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更新時間：2024-11-17
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風洞試驗環境仿真系統
1 技術性能
1.1 規格
系統的主要作用如下：
本系統主要用于風洞試驗相關的風洞、試驗設備以及風洞試驗模型等三維數模和三維場景的建立，并能夠在真實感較強的三維環境中模擬設備的安裝使用情況，以及實現風洞試驗環境的虛擬漫游等功能。利用上述構建和應用上述風洞試驗設備設計與安裝使用的過程仿真環境，通過仿真分析優化試驗，可以達到減少設計失誤，提高試驗效率的目的。
主要由以下部分組成：
1）三維數字化建模系統；
2）DELMIA可視化裝配仿真系統；
3）產品虛擬展示與培訓系統。
主要實現的功能如下：
1）實現3D環境下風洞試驗設備與型號飛機模型等設備的協同設計；
2）實現3D環境下可交互的虛擬裝配，直觀地驗證試驗設備與飛機模型等設備的的可裝配性和人機性能；
3）實現風洞試驗環境的虛擬漫游；
4）實現3D環境下的產品虛擬展示與虛擬培訓；
主要技術規格如下：
1) 三維數字化建模系統：
（1）2套惠普Z840圖形工作站，包括顯示器等外設（本仿真系統圖形工作站共4臺，此處使用2臺）。
2) DELMIA可視化裝配仿真系統：
（1）Delmia系列軟件包含AP2，DBG-A等模塊；
（2）Ensight VR軟件；
（3）4臺惠普Z840圖形工作站計算機集群；
（4）主動立體CADWall由6100mm（寬）×2500mm（高）的高清背投屏幕和兩臺投影儀等組成；
（5）5.1聲道立體聲音響系統。
3）產品虛擬展示與培訓系統：
（1）綜合仿真子系統一套；
（2）硬件系統與DELMIA可視化裝配仿真系統共用一套。
1.2 *性和特色
1.2.1*性
采用國際上主流的虛擬環境開發軟件系統以及國際主流的虛擬環境建設硬件，構建風洞試驗設備設計與安裝使用的過程仿真環境，通過仿真分析優化試驗流程，提高試驗效率；
1.2.2特色
風洞試驗環境仿真系統在研制時要考慮以下要求：
l 系統具有良好的沉浸性和可交互性，提高現實感，激發用戶的想象。
l 系統開發效率高，節省系統開發時間
l 性能可靠
l 能夠驗證試驗設備的可裝配性和人機性能
l 有效地進行試驗設備和型號模型的協同設計
l 實現風洞試驗環境的虛擬漫游
l 系統易于運行維護
l 系統軟硬件環境具有較高的*性，體現虛擬現實領域的最好技術水平
2 系統的應用
2.1 系統應用對象和設計目標
2.1.1未來使用風洞試驗環境仿真系統的主要對象
1）中航工業氣動院；
2）國內主機廠所；
3）各大院校及科研單位；
4）其他單位；
2.1.2風洞試驗環境仿真系統的建設目標
采用國際上主流的虛擬環境開發軟件系統以及國際主流的虛擬環境建設硬件，構建風洞試驗設備設計與安裝使用的過程仿真環境，通過仿真分析優化試驗流程，減少設計制造失誤，提高風洞試驗效率；
1）建立三維數字化建模系統。實現三維虛擬環境下風洞試驗設備與型號模型等設備的協同設計。
利用本系統的軟硬件條件可實現風洞試驗相關的風洞設備、天平、型號飛機模型、模型支撐機構等設備的三維模型構建，實現試驗設備與型號模型的協同設計。
在本系統的具體開發中，將以中航工業氣動院FL-10風洞為藍本，建立風洞廠房和試驗設備的全套數字模型。
2）建立DELMIA可視化裝配仿真系統。實現三維虛擬環境下可交互的虛擬裝配，直觀地驗證試驗設備與飛機模擬等設備的可裝配性和人機性能。
本仿真系統利用國際軟件DELMIA可視化裝配仿真系統，研發專門為裝配仿真開發和建立裝配文檔而設計的3D交互式圖形仿真工具，可以用來動態仿真復雜的裝配體裝拆工藝過程。通過在虛擬制造環境中對3D數字產品的操作，實現了對裝配過程的可視化檢驗及工藝指令生成。這樣，在風洞試驗準備階段，就可以直接利用型號單位提供的三維模型與試驗裝置預裝配，檢查運動干涉，減少風洞的占用時間，縮短試驗設備的研制周期、縮短風洞試驗的輔助時間，提高試驗設備的研發效率。
在建立的FL-10風洞廠房和設備數模的基礎上，實現以下目標：
（1）通過直觀演示試驗流程，可提前檢驗及評估試驗方案的合理性并指導操作人員工作。可以有效地節約人員培訓時間，節省試驗費用。
（2）對風洞模型及試驗設備進行虛擬裝配及人機工效評估。不但可以驗證設計方案的正確性，避免可能出現的干涉和其它不合理問題，而且可以評估模型裝配及更換狀態的效率及人機工效。通過選擇最佳裝配方案達到提高裝配效率，縮短模型準備時間的目的。
（3）使客戶在設計階段了解產品成形后的效果，在試驗前了解試驗過程是否如其所想，使客戶能動態、逼真、實時的對產品和試驗進行評估。
3）建立產品虛擬展示與培訓系統
（1）實現風洞試驗環境的虛擬漫游。建立滿足3I（沉浸、交互、想象）要求的真實的虛擬環境，使用戶能在遠程了解風洞試驗室的環境和試驗能力，使用戶在真實試驗開始之前，就對要進行的風洞試驗有深入的認識。
