Разработка и реализация программного модуля для трехмерной и двухмерной визуализации геометрических сборок для ПК BRAND - Дипломная работа

В эффективности решения задач, связанных с радиационной и ядерной безопасностью, на одно из лидирующих мест по значимости выдвигаются методы численного эксперимента и прогнозирования. Этому способствует и быстрое развитие вычислительной техники, и усовершенствование алгоритмической базы, и развитие языков программирования, которые позволяют описывать сложные объекты и процессы их взаимодействия. Изначально комплекс предназначался для моделирования методом Монте-Карло исключительно нейтронно-физических экспериментов, но удачно выбранная структура разбиения на модули позволила очень быстро распространить BRAND на задачи расчета защиты от излучений, реакторные задачи, задачи радиационной медицины и другие, охватив моделирование совместного переноса нейтронов, фотонов и заряженных частиц. Для программного комплекса был разработан собственный язык построения сложных геометрических объектов, с помощью которого с высокой степенью детализации программируются сборки для расчетов. Будучи мощным средством для проведения комплексных расчетов, в том числе и для решения задач ЯБ и РБ, ПК BRAND обладает одним существенным недостатком - в нем сложные геометрические объекты собираются вручную, без какого-либо визуального контроля, соответствующего современным стандартам.Как хорошо известно, отличительной чертой метода Монте-Карло является его приспособленность к решению многомерных задач в условиях реальной трехмерной геометрии с подробным учетом всей имеющейся информации о взаимодействии излучения с веществом. Требования же повышения точности расчетов диктуют необходимость использования самой современной информации, которая содержится в библиотеках файлов оцененных данных (отечественная BROND, зарубежные ENDF/B, JENDL, FENDL и другие).Под источником понимается объект в пространстве, с поверхности которого испускаются частицы, с плотностью f0 распределения в фазовом пространстве координат, направлений, энергий. Энергетическое распределение источника частиц также может быть задано одним из вариантов распределения, например, моноэнергетический источник; энергетический спектр частиц источника представлен в виде гистограммы; в качестве энергетического распределения источника используется реакция синтеза с нормальным законом распределения и т.д. Всего в модуле представлено девять вариантов разыгрыша энергетической составляющей частиц, вылетающих из источника. Принято, что каждая поверхность делит все пространство на две части: ( ) пространство и (-) пространство. Для поверхностей первого порядка (плоскостей) под ( ) пространством понимается множество пространственных точек, имеющих положительное отклонение от плоскости, (-) пространство - точки с отрицательным отклонением (напомним, что отклонение меньше нуля, если точка О(x, y, z) и точка О(0, 0, 0) лежат по одну сторону от плоскости).В основе метода лежит разработка вероятностной модели для некоторого процесса или объекта и определение на основе закона больших чисел средних характеристик для интересующих параметров. Имея множество реализаций случайной величины ?1, ?2,… ?N на основе закона больших чисел можем вычислить приближенное значение искомой величины В основном среди величин, допускающих приведенное выше представление, рассматривают интеграл и линейный функционал , где f(x) - решение интегрального уравнения Фредгольма второго рода Частицы, испускаемые этим источником, сталкиваются с частицами вещества и либо поглощаются ими, либо рассеиваются по некоторому случайному закону, заданному индикатрисой рассеивания g(r,?,??), которая определяет направление дальнейшего движения частицы. (4) где f(x) - плотность столкновений частиц; К-ядро интегрального оператора переноса; f1(x) - плотность первых столкновений, определяемая источником фотонов Ф(x) и транспортной частью ядра К; x=(r, ?,E) - точка фазового пространства; ? =(u,v,w)-направляющие косинусы.Считаем, что известна точка ОК(x0, y0, z0) из которой движется частица по лучу с направляющими косинусами (u, v, w) и номер геометрического объекта K, которому принадлежит точка ОК(x0, y0, z0). Алгоритм вычисления номеров пролетаемых зон (геометрических объектов) и отрезков луча по этим зонам следующий: 1) Принимаем k = 1, т.е. выбираем геометрический объект №1. 2) Для k-го геометрического объекта определяем минимальное расстояние ?lki > 0 от точки ОК(x0, y0, z0) по лучу (u, v, w) до каждой из поверхностей, образующих настоящий геометрический объект. 3) Находим координаты точки Ок(x, y, z) на поверхности k-го геометрического объекта Проверяем принадлежность точки Ок(x, y, z) k-му геометрическому объекту, если точка Ок(x, y, z) не принадлежит объекту - принимаем ?lki = ?. Если имеем бесконечное множество точек Ок(x, y, z) принадлежащих объекту - принимаем ?lki = .Таким образом физический модуль фактически подменен упрощенной схемой замены розыгрыша угла рассеивания, на постоянное исходное значение источника. На левой границе области просмотра располагается источник, который состоит из точечных мононаправленных источников, каждый и

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Постановка задачи

1. Геометрический модуль ПК BRAND

1.1 Структура ПК BRAND

1.2 Основы метода Монте-Карло для решения уравнения переноса. Общие положения

1.3 Порядок построения траектории

1.4 Модуль визуализации

2. OPENGL

3. Апробация на разных сборках

3.1 Пользовательский интерфейс

3.2 Практическая часть. Двухмерный режим

3.2.1 Тестирование двухмерного режима

3.3 Практическая часть. Трехмерный режим

3.3.1 Тестирование трехмерного режима

3.4 Тестирование на реальных сборках

Выводы

Литература

Приложение

Актуальность работы. В эффективности решения задач, связанных с радиационной и ядерной безопасностью, на одно из лидирующих мест по значимости выдвигаются методы численного эксперимента и прогнозирования. Этому способствует и быстрое развитие вычислительной техники, и усовершенствование алгоритмической базы, и развитие языков программирования, которые позволяют описывать сложные объекты и процессы их взаимодействия. Безусловно, как таковой натурный эксперимент не теряет своей важности и решающего значения, но теперь его проводят после всестороннего анализа, выполненного с помощью специализированных программных комплексов.

