机电工程可视化.ppt

机电工程可视化,主要内容：,MATLAB操作基础矩阵及其运算程序设计符号运算绘图数据分析与处理(多项式、方程求解、数值微积分)文件操作图形句柄、图形用户界面设计,学习方式：,课堂讲授,上机实习（占总学时约1/3）,教材：,MatLab R2007基础与提高常巍等 电子工业出版社,MatLab 6实践与提高周金萍等 中国电力出版社,MatLab Programming for Engineers影印版Stephen J.Chapman著 科学出版社,参考书目：,前言 数据可视化研究综述,概念：数据可视化（Data Visualization）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术,将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。,计算机图形学图像处理计算机辅助设计计算机视觉人机交互技术,涉及领域：,1986年，美国科学基金会(NSF)专门召开了一次研讨会，会上提出了科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing-VISC)，第二年美国McCormick等向美国国家科学基金会提交了“科学计算可视化研究报告”以后，美国国家科学基金会正式把科学计算可视化列为重点资助项目。,提出背景：,以可视化的方法帮助设计人员、工程师等理解或掌握模型或公式，并直观的反应数据之间的关系。寻找有效的方法绘制基于数据集和工程算法的曲线和图形是可视化的核心工作。,目的：,交互性：以交互的方式管理和开发数据。多维性：可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。可视性：数据可以用图象、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。数据可视化的主要技术按其功能可分为事后处理、跟踪、驾驭三个方面。,主要特点：,事后处理把计算与可视化过程分成两个阶段进行，两者之间不能进行交互处理。跟踪是针对实时显示的计算结果，判断计算过程正确与否以确定是否继续进行。驾驭过程使科学家能对计算过程加以实时控制，修改或增减某些变量和参数，以保证计算过程的正确进行。,主要特点：,标量、矢量和张量场的显示数据场和流场的动态显示模拟和计算过程的交互控制和引导高带宽的图形网络和协议大容量数据集合的处理用于图形和图像处理的向量和并行算法用于图形和图像处理的特殊硬件结构虚拟现实技术在科学计算可视化中的应用,涉及的主要技术问题：,三维空间数据场的可视化,核心问题：,将离散数据转换为图形信息的理论与方法；应用系统的构成,科学计算可视化的研究内容：,传统的可视化技术剖面显示技术体绘制技术,几种三维数据场可视化算法：,Direct 3D OpenGL实现硬件功能的控制。,规则数据场可视化的接口：,后处理型的的paE，Wavefront，PV _Wave，GAS和RIP跟踪型的如Stellar Copute公司研制的AVS，驾驭型的如JZ等SGI公司开发的商品化软件IRIS Explorer可视化有限元软件ADINA，ANSYS，NASTRAN等运行在工作站上，微机版的不多见；系统价格昂贵，扩充及二次开发相当困难。,可视化软件的开发：,华中理工大学CAD中心开发的有限元可视化系统FEVS(Finite Element Visualization System)西北工业大学CAD/CAM研究中心开发的VIFEMRE(Visualization of Finite Element Method Results)浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发的GIVE(General Interactive Visualization Environment)等这些软件通用性及交互能力不强，而且大都是基于传统可视技术开发成功的。,可视化软件的开发：,数据可视化的应用十分广泛,几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业等各种领域。,三维数据可视化的应用：,医学 与近代非侵入诊断技术如CT、MRI和正电子放射断层扫描（PET）结合，根据得到的病人有关部位的一组二维断层图象，生成三维实体。,成功应用的领域：,美国ADAC实验室给出的多种模态的融合图象,油气勘探 通过天然地震波或人工爆炸产生声波在地质构造中的传播，来重构大范围内的地质构造，探明油藏气藏位置及其分布，估计蕴藏量及其勘探价值。数据量极其庞大，且分布不均匀。利用可视化技术可以从大量的数据中构造出感兴趣的等值面、等值线，并显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其 相互关系。,PGS Tigress有限公司软件显示的油藏三维图,气象预报 准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。科学计算可视化可将大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等，使预报人员能对未来的天气作出准确的分析和预测。,美国国家海洋和大气局预报的北克拉罗多的天气数据的三维图象,工程应用（CAE）有限元分析（FEA）是50年代提出的适用于计算机处理的一种结构分析的数值计算方法。有限元分析在飞机设计、水坝建造、机械产品设计、建筑结构应力分析等领域都得到了广泛应用。有限元分析将研究对象划分为若干个子单元，并在此基础上求出偏微分方程的近似解。,美国航空航天局阿姆斯研究中心的虚拟风洞,分析的目的在于在整个结构的最大应力不超过许可应力的条件下，如何选择壳体与上下座环的焊接位置以及座环环板和壳体材料的厚度，使整个结构的重量最轻。,二滩电站水轮机组地下结构:,连接车钩受力分析,近年来，国际上提出了信息可视化问题。一般说来，科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。信息源越来越庞大，仅仅对海量数据进行存储、传输、检索及分类等处理已不能满足要求。需要了解数据之间的相互关系及发展趋势。,关于信息可视化技术：,数据库系统：可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但无法发现数据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。人工智能（研究热点是机器学习）：机器学习是用计算机模拟人类学习的一门科学，比较成熟的算法有神经网络、遗传算法等。,信息可视化技术的发展：,KDD：Knowledge Discovery in Databases 数据库中的知识发现 用数据库管理系统来存储数据，用机器学习的方法来分析和挖掘大量数据背后的知识。交叉性学科，涉及到机器学习、模式识别、统计学、智能数据库、知识获取、数据可视化、高性能计算、专家系统等多个领域。KDD可以用在信息管理、过程控制、查询优化、科学研究、决策支持和数据自身维护等许多方面。,KDD：,数据挖掘（Data Mining）：它是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中,提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。,KDD的核心技术：,可以产生海量数据并且希望寻找数据联系的领域。在商务、金融和通信等领域，有着十分广阔的应用前景。,信息可视化技术的应用：,具有为用户提供交互式的研究数据和揭示那些用其它方法很难揭示的趋势、循环和模式的能力，结果直观、可靠。,可视化技术能成功应用的关键：,科学计算可视化的一个分支。目的：以可视化的方法帮助设计人员、工程师等理解或掌握机械工程的模型或公式。核心工作：寻找有效的方法绘制基于数据集和工程算法的曲线和图形。,机械（机电）工程可视化技术：,工程问题,一般工作步骤：,数学模型,微分方程条件,数字解（大部分无精确解）,数据集（DataSets）,曲线和图形（Curve/Graphs）,可视化（Visualization）,一般使用方法：,有限元方法,图形、图像技术,VR技术,不同类型问题（机械、土木、流体、力学、医学等）,复杂形状（任意）,常用的软件：,3DSMaxMatLabOpenGL三维CAD-CAE解决方案(Pro/E,UG,CATIA等等)专用软件MultigenParadigm inc系列软件GIS等,实例：,连杆机构运动分析与仿真模具工作原理货物装载方式建模与仿真车辆转向系统建模与仿真有限元计算后处理,