Use of computer animation for displaying the mode shapes of a three-dimensional framework
Abstract:
This paper presents a method to integrate the free vibration theory and the computer graphical technique for displaying the mode shapes of a three-dimensional framework, so that one may see the real-time animation of the structural mode shapes on the computer screen. Because the graphical parameters, such as view angle, position of the projection plane, ..., etc., cannot be changed arbitrarily (at any time) in the existing post-processing procedures when the animation of the structural mode shapes is in progressing, it is difficult for one to observe the detail of the three-dimensional mode shapes from the computer screen. To solve this problem, some computer subroutines and a graphical user interface are developed for providing an interactive way between the users and the computer. Using the last technique, one may see the real-time animation of structural mode shapes with arbitrary graphical parameters at any time. Furthermore, because the vibration amplitudes and frequencies for the mode shapes are adjustable (enlarged or reduced) in the developed computer programs, one may also see the detail of any part of any mode shape of the structure from the computer screen no matter whether the vibration amplitudes and frequencies are very small or very large.
Published in: 2013 5th International Conference on Computer Science and Information Technology
Date of Conference: 27-28 March 2013
Date Added to IEEE Xplore: 05 September 2013
Electronic ISBN: 978-1-4673-5825-5
INSPEC Accession Number: 13736208
DOI: 10.1109/CSIT.2013.6588774
Publisher: IEEE
Conference Location: Amman, Jordan
SECTION I.
INTRODUCTION
Post-processing plays an important role in displaying the finite element analysis results. When the complexity of the finite element model increases, a well-designed postprocessing procedure will greatly reduce the time required for the data analysis and increase the reliability of the analysis results. Therefore, the efficiency of a computer graphics technique for displaying the finite element (numerical) results is very important. Several researchers have studied the relating problems so far, for example, Xiao and Ziebarth [1] presented a FEM-based approach, instead of the commonly used interpolation-based approach, for visualizing the behaviour of scattered data throughout the range of interest of the finite element model. In that research, the governing equations of the scattered data were incorporated into the modelling process to ensure the modelled scattered data to be physically meaningful. Shen and Yang [2] studied the application of the finite element method in the simulation of the fracture propagation inside an object. In that paper, the finite element analysis result is stored as a rendering script for the input of RayShade (ftp://graphic.stanford.edu/pub/rayshade/) and then the RayShade is used to generate a series of RLE image files. Finally, the last RLE image files are converted into an animation file that can be played using the MPEG player. Petersen et al. [3] presented an interface program for converting the finite element results into the ASC format files which can be read by computer animation package 3D Studio [4] to produce the animation of the finite element models in the metal forming processes.
From the above review of the existing literature, it can be found that most of the researchers convert the finite element analysis results into ASCII file format and then use the computer animation package to read the ASCII file and to animate the finite element models. Because the animation file must be generated before the animation of the finite element analysis results can be displayed, one must determine, in advance, the graphical parameters (e.g., view angle, position of projection plane, etc.) used for displaying the animation of the structural mode shapes. In the existing post-processing procedures, it is difficult to change the graphical parameters when the animation is in progressing and so is to regulate (enlarge or reduce) the finite element analysis results (such as vibration amplitude, vibration frequency, etc.) in the computer animation package. Therefore, it is very difficult to observe the vibration behaviour of the local structures when the vibrating amplitude/frequency is too small or large. Furthermore, the storage spaces required for the animation files for the existing technique are usually much larger than those required for the finite element analysis results. To improve the foregoing drawbacks, a method of integrating the free vibration theory and computer animation technique is presented in this paper, in which some computer subroutines and a graphical user interface, instead of the commercial computer animation package, are developed for calculating the numerical data and displaying the animation of the structural mode shapes on the computer screen. Because the numerical data required for the animation of the structural mode shapes are directly calculated from the finite element analysis results using the computer subroutines presented in section 7, generation of animation files is not required for the presented method. In addition, the graphical parameters for observing and displaying the animation of the structural mode shapes can also be changed at any time. The computer program presented in this paper is developed using Microsoft Visual Basic [5].
