前像素的数值模拟结果值，t[i][j][k]＝c[i][j][k]，i,j,k分别为像素宽度、高度编号和切片序号对应的像素。
[0054]
输出数据文件的记录格式采用有限差分格式。采用有限差分格式时，一个像素对应一个网格，网格编号为i,j,k分别为像素在宽度、高度和切片编号。网格的数值模拟结果值为像素颜色转换得到的模拟结果值。
[0055]
其中文件1作为目标数值模拟仿真平台的离散模型文件，文件2作为另一模拟仿真平台继续计算的初始条件。
[0056]
图2是本实施例中进行转换后的的效果示意图，其中图2(a)是所提取的动画切片图像；图2(b)是(b)所提取的动画切片图像修复后的效果；图2(c)是输出的有限差分数据结果显示。
[0057]
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0058]
在源数值模拟平台上的模拟结果的动画文件可转化为目标数值模拟平台格式的离散模型和初始条件输入，实现了跨平台的数值模拟，能够发挥各平台的优势和特殊功能，有利于实现多数值模拟平台的集成。