（2）實現三維虛擬環境下的產品虛擬展示與虛擬培訓。利用本系統在更真實的環境下展示產品，用戶可隨心所欲的控制產品展示的過程，了解產品性能。利用本系統還可對試驗設備操作人員進行虛擬系統培訓，以實現低成本、高效率地使操作人員快速掌握設備的使用和維護。
2.2 氣動院需要該系統的主要原因
1）開發本系統是氣動院提高試驗效率和提高勞動生產率的迫切需求。
目前，氣動院使用傳統的管理方法和技術手段提高試驗效率和勞動生產率的效果不明顯，潛力基本挖盡。必須轉變觀念，轉換思路，用新技術、新思路來提升效率。
虛擬現實、人機工程技術目前是驗證風洞試驗流程及試驗設備、模型人機工效的高效仿真的手段。該技術能夠在設計階段就檢查及評估出設備安裝、操作過程中的干涉錯誤、可達性、便捷性及人機效能等影響設備運行效率的性能參數。通過在風洞試驗方案策劃及試驗設備設計階段使用該技術，可以在風洞試驗實施階段較大幅度地提高設備安裝的可靠性，較少風洞設備安裝及更換狀態時間。
2）目前國內大型主機廠所均配備了虛擬現實系統，氣動院開發虛擬現實系統，可以更好的配合主機廠所的工作，更好的學習*技術。
3）開發本系統可以縮短風洞試驗相關新產品和新設備的研制周期，為氣動院節省大量時間和物力成本。
由于氣動院的增壓風洞是一座特種風洞，與常規風洞相比，由于需要增壓，存在著運行效率總體偏低的特性；并且由于設備及模型零部件尺寸重量很大，模型安裝難度較大，也存在著試驗準備時間較長的特點。
尤其是在未來FL-10投入使用后，大量大型試驗設備需要研制開發，大量的試驗準備工作和流程驗證工作都需要去實際組裝、試運行完成，耗費了大量時間，同時對人力、物力的也消耗也比較大。使用本套系統可以在虛擬環境進行大量的驗證工作，將極大地節省成本。
3 對國內外同類系統的評估
3.1 國外現狀
1）國外同類系統技術成熟、應用廣泛。
80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現實技術的廣泛關注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發了用于火星探測的虛擬環境視覺顯示器，將火星探測器發回的數據輸入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬環境。在隨后的虛擬交互環境工作站（VIEW）項目中，他們又開發了通用多傳感個人仿真器。
進入90年代，迅速發展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統相匹配，使得基于大型數據集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能；人機交互系統的設計不斷創新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現實系統的發展打下了良好的基礎。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現實系統成功地完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現實技術設計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作，尤其在波音787機型的研制中廣泛地使用了虛擬現實技術大大節約了研發時間?？梢钥闯觯且驗樘摂M現實系統極其廣泛的應用領域，如娛樂、軍事、航天、設計、生產制造、信息管理、商貿、建筑、醫療保險、危險及惡劣環境下的遠程操作、教育與培訓、信息可視化以及遠程通訊等，人們對迅速發展中的虛擬現實系統的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。
1999年，波音公司在西雅圖新建了JSF保障性虛擬現實實驗室。在這個實驗室，設計人員和維修人員可以在一種虛擬環境下，利用與飛機設計時采用的相同的三維建模數據對JSF的保障性進行試驗與評價。英國的BritishAerospace正在利用虛擬現實技術設計高級戰斗機座艙。在東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發了一種虛擬現實系統，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。德國利用虛擬現實技術改造傳統產業，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。
3.2 國內現狀
1）國內目前該項技術蓬勃發展，技術積累已達到相當程度，應用領域眾多。
當今國內工業已經發生了巨大的變化，大規模人海戰術早已不再適應工業的發展，*科學技術的應用顯現出巨大的威力，特別是虛擬現實技術的應用正對工業進行著一場革命。虛擬現實已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。