SECTION II.
NATURAL FREQUENCIE
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
使用计算机动画显示三维框架的模式形状
本文提出了一种将自由振动理论与计算机图形技术相结合的三维框架模式形状显示方法，使人们可以在计算机屏幕上实时看到结构模式形状的动画。因为在现有的后处理程序中，当结构模式形状的动画进行时，图形参数，如视图角度、投影平面的位置等，不能任意改变，从计算机屏幕上观察三维模式形状的细节是很困难的。为了解决这个问题，开发了一些计算机子程序和图形用户界面，以提供用户和计算机之间的交互方式。最后使用一种技术，可以随时看到带有任意图形参数的结构模式形状的实时动画。此外，由于模式形状的振动振幅和频率在已开发的计算机程序中是可调节的，人们还可以从电脑屏幕上看到任何部分结构的任何模式形状的细节，无论振动振幅和频率是非常小还是非常大。
发表于：2013年第五届国际计算机科学和信息技术会议
会议日期：2013年3月27日至28日
增加日期：2013年9月5日
电子：978-1-4673-5825-5
加入国编号：13736208
doi:10.1109/csid.2013.658874
出版商：
会议地点：约旦，安曼
第一节。
导言
后处理在有限元分析结果的显示中起着重要作用。因此，计算机图形技术在显示有限元结果方面的效率是非常重要的。到目前为止，已有几位研究人员对相关问题进行了研究，例如，肖女士和Ziebarth的方法，而不是常用的基于插值的方法，在有限元模型的兴趣范围内可视化分散数据的行为。在该研究中，将分散数据的控制方程纳入建模过程，以确保模型的分散数据具有实际意义。研究了有限元法在物体内部断裂扩展模拟中的应用。本文将有限元分析结果作为输入ftp://graphic.stanford.edu/pub/rayshade/的渲染脚本进行存储，然后将其用于生成一系列的rle图像文件。最后，最后的rle图像文件被转换成可以使用mpeg播放器播放的动画文件。petersen等人[3]提出了一个将有限元素结果转换为asc格式文件的接口程序，该程序可以通过计算机动画软件包3d工作室来生成金属形成过程中的有限元素模型的动画。
和Ziebarth提出了一个从以上对现有文献的综述中可以发现，大多数研究者将有限元分析结果转换为ascii文件格式，然后用计算机动画包读取ascii文件，并对有限元模型进行动画处理。因为必须在动画显示有限元分析结果之前生成动画文件，所以必须事先确定图形参数，用于显示结构模式形状的动画。在现有的后处理程序中，在动画进行时很难改变图形参数，因此也很难调节有限元分析结果中的电脑动画包。因此，当振动幅度/频率过小或过大时，很难观察到局部结构的振动行为。此外，现有技术的动画文件所需的存储空间通常比有限元分析结果所需的存储空间要大得多。为了改善上述缺点，本文提出了一种将自由振动理论与计算机动画技术相结合的方法，其中一些计算机子程序和图形用户界面代替了商用计算机动画软件包，为计算数字数据和在计算机屏幕上显示结构模式形状的动画而开发。由于结构模式形状动画所需的数值数据是利用第7节中提出的计算机子程序直接从有限元分析结果中计算出来的，因此该方法不需要生成动画文件。此外，观察和显示结构模式形状动画的图形参数也可以随时改变。本文提出的计算机程序是利用微软可视化基础开发的。
第六节
时变模式形状的计算机动画
如果计算计算机动画瞬时结构模式形状所用的时间间隔为delta;t，则从T=0开始的瞬时时间定义为
T=qdelta;t,Q=0,1,2,3,lt;UNKgt;(10)
查看源替代eq。（10）成eq。(8)给予
X(J)K(T)=X(J)K(0) lambda;lt;UNKgt;{lt;UNKgt;6(kminus;1) 1}(J)sinlambda;omega;jqdelta;ty(J)K(T)=Y(J)K(0) lambda;lt;UNKgt;.{lt;UNKgt;6(kminus;1) 2}(J)sinlambda;omega;jqdelta;tz(J)K(T)=Z(J)K(0) lambda;lt;UNKgt;{lt;UNKgt;6(kminus;1) 3}(J)sinlambda;omega;jqdelta;tk=1至N,Q=0,1,2,3,lt;UNKgt;(11)
