INTERAKTIVE EINGABE UND VISUALISERUNG VON FINITE-ELEMENT MODELLEN UNTER VERWENDUNG EINER 3D-GRAFIKBIBLIOTHEK

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1 INTERAKTIVE EINGABE UND VISUALISERUNG VON FINITE-ELEMENT MODELLEN UNTER VERWENDUNG EINER 3D-GRAFIKBIBLIOTHEK Stefan Seifarth, Matthias Baitsch Lehrstuhl für Ingenieurinformatik im Bauwesen, Ruhr-Universität Bochum Kurzfassung: Visualisierung wird immer dann eingesetzt, wenn Daten vorliegen, die aufgrund ihrer Menge in textueller Form nicht mehr erfasst werden können. Visualisierung macht Zahlen sichtbar und so die enthaltenen Informationen leichter zugänglich. In der vorliegenden Arbeit repräsentieren die Daten Finite-Element Modelle und die entsprechenden Berechnungsergebnisse. Es wurde ein Programm entwickelt, das es dem Anwender erlaubt, die Struktur und Strukturantwort auf einen Blick zu erkennen und die für ihn wichtigen Informationen zu entnehmen. Zudem können mit der Anwendung komfortabel Finite-Element Modelle interaktiv zu erzeugt und manipuliert werden. 1. Einleitung Der Entwurf des Tragwerks ist ein wesentlicher Aspekt bei der Planung von Bauwerken. Dabei müssen neben der Tragsicherheit auch Aspekte der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Moderne Computersysteme können den Prozess der Tragwerksplanung wirkungsvoll unterstützen. Dabei nimmt die Finite-Element Methode aufgrund ihrer Problemneutralität eine herausragende Stellung ein. Zusätzlich kann die wirtschaftliche Planung durch den Einsatz von Strukturoptimierungsverfahren wirkungsvoll unterstützt werden. Vor diesem Hintergrund wurde am Lehrstuhl für Ingenieurinformatik im Bauwesen an der Ruhr-Universität Bochum ein Softwarepaket zur Strukturoptimierung entwickelt [1]. Dieses basiert konzeptionell auf verteilten Softwarekomponenten die mittels CORBA untereinander kommunizieren, was ein flexibles und modulares Design ermöglicht. Die Software setzt sich aus mehreren Modulen zusammen, welche unter anderem zur Finite-Element Analyse dienen, beziehungsweise verschiedene Optimierungsverfahren zur Verfügung stellen (Abbildung 1). 46

2 Serverkomponenten Optimierung (Opt) Strukturoptimierung (cps) FE-Analyse (cafe) komponenten Abb. 1: Aufbau der Optimierungssoftware 2. Problemstellung Ziel dieser Arbeit ist es, zu dem als CORBA-Server vorliegenden FE-Modul einen grafischen zu entwickeln, der die interaktive Erzeugung und Visualisierung von Finite-Element Modellen ermöglicht. Der Anwender soll über die grafische Benutzerschnittstelle das Modell komfortabel eingeben und verändern können. Ein weiterer Schwerpunkt ist die dreidimensionale Darstellung des Modells und der Ergebnisse. Für die Implementierung der Software kommen prinzipiell alle Programmiersprachen in Frage, die über eine Anbindung an CORBA verfügen und die Erstellung grafischer Benutzeroberflächen erlauben. Die Implementierung soll nicht zuletzt aufgrund der Plattformunabhängigkeit in der Programmiersprache Java erfolgen. Für die grafische Repräsentation der FE-Strukturen wird die Grafikbibliothek Visualization Toolkit (VTK) [2] zum Einsatz kommen. VTK ist eine objektorientierte 3D-Grafikbibliothek zur Visualisierung wissenschaftlicher Daten. Es ist in C++ implementiert, steht für die gängigen Betriebsysteme kostenfrei zur Verfügung und verfügt über Schnittstellen zu mehreren anderen Programmiersprachen, unter anderem zu Java. Dieser Beitrag zeigt auf, wie die oben formulierten Ziele mit einer modularen und erweiterbaren Softwarearchitektur realisiert werden können. 47