圖3-1 故宮博物院的虛擬現實系統示意圖
圖3-2 數字長江虛擬現實系統示意圖
2）國內大多主機廠所均配備有虛擬現實系統。
（1）成都飛機設計研究所虛擬顯示投影系統具體指標如下：
應用類型：樣機展示/體驗
投影方式：前投/背投
投影機類型：DLP投影機
立體技術：主動立體
屏幕特性：硬幕
顯示范圍：連續的觀看區域，較好觀察效果的觀眾數量3-5人
IG：PC Cluster
顯示通道數：4
單通道圖像分辨率：1280x1024_100Hz
3200mm3200mm2400mmCAVE尺寸：長X寬X 高
6.5m房間凈高度：
圖3-3 成都飛機設計研究院虛擬實現系統效果圖
（2）西安飛機設計研究院虛擬顯示投影系統具體指標如下：
應用類型：樣機展示/虛擬裝配
投影方式：背投三通道，后升級為6通道（2x3）
圖像尺寸：12米X2.8米，升級后為12米X4.6米
投影機類型：DLP光譜立體高清投影機
立體技術：Infitec立體
屏幕特性：背投軟幕
顯示范圍：連續的觀看區域，較好觀察效果的觀眾數量50人
IG：ImageVision PC集群
顯示通道數：3
單通道圖像分辨率：1920x1080
圖3-4西安飛機設計研究院虛擬實現系統效果圖
3.3 結論
目前，虛擬現實仿真技術日臻成熟，在國內外很多高科技企業和科研單位得到應用，并發揮了巨大的作用。虛擬現實仿真技術已經成為航空系統科研院所建設的必需技術，應用該項技術正當其時。
氣動院隊該項能力的建設將極大提高風洞試驗能力，同時將有利于國內主機廠所的型號試驗工作。
4 建設方案
根據項目中各子系統的功能深化，將產品虛擬展示與培訓系統重新定義為綜合仿真子系統，DELMIA可視化裝配仿真系統重新定義為虛擬裝配子系統，將產品虛擬展示與培訓系統和DELMIA可視化裝配仿真系統所需要硬件定義為立體顯示子系統。
序號 | 子系統 | 系統功能 | 軟硬件需求 |
1 | 綜合仿真子系統 | 1、虛擬漫游； | Unity3D、Ensight |
2、在漫游的過程中實現虛實結合 | |||
3、綜合數據顯示 | |||
2 | 虛擬裝配子系統 | 1、實現虛擬裝配的碰撞檢測； | delmia、techviz |
2、有虛擬人參與的虛擬裝配工作； | |||
3、模型裝配工藝的驗證； | |||
4、實現試驗設備自身的裝配工藝驗證； | |||
5、實現試驗設備和風洞的裝配工藝驗證； | |||
3 | 立體顯示子系統 | 1、三維立體顯示環境建立； | 三維投影儀、ART等 |
風洞試驗環境仿真系統中建立產品虛擬展示與培訓系統和DELMIA可視化裝配仿真系統需要從硬件系統和軟件系統兩個方向上進行考量，其中軟件系統主要有兩個平臺：
1. Unity3D這樣的虛擬現實軟件平臺，其本身支持立體多通道顯示和虛擬現實交互系統。可以直接輸出圖像到立體投影環境。
2. DELMIA等工業設計類軟件，其本身不支持多通道立體顯示和虛擬現實交互系統，需借助TechViz中間件，輸出圖像到立體投影環境。
綜合風洞試驗環境仿真系統的軟硬件需求，其總體架構如下圖所示。
圖4-1 系統總體架構
n 虛擬環境構建
建立一套可選配試驗設備及試驗目標的虛擬交互軟件系統，將CATIA建成的或其他單位提供的風洞試驗廠房、設備及試驗模型等數模導入Unity3d系統中，實現支持數據驅動的虛擬仿真環境。
圖4-2 虛擬環境構建示意圖
n 氣動院風洞試驗虛擬展示
通過調用自動展示腳本，不需人工介入的對廠房及車間布局、設備結構及工作原理進行三維立體展示，使參觀人員可以快速直觀的了解氣動院風洞試驗的情況和能力。
n 院區、風洞大廳、風洞虛擬漫游。
通過系統開發實現系統使用人員在虛擬場景中可交互的漫游，可以直觀的了解院區的構成、基本情況，試驗設備等信息。在漫游過程中，使用者可以和虛擬場景中設備進行交互，可以一邊漫游一邊了解設備的構成信息和如何使用等。
圖4-3 虛擬漫游效果示意圖
n 三維虛擬環境與現實試驗設備、目標、人員狀態同步，虛實結合。
1. 接收試驗設備傳輸的試驗目標實時位置及姿態信息，使三維環境中的虛擬目標狀態與現實世界同步；
2. 接收設備采集系統傳輸的設備狀態信息，使三維環境中的虛擬設備狀態與現實世界同步；
3. 接收人員采集系統傳輸的人員狀態信息，在三維環境中實時跟蹤標示出試驗廠房內人員位置；
4. 將CAE軟件計算的結果（CFD、PIV及有限元計算數據），通過EnSight后處理，轉換成圖形及動畫顯示，并融合至虛擬環境中，增加數據的洞察力。
圖4-4 CAE軟件后處理顯示示意圖
在虛擬環境中快速建立人體運動原型，并對設計的作業進行人體工程分析。包含操作可達性仿真、可維護性仿真、人體工學/安全性仿真等人體工學仿真功能。
圖4-5 人機工程裝配工藝規劃與驗證示意圖
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