视图源
现在，可以通过在计算机屏幕上连续显示一系列瞬时结构模式形状来获得jth模式的结构模式形状的计算机动画。
第七节。
模式形状动画的计算机程序
在可以在电脑萤幕上显示结构模式形状的动画之前，必须确定每个节点的XYZ坐标、自然频率omega;j和结构的模式形状{lt;UNKgt;}(J)。本文首先利用有限元包[8]建立了该结构的有限元模型。然后，使用lanczos算法[7]计算自然频率omega;j和模式形状{lt;UNKgt;}(J)。然后，每个节点的XYZ坐标和每个梁元素的两个节点的数目，自然频率omega;j和模式形状{lt;UNKgt;}(J)存储为ascii数据文件，用于本节中介绍的计算机程序的输入。最后，利用第2-6节中的理论计算并在计算机屏幕上显示瞬时结构模式形状。这里介绍的计算机程序是使用微软视觉基础开发的，为了方便，被称为shpview。
a.高分辨率视图的全球变量
表1列出了shpview的全局变量及其外延。
表1的全局变量。
全局变量的表示
有限元素模型的节点总数，N。
fe模型的总自由度，6n。
fe模型的元素总数
存储在数据文件（lowast;）中的总模式形状_使用的模式形状总数。shp），M.
mode_now在计算机屏幕上显示的瞬时模式形状的模式号，MN。
频率()存储fe模型的自然频率的数组，omega;j(J=1至mt)。
形状()一个数组来存储fe模型的模式形状，{lt;UNKgt;}(J)(J=1到mt)。
node_x()一个数组，用来存储每个节点的初始X坐标，X(J)K(0)(k=1到N)。
node_y()一个数组，用来存储每个节点的初始Y坐标，Y(J)K(0)(k=1到N)。
node_z()一个数组，用来存储每个节点的初始Z坐标，Z(J)K(0)(k=1至N)。
结构_振时间瞬时时间，T=qdelta;t(Q=0,1,2,hellip;)。
振幅_规则ng_factor a变量lambda;lt;UNKgt;，用于调节计算机屏幕上显示的jth模式形状的振动振幅。
元素()作为波束元素的数组，用于为所有波束元素中的每个元素存储两个节点的数量。
类型波束元节点_1为整数节点_2为所有波束元素中的每个节点的整数端类型数。
eyetheta视图角度，theta;和Aring;，如图所示。
点a和点e之间的眼距。
图1：调整系数：调整投影平面大小的变量。
平面1_x_移动一个变量，用于调整投影平面中的平面水平位置，如图所示。
平面运动：用于调整投影平面中平面垂直位置的变量，如图所示。
b.用于输入shpview的数据文件
有三个数据文件用于输入shpview：(a)，。Dat'文件存储全部节点（N），全部节点（6n），全部元素（ne），全部形状（mt），xyz协调每个节点和每个梁元素的两个节点的数量；(b)'*。shp'文件存储模式形状，{lt;UNKgt;}(J)(J=1至mt)。为方便起见，如图2所示，夹紧梁的数据文件格式列于本文末尾的附录。
图2夹紧梁的尺寸和有限元模型。圆中的数字表示节点的数目。
查看全部
动ng_频率a变量lambda;omega;omega;j，用于调整计算机屏幕上显示的jth模式形状的振动频率。
c.读取数据文件的子程序
用来读取数据文件的子程序，'*.达特','*.frq'和'*.shp'，分别见图3、图4和图5。
d.用于确定jth模式形状动画的图形参数的子程序
从第5节可以看出，结构模式形状动画的图形参数包括r、theta;、Aring;（见图1）和行星的位置和大小。如果r是常数，theta;和Aring;可以使用左/右键和上/下键改变，而行星的位置和大小可以使用鼠标改变，那么为此目的的子程序被开发出来并在图6中显示，7和8.
