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Open Access
Methoden zur intuitiven Modifikation und interaktiven Darstellung von großen Finite-Element-Modellen
(2006) Rose, Dirc; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)
Die Entwicklung neuer Fahrzeugtypen im Automobilbau unterliegt zunehmend einem steigenden wirtschaftlichen und damit zeitlichem Druck. Um diesem Druck entgegenzuwirken, wurde unter anderem mit der Entwicklung und Einführung virtueller Simulationstechniken vor einigen Jahren ein wesentlicher Schritt hin zu kürzeren Evolutionszyklen getätigt. Um die dabei eingesetzten Daten - in der Regel Finite-Element (FE)-Modelle - visualisieren und bearbeiten zu können, wurden von verschiedenen Anbietern teilweise spezialisierte Werkzeuge erstellt. Allerdings wurde beim Entwurf der meisten dieser Werkzeuge lediglich auf die reine Funktionalität geachtet, so dass eine intuitive und somit schnell zu erlernende, einfache Bedienbarkeit dieser Anwendungen in der Regel nicht gegeben ist. Zudem werden im Allgemeinen die Möglichkeiten moderner Graphikhardware überhaupt nicht oder nur in geringem Maße ausgenutzt, so dass aufgrund der konventionellen Darstellungsmethoden ein interaktives Arbeiten mit großen Modellen nicht durchführbar ist bzw. mit einer Performanz erfolgt, die hinter aktuellen Möglichkeiten zurückbleibt. Die Dissertation befasst sich daher sowohl mit Methoden zur Optimierung der Qualität als auch der Steigerung der Interaktionsrate bei der Modelldarstellung. Dazu wurden Verfahren entwickelt, welche durch speicherfreundliches Ablegen von Oberflächeninformationen in Texturen auf der Graphikkarte den Einsatz beliebiger Beleuchtungsmodelle und eine pixelexakte Auswertung derselben erlauben. Da bei technischen Komponenten Knicke in der Struktur sich entscheidend auf die Stabilität eines Fahrzeugs auswirken können, werden solche Merkmale gesondert behandelt und hervorgehoben. Bei den im weiteren Verlauf präsentierten Simplifizierungsverfahren zur Performanzsteigerung bei der interaktiven Visualisierung großer FE-Modelle werden spezialisierte Methoden vorgestellt, welche hohe Simplifizierungsraten mit dem Erhalt dieser Merkmale verbinden. Dabei tragen neue Graphiktechnologien und darauf zugeschnittene Algorithmen dazu bei, auch feine Details konservieren zu können - wie z.B. die Anzeige der Umrandung der einzelnen finiten Elemente. Somit ist zwischen Original und simplifiziertem Modell kein visueller Unterschied erkennbar. Diese interaktiven Visualisierungstechniken bilden die Grundlage für intuitive Modifikationsmechanismen, welche es erlauben, benutzerfreundlich und innerhalb kürzester Zeit Standardaufgaben durchzuführen. Dazu zählen die schnelle und bequeme Definition von Bauteilverbindungen und das Erzeugen virtueller Sensorpunkte, welche zur Überprüfung auftretender Kräfte in der experimentellen Simulation unerlässlich sind. Neben diesen vor allem für strukturmechanische Untersuchungen wichtigen Themen wurden Methoden zur interaktiven Verformung bestehender Modellgeometrie entwickelt. Dabei wurde besonderen Wert auf die Flexibilität der Deformationsoperationen unter Anwendung einer intuitiv zu bedienenden Steuerung gelegt. Während der Interaktion ständig durchgeführte Kontrollen der Netzqualität und entsprechende visuelle Rückkopplungsmechanismen sowie auf die Bedürfnisse von FE-Netzen zugeschnittene Optimierungsalgorithmen zur automatischen Behebung der dabei ggf. entstehenden FE-Vernetzungsfehler unterstützen den Anwender bei der Durchführung dieser Aufgaben. Um ein optimales Verständnis zu garantieren, wurden zudem spezielle dreidimensionale Glyphen erstellt, welche die Bearbeitung der erläuterten Aufgaben sinnvoll ergänzen und erleichtern. Räumliche Darstellungs- und Interaktionstechniken können dabei das Verständnis und den Umgang mit einem dreidimensionalen Modell erheblich verbessern. Deshalb wurde der im Laufe der Arbeiten entstandene, mittlerweile kommerziell vertriebene Prototyp um verschiedene Ein- und Ausgabemöglichkeiten erweitert, welche die Einbindung in eine arbeitsplatzbasierte, virtuelle Umgebung ermöglichen. Neuartige Hardware erlaubt zu diesem Zweck sowohl autostereoskopische Visualisierungen als auch haptisch unterstützte Eingabe. Im Hinblick auf die im vorangegangenen Abschnitt vorgestellten Methoden ergeben sich in solch einer immersiven Arbeitsplatzumgebung neue Anforderungen und neue Möglichkeiten, welche entsprechend untersucht und eingebunden wurden. Im Vergleich zu konventionellen bzw. verbreiteten FE-Werkzeugen erlauben die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren somit ein intuitiveres, angenehmeres, direkteres und damit schnelleres bzw. effektiveres Arbeiten im Umgang mit dreidimensionalen Modellen.