3 3. Entwurf Der Aufbau der Software folgt dem bekannten Beobachter-Entwurfsmuster [3], welches den Datencontainer ( model ), die grafische Repräsentation ( view ) und die Steuerung ( control ) voneinander trennt. Die Funktion des Datencontainers wird von dem FE- Analyse Server übernommen. Der umfasst nunmehr die Komponenten der Repräsentation und der Steuerung. Aus dieser Architektur ergeben sich die Fragestellungen, wie die Kommunikation zwischen und Server etabliert werden muss, so dass Datenkonsistenz gewährleistet ist und wie die Interaktion zwischen Repräsentations- und Steuerungskomponente erfolgt. Diese beiden Fragestellungen werden im folgenden erläutert und die gewählte Lösung vorgestellt. 3.1 Kommunikation mit dem Server Aufgrund der strikten Trennung zwischen Server und entsteht eine Problematik, welche die Datenkonsistenz betrifft. Veränderungen am Modell werden ausgehend von der Steuerungskomponente vorgenommen und müssen sowohl an den Datencontainer übermittelt, als auch von der Repräsentation dargestellt werden. FE-Analyse-Server - model cafe-server +addobserver(in observer : ObserverImpl) +getdata() : cafedata +setdata(in data : cafedata) ObserverImpl +update(in aspects : Aspect[]) Repräsentation - view Steuerung - control ActorContainer +setdata(in data : cafedata) +updatecontainer() Display Dialog +userinteraction() Abb. 2: Aufbau der Kommunikation (schematisch) Zusätzlich soll es möglich sein, das Modell durch externe Optimierungswerkzeuge zu verändern. Dies kann mittels des Beobachtermusters [3] realisiert werden. Dabei 48

4 werden Abhängigkeiten definiert, so dass die Änderungen eines Objektes, in diesem Fall des FE-Modells, dazu führt, dass alle abhängigen Objekte, hier die Repräsentation, automatisch aktualisiert werden. Da Daten, die zwischen Server und ausgetauscht werden, über eine Netzwerkverbindung gehen, sollen die Datenmengen klein sein. Deshalb sollen nicht bei jeder Aktualisierung die gesamten Modelldaten übertragen werden. Um dieses zu ermöglichen, teilt der Server dem explizit mit, welcher Aspekt des Modells sich verändert hat. Die zwischengeschaltete Beobachterklasse (ObserverImpl) kann dann entscheiden, welche Daten vom Server übertragen werden müssen und abhängige Objekte benachrichtigen. Um unnötige Benachrichtigungen und daraus resultierende Performance-Verluste zu vermeiden kennt die Beobachterklasse alle Objekte der grafischen Repräsentation, die für die Darstellung des FE-Modells von Bedeutung sind. So kann Aufgrund der Aspekte entschieden werden, welche Objekte zu benachrichtigen und zu aktualisieren sind. Anhand eines kurzen Beispiels soll gezeigt werden, wie die Klassen der einzelnen Komponenten (Abbildung 2) interagieren. Angenommen, es soll ein Knoten des FE- Modells gelöscht werden. Hierzu wird ein Dialog aus der Steuerungskomponente aufgerufen, welcher die Manipulation von Knoten ermöglicht. Der gewünschte Knoten wird angewählt und die Methode zum Löschen aufgerufen. Der Dialog setzt mit den entsprechenden Methoden (beispielhaft als setdata(...) bezeichnet) des Datencontainers (cafe-server) den neuen Datenzustand. In diesem Fall heißt das, dass der Knoten aus dem Modell gelöscht wird. Wenn diese Aktion beendet ist, teilt der Server der Beobachterklasse ObserverImpl mittels der Methode update(...) mit, dass etwas am Modell verändert wurde. Die Beobachterklasse kann dann aufgrund der übergebenen Parameter (Aspect) entscheiden, welche Teile des Modells aktualisiert werden müssen. Über die entsprechenden Methoden (getdata()) werden die neuen Modelldaten, in diesem Fall die aktuellen Knotendaten, beim Server abgeholt. Anschließend werden allen Klassen der grafischen Repräsentation (verwaltet von ActorContainer), welche die Knotendaten zur Visualisierung benötigen, diese mitgeteilt (setdata(...)). Abschließend werden die Repräsentationsklassen mit updatecontainer() veranlasst, den neuen Zustand darzustellen. 3.2 Interaktion zwischen Repräsentation und Steuerung Die Komponenten der Steuerung ( control ) und der grafische Repräsentation ( view ) sind voneinander getrennt. Um trotzdem eine Manipulation des Modells innerhalb der grafischen Repräsentation vornehmen zu können, wie zum Beispiel das Erzeugen von Knoten oder Elementen durch Mausklicks, wird ein Hilfsmittel benötigt, das weiterhin die Modularität der Komponenten gewährleistet. Hierzu werden Interaktionsklassen definiert (Listener), welche auf den jeweiligen Anwendungsfall spezialisiert sind. 49