e.显示瞬时JT模式形状的子程序
因为每个梁元素用一条直线表示，两端各有两个小圆，通过连接相关梁元素的节点（小圆）得到整个结构的模式形状。在计算机屏幕上显示瞬时jth结构模式形状的子程序如图9所示。
f.显示结构jth模式形状动画的子程序
要获得jth模式形状的动画，需要在计算机屏幕上每次间隔delta;t显示瞬时jthmode形状。为了达到这个目的，电脑程序安装了计时器。为此目的的子程序如图10所示。
计算机程序，shpview，是由所有上述的子程序和图形库从参考[5]组成的。图11显示了风景的流程图。
a.夹紧的横梁
图2显示一个夹紧的梁，长度为l=2m，横截面ac=0.01Mtimes;0.25M，由9个节点和8个梁单元组成。该梁由密度rho;=7820kg/m3和弹性模量e=206.8gn/m2的钢制成。首先利用有限元包i-deas建立了夹紧梁的有限元模型。然后对光束进行自由振动分析，并对前十个自然频率omega;j(J=1至10)和模形状{lt;UNKgt;}(J)(J=1至10)，分别存储为“bam.frq”和“bam.shp”文件（见附录）。关于全部节点，全部节点，全部元素，全部形状的信息，每个节点的XYZ坐标和每个波束元素的两个节点的编号存储为“beam.dat”文件（见附录）。一旦所有的数据可以使用shpview输入的文件，您可以运行shpview以在计算机屏幕上显示jth（J=1到mt）模式形状的动画。对于第一模式形状的夹紧梁，图12显示光束在起始时间（T=0）处于静态平衡位置（图12(a)），然后在垂直（Y）方向（图12(a)→(b)→(c)→(d)→(E)→(f)→(g)→(H)→(a)→(b)→hellip;)。
b.三维起重机结构
图13显示了三维起重机结构的结构及其主要尺寸。关于与起重机结构有关的其他数值数据和与有限元模型有关的细节，可参考[9]。
在电脑屏幕上显示起重机结构的jt模式形状动画的程序与最后一个小节中显示的程序相同。图14显示起重机结构的第1模形状和相关自然频率，omega;1=9.1350hz。可见起重机结构在水平（Z）方向上振动。为了节省空间，图15中收集了与自然频率相关联的第2到第10模形状omega;j（J=2到10）。如图16所示，由于起重机结构的第四模形状的振动幅度太小，所以在电脑屏幕上显示之前，它被放大了。此外，还可以发现，图16的图形参数(见第5节)与图14的图形参数不同。图17显示了起重机结构的第四模形状的一部分，它是利用第7.4节中的子程序得到的。从图17可以清楚地看到每个节点的振动轨迹。
第九节。
结论
在现有的后期处理程序中，显示结构模式形状动画的图形参数不能在动画进行时任意更改，因此，人们很难从计算机屏幕上观察三维结构模式形状的细节。然而，这一缺点在本文开发的计算机程序中得到了改进。因此，结构模形状的振动振幅和频率是可调的，任何模式形状的任何部分也可以清晰地显示在电脑屏幕上，无论振动振幅和频率是非常小还是非常大。
由于计算机程序可以直接根据有限元分析结果生成结构模式形状的实时动画，因此不生成动画文件，也不需要计算机动画包。shpview的最后一个功能不仅节省了存储动画文件的计算机空间，而且节省了使用计算机动画软件包的资金。
本文提出的计算机程序和图形用户界面目前只适用于有限梁单元，但可以方便地推广到其他有限单元类型。相信所提出的计算机程序和图形用户界面将是在计算机屏幕上清晰显示三维结构模式形状动画的绝佳工具。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[18586]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
