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1 前言
CAE分析的作用在于发现设计中存在的不足之处并加以改正，从而确保所设计产品在各方面性能完善。随着计算机硬件技术的发展，耗时不再是有限元计算的问题，产品设计人员更倾向于关注对计算结果的合理、完整的表达上。由于目前有限元分析的模型更趋向于大型化、复杂化，如何正确直观地反映分析的结果，使设计人员更易于发现设计模型中存在的缺陷成为工程分析数据可视化的一个关键问题。
虚拟现实技术借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可以通过视、听、触、嗅觉等手段所感受到的虚拟环境，具有以下三个基本特征：沉浸性、交互性以及多感知性。利用虚拟现实的沉浸可视化的方法来显示工程分析数据，有助于使设计人员更直观、更准确地理解数据，更快速容易地找出设计中存在的问题，从而也加快了产品设计开发的周期。
目前，只有国外少数有条件的实验室在开展这项研究工作：爱荷华大学机械制造技术中心的Tsung-Pin Yeh 利用基于NASTRAN 的sensitivity 方法简化了有限元算法，在分析计算的过程中以牺牲一定的精确性来获取实时性，并利用wtk、IRIS GL 生成虚拟场景，
采用头盔观察，从而实现虚拟现实环境中的实时交互设计。爱荷华州立大学Michael J. Ryken则基于NURBS 的自由变形，将FEM，sensitivity analysis ，碰撞检测和虚拟现实都集成在一个交互式立体环境中以用于实时观察和修改拖拉机吊臂零件形状，评价应力结果，检查零件间的影响，从而实现交互式应力分析。日本Hiroshima Prefecture 工程研究中心Hiroyuki Tao 开发了一个多功能的针对结构分析的可视化系统，通过该系统，可以更容易领会物体结构内部之间关系和复杂变形及物理量随时间的变化。意大利Bologna 大学A. Liverani 和加利福尼亚大学F. Kuester 利用OpenInvent 开发一种FEA 交互方式，通过3D 输入设备的应用及立体方式可以增强设计者对模型操纵、检查和修改的能力和产品质量。Rice 大学的Nagaraju Rangaraju 和Michal Terk 等建立了用于简化建筑领域结构分析数据沉浸可视化过程的框架结构，该框架包括一个可视化工具、一个转换分析软件数据的软件包和一个通信协议。瑞典Chalmers 大学的Mike Connell 和Odd Tullberg 等也将沉浸可视化应用于大型的桥梁设计分析中，并取得了一定的成果。除此之外，鲍劲松等采用Performer＋VTK，在Powerwall 系统上实现了CFD 的沉浸矢量场可视化。
本文基于ANSYS软件二次开发，利用APDL语言在ANSYS系统界面上增加了立体显示按钮，分别对静态云图和动画设计了不同的立体显示方法，基本解决了ANSYS中后处理的立体显示问题。
2 ANSYS 后处理中的立体显示方法
ANSYS 的后处理主要有通用后处理和时间历程相关后处理两种方式，从显示原理来看，主要是静态云图和动画两种。
2.1 静态云图的立体显示
ANSYS的静态分析结果大多以静态云图的形式后处理。如图1 所示，ANSYS 本身具有将静态分析结果输出为VRML格式的功能，VRML （虚拟现实建模语言）是一种通用的 3D 内容格式，可以使用相应的浏览器（例如BS Contact Stereo ）把这些模型显示为立体效果。BS Contact Stereo 可以将VRML-X3D 场景中的视点，自动调整为左右眼两个视点，从而分别模拟人体左右眼观看到的三维图像，通过双头输出的显卡，直接输出到两个投影仪中，在投射左眼和右眼的镜头前分别加上相互垂直的偏振镜，观察者佩戴偏振眼镜观看时，左右眼的偏振镜也实现做了相应的旋转，根据偏振原理，通过偏光眼镜，用户的左右眼都只能看见各自的图像（即被动同步的立体投影）。
根据以上原理，只需应用APDL 语言编写输出VRML 文件以及调用BS Contact Stereo 程序显示输出的VRML 文件的命令流即可实现以上ANSYS 静态云图的立体显示功能。
图1 ANSYS 的VRML 输出
图2 静态图片的被动立体显示
2.2 动画的立体显示
相对于静态云图的立体显示，动画的立体显示要复杂得多。ANSYS 中有四种动画模式：Bitmap，AVI，Display List，Pixmap 。Windows 环境下常用Bitmap 和AVI 动画。Bitmap动画模式在ANSYS图形窗口进行播放，可以通过ANSYS 动画控制器面板控制动画；AVI用WINDOWS媒体播放器播放。本文采用基于AVI立体像对的立体显示方法。
立体显示要录制两个视频，选定一个角度作为第一个视频，然后平移并旋转一定的角度录制第二个视频。
旋转的操作通过/ANGLE 命令。
/ANGLE,1,2, ys,1
第一个1代表窗口号，2代表旋转角度，ys为旋转轴，此旋转轴过focus点，第二个1代表累积旋转。
平移的操作通过/FOCUS命令
/FOCUS, 1, 0.02,…,1
第一个1代表窗口号，0.02代表x 方向偏移0.02倍半屏的距离，第二个1为激活屏幕坐标系。
录制两个视频文件名为“left”和“right”的命令写到名为“1.txt”文件：
*GET,jobname, ACTIVE, 0, JOBNAM
/INQUIRE,str,directory
*set,abc,str(1)
/COPY, jobname,"log",abc,"temp","txt",""
/syp,file.exe
/RENAME, jobname,"avi",abc,"left","avi",
/FOCUS, 1, 0.02,…,1
/replot
/ANGLE,1,2,ys,1
/replot
/INPUT,redraw,txt
/RENAME,jobname,"avi",abc,"right","avi",
上面的redraw.txt为log 文件的后三行，这三行为录制视频命令。用fortrain语言编写一个exe文件获取redraw.txt。
为了录制视频文件方便，在ansys 里加三个工具条，方法如下：
建立名为01 的txt文件，内容为：
ABBRES,change, "02","txt"
建立名为02的txt文件，内容为：
*ABBR,AVI,/DEVICE,ANIM,AVI
*ABBR,READ1,/INPUT,"1","txt"
*ABBR,READ2,/syp,a.bat
立体演示的流程如下，读入01.txt，点击AVI按钮，手动操作录制视频文件，然后点击READ1，再点击READ2，完成立体演示，见图4。
图3 立体视频截图
3 结论
在虚拟现实环境下实现对工程分析数据的可视化不仅是可行的，而且使分析设计人员能够更容易、更直观的感知分析结果，及早发现设计中存在的问题并加以修正，从而大大缩短产品的设计周期，提高生产力。本文将虚拟现实技术立体显示方法应用于工程分析数据可视化，将虚拟现实技术和工程分析数据的可视化有机结合起来，以ANSYS二次开发的方法实现了静态云图和动画的立体显示，最后在单通道虚拟现实系统上进行实例验证，并应用在工程实践中，为虚拟样机研究提供了支持工具。
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