На текущий момент на рынке представлено достаточно большое количество разработок как отечественных, так и зарубежных ученых, направленных на моделирование процессов переноса излучения. Каждый программный комплекс имеет свою границу применимости и свою точность получаемых результатов и оценок. Среди наиболее известных можно перечислить такие продукты как MCU, MCNP, САПФИР, Microshield и т.д.

ПК BRAND, разработанный в ГНЦ ФЭИ и в ИАТЭ и названный в честь своих создателей П.А. Андросенко и А.А. Андросенко, составляет достойную конкуренцию указанным программам. Изначально комплекс предназначался для моделирования методом Монте-Карло исключительно нейтронно-физических экспериментов, но удачно выбранная структура разбиения на модули позволила очень быстро распространить BRAND на задачи расчета защиты от излучений, реакторные задачи, задачи радиационной медицины и другие, охватив моделирование совместного переноса нейтронов, фотонов и заряженных частиц. Комплекс также легко «переводится» и на решение краевых задач математической физики (алгоритмы блуждания по границе и по сетке). Его основное преимущество - это высокая точность получаемых оценок, широкий спектр решаемых задач переноса разного вида излучения, возможность сбора наиболее полной информации о моделируемом процессе. Основное развитие, таким образом, получили модули физических взаимодействий, а также модули детектора и источника. Для программного комплекса был разработан собственный язык построения сложных геометрических объектов, с помощью которого с высокой степенью детализации программируются сборки для расчетов.

Будучи мощным средством для проведения комплексных расчетов, в том числе и для решения задач ЯБ и РБ, ПК BRAND обладает одним существенным недостатком - в нем сложные геометрические объекты собираются вручную, без какого-либо визуального контроля, соответствующего современным стандартам. Без модуля визуализации нет возможности еще на этапе проектирования выявить ошибки, связанные с переводом на язык трехмерных геометрических объектов ПК BRAND чертежей, схем, конструкторской документации. Все данные для геометрического модуля собираются фактически вручную в текстовом файле, что диктуется средой разработки и сложилось исторически. Подобная схема сбора начальных данных в современных условиях является устаревшей, поэтому и была поставлена задача визуализации геометрических сборок. Это лишь начальный этап в процессе, который позволит в дальнейшем автоматизировать создание сложных конструкций.

Средства и методы выполнения работы. C# - объектно-ориентированный язык программирования , один из наиболее динамично развивающихся в последнее десятилетие. Разработан в 1998 -2001 годах группой инженеров под руководством Андерса Хейлсберга в компании Microsoft как язык разработки приложений для платформы Microsoft .NET Framework . С# является удобным и эффективным инструментом для создания приложений со сложным пользовательским интерфейсом. Он имеетстатическую типизацию , поддерживает полиморфизм , перегрузку операторов (в том числе операторов явного и неявного приведения типа), делегаты , атрибуты, события , свойства , обобщенные типы и методы, итераторы , анонимные функции с поддержкой замыканий , LINQ , исключения , комментарии в формате XML . Соответственно, этот язык обладает широкой палитрой объектов для проектирования программ, использования, создания и внедрения собственных компонентов и элементов управления. Более того С#-компилятор переводит исходный код программы в промежуточный язык под названием Intermediate Language (IL), а за превращение IL в последовательность машинных команд отвечает Just-In-Time-компилятор (JIT), который оптимизирует код, что повышает эффективность созданных алгоритмов. Оптимизации JIT-компилятора в основном предназначены для повышения производительности вычислительных приложений, но они оказывают положительное влияние и на другие типы приложений.

Для визуализации трехмерных объектов была выбрана графическая библиотека OPENGL, т.к. она обладает рядом преимуществ: · различные функции доступны через расширения (для построения сложных трехмерных сцен и простых примитивов);

· простота написания кода;

· идеально подходит для визуализации результатов научных исследований;

· является «открытым стандартом».

Постановка задачи

Цель дипломной работы состоит в разработке и тестировании программного модуля для ПК BRAND, позволяющего строить двумерные и трехмерные изображения для сложных геометрических объектов для обеспечения контроля за качеством сборки конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - изучить основы метода Монте-Карло и его применение для решения задач переноса излучения;

- создать библиотеку функций физмодуля ПК BRAND, соответствующих этапам моделирования траектории частицы, пролетающей через материал;

- адаптировать библиотеку для работы в среде программирования Visual Studio 2013 для кода на языке программирования C#;

- изучить библиотеки доступа к графическому интерфейсу OPENGL;

- разработать и реализовать алгоритм для двумерной визуализации изображения сечения плоскостями, параллельными координатным плоскостям;

- разработать и реализовать алгоритм трехмерной визуализации сборок;

- протестировать имеющиеся библиотеки сборок, провести расчет по одной из них.