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船舶设计中虚拟现实技术综述
2010年8月2日    评论:    分享:

    来源:第三维度 

     作者:蒋 革 宗晓晓

 

    摘 要 结合船舶CAD 和虚拟设计技术的研究现状,分析和研究了船舶虚拟设计技术的特性、方法、机理和重要意义,为在船舶工程领域全面实现三维设计和虚拟设计作理论和技术上的探讨。

 

    0  引言

 

    船舶CAD 发展至今,在结构参数化设计、舱容计算、舱室优化布置、船型生成等方面的研究取得了一定成绩。面对新型船舶的海量数据信息和复杂布置,传统的CAD 方法无法从真正意义上支持设计全过程。如何更为有效地进行船舶设计,是当前船舶CAD 领域值得研究的课题。

 

    虚拟现实技术是一项全新的人机交互技术,它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊的环境,用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互,从而可以使产品设计与开发各环节表现得更为逼真。

 

    虚拟设计技术则是一项以虚拟现实技术为基础,以优化产品的性能、成本为目标,面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评价的应用技术。在船舶设计领域,虚拟设计可涵盖建造、维护、设备使用、客户需求等传统设计方法无法实现的领域,真正实现产品的全寿期服务。

 

    目前,我国在船舶虚拟设计领域的研究还处于起步阶段,再加上船舶设计的综合性和复杂性,所以要完成一个通用的船舶虚拟设计系统还相当困难。

 

    只有对船舶虚拟设计的理论、方法和特点进行深入细致的研究,才能为最终实现真正意义上的船舶虚拟设计打下基础。

 

    1  虚拟设计技术的特点

 

    虚拟设计技术集许多技术于一身。它充分利用了模拟仿真技术,但它又不同于一般的仿真技术,具有虚拟现实的特性,如自主性、交互性、沉浸性;充分利用了现有CAD 系统的功能,但又不同于一般的CAD 系统,比现有的CAD 系统具有更强的人机交互能力。因此,从某种意义上来说,虚拟设计是利用虚拟现实技术在计算机辅助设计的基础上发展而来的一种手段,它可以在设计的某些阶段来帮助设计人员进行开发工作。利用此项技术,可以大大地减少实物模型和样机的制造,从而减少产品的开发成本,缩短开发周期。例如,空中客车公司在设计某种型号的飞机驾驶舱时,就利用虚拟现实技术,请有经验的老飞行员进行模拟操作,以便使驾驶舱的仪表布置更为合理、空间利用更为恰当。美国也曾利用该技术进行人类基因DNA 分析研究,利用该项技术进行物质分子结构排列组合,以合成高性能新材料。

 

    不少大公司都已在他们的产品开发中采用了这项先进技术,如通用汽车公司、波音公司、福特汽车公司等。

 

    实践证明,虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面具有特别重要的意义。

 

    1. 1  虚拟概念设计

 

    即开发所谓的VR2CAD 系统,以允许设计者利用VR 工具直观方便地创建、修改和操纵三维CAD模型。这方面代表性的工作有:

 

     Sachs 等基于一对三维跟踪设备开发的用于设计自由曲面的工具;

 

     Liang 等设计开发的一个具有高交互性的三维造型系统;

 

     Fa 等提出的基于直接三维操作和约束的交互式实体造型方法;

 

     Dani 等建立的在虚拟环境下面向概念设计的三维形状设计系统COVIRDS;

 

     Tri2ka 等建立的基于特征的虚拟CAD 系统;

 

     Stork 等提出的“基于拓扑上下文的修改”方法。

 

    1. 2  虚拟装配设计

 

    虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现,它和CAD 技术相结合,可以解决设计与装配的对象在研制过程中难以实现的动态性能。虚拟装配技术可大幅度降低设计与制造的成本,提高生产效率。如美国的波音777 飞机的设计,就是一个完全没有图纸而利用虚拟技术将300 多万个零件装配起来的典型应用范例。

 

    1. 3  虚拟人机工程学设计

 

    从社会对产品规格多样化日益增长的需求来看,取而代之的将是小批量多规格的生产,由于需要在同一条生产线上装配不同规格的产品,因此对设计制造技术的灵活性提出了很高的要求。虚拟人机工程学设计为解决这一难题提供了很好的帮助。英国航空实验室的研究人员开发了一个虚拟人机工程学评价系统,该系统由SGI 工作站、三维音响系统、数据手套、头盔式显示器组成,系统还为用户提供了一个真实的轿车座舱。设计人员采用CAD 系统建立了一辆Rover400 型轿车的驾驶室模型,经过一定的转换后将这个驾驶模型引入这个虚拟人机工程学评价系统。借助这个系统,设计人员可以精确分析轿车内部的人机工程学参数,并且必要时可以修改虚拟部件的部署,重新进行内部结构设计。

 

    虚拟设计技术是先进的交互技术(虚拟现实环境等) 和网络技术在传统设计方法中应用的产物。应用虚拟现实交互技术和虚拟制造技术可在产品生产出来之前,对其性能、可制造性、可装配性和设计的合理性等进行测试和评估,以提高设计过程的直观性、效率和准确性。它是未来CAD 的发展方向,在船舶设计中具有重要的现实意义。

 

 

    2  船舶虚拟设计研究现状

 

    随着VR 技术的兴起,90 年代初期,Jons 等人便对VR 技术在船舶设计中应用的一些原则性问题进行了探讨。对于新兴的并行工程CE 在船舶设计中的应用,Beneett Lamb 等人也做了大量的开创性研究。除此之外,早期的船舶成组技术GT、船舶模块化技术以及人工智能技术等应用研究,也为船舶虚拟设计技术的发展提供了帮助。

 

    近年来,英、美等国家对虚拟现实技术在军船总体设计中的应用开展了广泛的研究。1992 年秋,美国国防部高级研究计划署开展了新一代船舶设计方法的研究,并以公开招标的形式,希望有关公司、企业和机构能联合开发一种集虚拟样机技术(VirtualPrototyping Technology) 和仿真技术( Simulation Tech2nology) ,兼顾船舶设计、制造、生命周期维护等各项过程的新一代船舶设计系统,即基于虚拟仿真的船舶设计方法(Virtual Simulation Based Ship Design , VS2BSD) 。它以虚拟船舶为设计目标,面向船舶建造、维护、设备使用以及客户需求等全船生命周期,以消除后续设计阶段中潜在的弊端。目前美国海军已成功地将虚拟设计技术应用于船舶空间布置效验、维修空间检测、作战能力分析和实战模拟等方面,并缩短了设计周期和设计成本,提高了设计质量。随着参与研究机构的不断扩大和新的设计思想的不断引入,船舶设计方法不断完善,同时呈现出越来越明确的应用前景。

 

    我国在船舶虚拟设计领域的研究和开发主要是在原有的CAD/ CAM/ CAE 和仿真技术等基础上进行的,在几何建模、智能化在船舶CAD 的应用等方面取得了一定的成绩,但在设计环境、工艺规程等方面还有待于进一步的研究。

 

    3  船舶虚拟设计的特性

 

    船舶虚拟设计的实质是设计人员在虚拟世界中进行船舶产品设计,船东、设计、生产等部门可及早看到新建船舶的外形和结构,以便从各自角度观察和评价所设计的产品。而且由于设计出来的场景模型并非马上就可以投入生产,因为这中间还涉及到工艺问题,如船厂的工艺水平、施工的可行性等,因此实施船舶虚拟设计还可指导产品生产,如施工要领等。对于构件(设备) 的位置、朝向、角度等安装信息,完全可以在虚拟环境中预演一遍,这样就可大大提高施工速度,降低施工难度,减少返工,从而缩短造船周期。此外,还可实现人机交互,如监测设计结果、直接参与操作模拟、移动构建(设备) ,及早发现船舶布置中结构空间的干涉及运动机构的碰撞。

 

 

    实时漫游技术还可以让用户尽早领略新建船舶的风采,能较方便地对产品结构方案进行查询和浏览,并能亲身体验其结构布置和产品性能,让用户有身临其境的感觉。

 

    这样一来,加强了客户和设计方的信息交流,从根本上提高了设计过程的直观性和准确性,降低了设计风险和设计成本,提高了市场生存能力。事实上,船舶虚拟设计技术的出现,是网络计算机技术和大型数据库技术在造船业中应用的必然产物。要成功开发船舶虚拟设计系统,必然涉及以下技术:

 

     1 虚拟现实技术;

 

     2 高性能并行计算机技术;

 

     3 超大型复杂数据库技术;

 

     4 最优化技术;

 

     5 复杂数据可视化技术;

 

     6 人工智能技术;

 

     7 并行技术;

 

     8 高性能网络技术。

 

    由此可见,船舶设计系统的涵盖面在扩大,高科技成分的渗入已经成为船舶这一传统重工业进一步变革的助动剂。由于船舶虚拟设计以虚拟现实技术法无法实现的优良特性。大的方面,可以实现船舶的整体设计贯穿,虚拟船厂模拟。小的方面,可以完成构件的功能有效性测试,实体间的干涉检查,船舶空间的人流路径设计。此外,由于船舶虚拟设计始终以可制造为目标,因此在船舶虚拟设计系统中可以单独讨论构件(设备) 的可制造性,而且由于船舶虚拟设计以船舶生命周期为最终目标,在船舶虚拟设计中也可以讨论船舶构件(设备) 的可维护性。因此,从根本上说,船舶虚拟设计是对传统设计方法的改进和突破。

 

    它应具有以下特性:

 

     1 着眼于船舶全生命周期( Total Life Cycle) 的设计,

 

     2 更加无缝的设计过程(Seamless Design Process) ,

 

     3 加强了设计过程中客户(船东) 和分包商的并行参与,

 

     4 是一种建造驱动的设计方法,

 

    5 是一种经济的设计方法。

 

    目前,船舶虚拟设计系统还处于实验研究阶段,要想达到实际应用还有很多障碍。

 

    1 从船舶虚拟设计系统中所使用的操作媒体来看,虚拟现实技术还有许多不完善的地方,对于基于物理层的仿真,人们还有待于进一步研究,以便将真实世界的船舶实体的物理特性完整地映射到计算机系统中。

 

  2 由于船舶虚拟设计系统大量使用图形化的交流数据,因此当计算机处理图形对象成几何级数增长的时候,现在的计算机图形处理能力将可能无法满足我们想实现的VR 下的合成环境要求。

 

    3 船舶虚拟设计系统所依赖的大规格、面向对象的数据库技术并非如人们在具备小规格设计实验中所表现的那样有效,因此现有数据库的处理手段必须大大提高。

 

    4 船舶虚拟设计系统所要求的硬件和软件水平很高,目前还没有哪一个船厂和设计机构能够在短期内完成这样一项具有革命性的设备改造工程。

 

    总之,船舶虚拟设计是一种大而统的设计方法,它以虚拟船舶为设计目标,将船舶设计的触角延伸到建造、维护、设备使用效果以及客户需求等传统设计方法无法达到的领域。其目的是消除传统船舶设计中存在的可能在船舶生命周期中后期环节暴露的设计弊端,将建造过程简化为简单的构件组合,加强用户间的信息交流,加强人机交互,由此提高设计产品成功率,降低耗费,提高船舶产品的生命竞争力。

 

    作者介绍:

 

    蒋革现工作于浙江工业大学,讲师,硕士研究生,

 

    宗晓晓现工作于浙江工业大学。

 

    参考文献

 

    1  汪成为,高仁,王行仁. 灵幻(虚拟现实) 技术的理论、实现及应用. 北京:清华大学出版社,1996

 

    2  周瑜,谭家华. 基于仿真的船舶设计方法. 造船技术,2000 (2)

 

    3  Ron Kramer. Virtual National Ship Simulation Supporting SG - 21 De 2sign. Naval Engineering Journal ,1997 (5)

 

    4  Dag Runar Elvekrok. Concurrent Engineering in Ship Design. Journal of Ship Product , 1997 (4)

 

    5  陈宾康,董元胜. 计算机辅助船舶设计. 北京:国防工业出版社

 

    6  韩伟力,董金祥. 面向个性化服务的虚拟设计系统. 计算机集成制造系统,2001 (12)

标签:船舶虚拟设计虚拟装配虚拟制造
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