在科学计算与仿真分析中，VTK 文件格式常被用于存储复杂的几何和物理场数据，以便后续的可视化处理。本文将通过一个具体的例子，讲解如何使用 VTK 库，将二维位移场数据以向量的形式写入到
.vtk文件中，最后展示一个可视化abaqus计算结果的例子。
一、数据简介
假设有一个 2x2 的二维网格，由 4 个节点和 2 个三角形单元组成。每个节点还附带有位移场向量（X 和 Y 分量）。我们想把这些节点、单元以及对应的位移向量写入到一个 VTK 文件，供后续的可视化软件（如 ParaView）使用。
节点坐标和位移向量数据：
节点坐标：
(0, 0)
(1, 0)
(0, 1)
(1, 1)
位移向量数据：
节点 0：位移 (0.1, 0.0)
节点 1：位移 (0.2, 0.1)
节点 2：位移 (0.3, 0.2)
节点 3：位移 (0.4, 0.3)
三角形单元：
单元 1：由节点 0、1、2 组成
单元 2：由节点 1、2、3 组成
二、实现步骤
1. 导入 VTK 库并准备数据
首先需要导入 VTK 库，并准备好节点坐标、位移向量以及单元数据。
import vtk
# 示例输入数据：网格节点的坐标和向量分量
xy = [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]] # 节点坐标
u1 = [0.1, 0.2, 0.3, 0.4] # X 分量
u2 = [0.0, 0.1, 0.2, 0.3] # Y 分量
elements = [[0, 1, 2], [1, 2, 3]] # 三角形单元
2. 创建点数据
通过 vtkPoints() 创建点对象，并插入每个节点的坐标信息。由于这是一个二维问题，Z 坐标设为 0。
# 创建点对象
points = vtk.vtkPoints()
for coord in xy:
points.InsertNextPoint(coord[0], coord[1], 0.0) # Z 方向设为 0.0
3. 创建单元数据
接下来使用 vtkCellArray() 来创建单元（这里是三角形单元），并将每个三角形的节点信息插入到单元数组中。
# 创建单元对象
polys = vtk.vtkCellArray()
for element in elements:
polys.InsertNextCell(len(element)) # 定义单元的节点数量
for node in element:
polys.InsertCellPoint(node) # 将节点插入单元
4. 创建网格数据
通过 vtkPolyData()，将点和单元数据组合在一起，创建一个表示网格的对象。
# 创建 vtkPolyData 存储点和单元数据
polyData = vtk.vtkPolyData()
polyData.SetPoints(points) # 设置点
polyData.SetPolys(polys) # 设置多边形单元
5. 创建向量数据
向量数据是存储在每个节点的位移信息。在这里，我们使用 vtkFloatArray() 创建一个数组，并设置它的名称和分量数。由于是二维位移场，Z 分量设置为 0。
# 创建向量数据数组
U = vtk.vtkFloatArray()
U.SetName("U") # 命名为 "U"
U.SetNumberOfComponents(3) # 三维向量
# 插入每个点的位移向量数据
for i in range(len(u1)):
U.InsertNextTuple3(u1[i], u2[i], 0.0) # Z 分量为 0.0
6. 将向量数据添加到网格
将刚刚创建好的向量数据与网格节点进行关联。
这里使用 SetVectors() 函数将向量数据添加到网格的节点上。
而如果要存储为标量数据，则可用 SetScalars()函数。
# 将向量数据添加到网格
polyData.GetPointData().SetVectors(U)
7. 写入 VTK 文件
最后，使用 vtkPolyDataWriter() 将生成的网格和向量数据写入到一个 .vtk 文件中。
# 写入 VTK 文件
writer = vtk.vtkPolyDataWriter()
writer.SetFileName("output-vec.vtk") # 指定输出文件名
writer.SetInputData(polyData) # 设置要写入的网格数据
writer.Write() # 执行写入操作
print("VTK 文件写入完成!")
三、完整代码及效果
import vtk
# 示例输入数据：网格节点的坐标和向量分量
xy = [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]] # 节点坐标
u1 = [0.1, 0.2, 0.3, 0.4] # X 分量
u2 = [0.0, 0.1, 0.2, 0.3] # Y 分量
elements = [[0, 1, 2], [1, 2, 3]] # 三角形单元
# 创建点对象
points = vtk.vtkPoints()
for coord in xy:
points.InsertNextPoint(coord[0], coord[1], 0.0)
# 创建单元对象
polys = vtk.vtkCellArray()
for element in elements:
polys.InsertNextCell(len(element))
for node in element:
polys.InsertCellPoint(node)
# 创建 vtkPolyData 存储点和单元数据
polyData = vtk.vtkPolyData()
polyData.SetPoints(points)
polyData.SetPolys(polys)
# 创建向量数据数组
U = vtk.vtkFloatArray()
U.SetName("U")
U.SetNumberOfComponents(3)
for i in range(len(u1)):
U.InsertNextTuple3(u1[i], u2[i], 0.0)
# 将向量数据添加到网格
polyData.GetPointData().SetVectors(U)
# 写入 VTK 文件
writer = vtk.vtkPolyDataWriter()
writer.SetFileName("output-vec.vtk")
writer.SetInputData(polyData)
writer.Write()
print("VTK 文件写入完成!")
在paraview中查看结果，并使用 Warp by Vector功能针对上面的向量数据进行可视化处理。
四、示例：可视化abaqus结果
以下是我用abaqus计算一个平面问题的例子，根据前述的代码，可将abaqus的结果数据可视化如下：
五、总结
本文实现了如何将向量场数据写入 VTK 文件。向量数据的存储对于仿真结果的可视化至关重要，特别是当我们需要显示节点的位移、速度或其他方向量时。
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