基于MATLAB平台的2D对称和非对称应力张量可视化研究

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随着计算机技术的发展和高性能计算机的出现,计算力学大规模有限元数值仿真将产生大量离散数据,基于物理现象的大量的张量输出信息往往难以理解和判读,数据的后处理、跟踪处理和驾驭处理过程仍面临巨大的工作压力。近几十年发展起来的科学计算可视化技术可用来模拟物理现象和物理过程,为人们对张量信息的感知和直观理解提供帮助,可视化技术还可根据样本数据,对计算过程的数据流进行监控,以减少工作量。张量可视化的目的在于用尽可能少的图元表达尽可能多的张量特征信息,张量点图技术是一种在一个离散点集上通过所有点的局部张量信息来表达场的整体信息的方法,张量点图的应用导致了各种基于点图的可视化技术的发展,但目前二阶张量可视化的点图技术,多局限于对称和恒定张量情形,方法也多采用特征系统分解。对称和非对称二阶张量数据经常源于各种工程和应用领域,比如,固体和流体力学、结构和土木工程以及生物医学和影像处理等领域。典型的例子是来自于固体力学的应力和应变张量和来自于磁共振影像处理的弥散张量。研究应力和应变张量的重要性在于它们与材料的变形和破坏密切相关。在基于材料微结构和尺度效应的微极介质理论和Cosserat介质理论中,应力张量是不对称的。尽管非对称应力张量的可视化具有重要意义,但这一领域的相关研究却很少见。本文的工作集中于2D对称和非对称应力张量的可视化点图技术研究,基于MATLAB平台给出了一个新的2D应力张量点图方法,其主要特色是不必首先进行所谓特征系统分解便可以直接在一个全局坐标系中进行点图绘制,点图的定位仅需要一个离散点集的坐标平移,无须进行坐标旋转。该方法不仅可很好地适用于经典介质中的对称应力张量场,而且也适用于微极介质中的非对称应力张量场,同时对于恒定和不定张量情形也均适用。另外,本文还给出了基于非对称应力张量的所谓的Cosserat-Mohr图,这说明Mohr圆方法可扩展到非对称张量情形。最后,还给出了若干关于对称和非对称应力张量粗略的可视化程序模块和用户图形界面。
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