5 Grafische Repräsentation Display +setlistener(in listener : SpecializedListener) +removelistener(in listener : SpecializedListener) Steuerung Dialog +userinteraction() Listener SpecializedListener +mouseclicked(in event : MouseEvent) Abb. 3: Interaktion mittels Listener Dem Prinzip einer funktionsorientierten Dialoggestaltung [4] folgend wählt der Benutzer zuerst innerhalb eines Dialogs aus der Steuerungskomponente eine Funktion, z.b. das Löschen von Knoten aus. Hierauf reagiert die Software mit der Erzeugung der entsprechenden Interaktionsklasse (Listener), welches dann bei der Repräsentationskomponente angemeldet wird. Jede Aktion innerhalb der Repräsentationskomponente wird registriert und an die angemeldete Interaktionsklasse weitergegeben. Diese entscheidet aufgrund der Informationen der erfolgten Aktion, welche weiteren Schritte, z.b. das Löschen des angewählten Knotens aus dem Datencontainer, eingeleitet werden müssen. Abbildung 3 zeigt die Abhängigkeiten der Komponenten und verdeutlicht die Funktionsweise. 4. Realisierung Im folgenden soll auf den Funktionsumfang der erstellten Software eingegangen werden. Beim Entwurf der Benutzeroberfläche wurde darauf geachtet, dass der Anwender mit einer leicht verständlichen Methode Finite-Element Modelle erzeugen und manipulieren kann. In der ersten Ebene unterscheidet die Menuleiste zwischen Präprozessor, Durchführung der FE-Analyse und Postprozessor. Vom Menupunkt Präprozessor aus erreicht man die Funktionen zur Erzeugung, Manipulation und Darstellung der Finiten-Element Modelle. Diese umfassen die Erzeugung von Knoten und Elemente, die Definition von Materialien und Querschnitten, sowie das Anbringen von Kräften, Lasten und Randbedingungen. Als Elementtypen stehen Fachwerkstäbe, Balken-, Scheiben- und Plattenelemente zur Verfügung. Die eigentlichen Funktionen werden dann jeweils in separaten Dialogen zur Verfügung gestellt. Zudem wird ein Dialog angeboten, mit dem die grafische Darstellung der Elemente gesteuert werden kann. 50

6 Die Eingabe der FE-Modelle und deren Darstellung erfolgt durchgehend in der dreidimensionalen Ansicht. Dabei kann das Modell komfortabel in eine geeignete Ansicht gebracht werden und von dort aus weiter bearbeitet werden. Abbildung 4 zeigt die Menuleiste, den Dialog zur Knoteneingabe und Knotenmanipulation und die Darstellung eines dreidimensionalen Fachwerksmodells. Der Menupunkt Analyse ermöglicht die Durchführung der Berechnung des Finiten- Element Modells Unter dem Menupunkt Postprozessor finden sich diverse Einstellungsmöglichkeiten, welche die Ansichtssteuerung der Strukturantwort - das sind verformte Struktur und Spannungen - ermöglichen. Abb. 4: Benutzerschnittstelle 5. Ausblick Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Grundlage der objektorientierten Modellierung ein zur interaktiven Eingabe und Visualisierung von Finite-Element Modellen entwickelt und realisiert. Dabei ist auf der einen Seite ein Visualisierungsmodul entstanden, welches die wesentlichen Objekte eines Finite-Element Modells 51

7 dreidimensional darstellen kann. Auf der anderen Seite wurde eine Benutzeroberfläche geschaffen, die alle notwendigen Eingabemasken bietet, um ein FE-Modell komfortabel zu erzeugen und zu manipulieren. Aufgrund der Architektur des s ist es möglich, das Modell zu manipulieren und nahezu zeitgleich die Strukturantwort zu beobachten. Es ist zum Beispiel möglich, Knoten der Struktur mit der Maus zu verschieben und die daraus resultierende veränderte Verformung anzuzeigen. Die Software ist mit zahlreichen FE-Modellen getestet worden und konnte dabei zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Literatur [1] Baitsch, M., Lehner, K., Hartmann, D. "Distributed Structural Design Using CORBA Technology." Third European Conference On Product And Process Modeling In The Building And Related Industries, ECPPM, Lissabon, Portugal, [2] Schroeder, W., Martin, K., Lorensen, B. The Visualization Toolkit - An Object- Oriented Approach to 3D Graphics, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, [3] Gamma, E., Helm, R., Johnson, R., Vlissides, J. Entwurfsmuster: Elemente wiederverwendbarer objektorientierter Software, D. Riehle, translator, Addison- Wesley, Bonn, [4] Balzert, H. Lehrbuch der Softwaretechnik, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg,