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更新时间：2024-11-17
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风洞试验环境仿真系统
1 技术性能
1.1 规格
系统的主要作用如下：
本系统主要用于风洞试验相关的风洞、试验设备以及风洞试验模型等三维数模和三维场景的建立，并能够在真实感较强的三维环境中模拟设备的安装使用情况，以及实现风洞试验环境的虚拟漫游等功能。利用上述构建和应用上述风洞试验设备设计与安装使用的过程仿真环境，通过仿真分析优化试验，可以达到减少设计失误，提高试验效率的目的。
主要由以下部分组成：
1）三维数字化建模系统；
2）DELMIA可视化装配仿真系统；
3）产品虚拟展示与培训系统。
主要实现的功能如下：
1）实现3D环境下风洞试验设备与型号飞机模型等设备的协同设计；
2）实现3D环境下可交互的虚拟装配，直观地验证试验设备与飞机模型等设备的的可装配性和人机性能；
3）实现风洞试验环境的虚拟漫游；
4）实现3D环境下的产品虚拟展示与虚拟培训；
主要技术规格如下：
1) 三维数字化建模系统：
（1）2套惠普Z840图形工作站，包括显示器等外设（本仿真系统图形工作站共4台，此处使用2台）。
2) DELMIA可视化装配仿真系统：
（1）Delmia系列软件包含AP2，DBG-A等模块；
（2）Ensight VR软件；
（3）4台惠普Z840图形工作站计算机集群；
（4）主动立体CADWall由6100mm（宽）×2500mm（高）的高清背投屏幕和两台投影仪等组成；
（5）5.1声道立体声音响系统。
3）产品虚拟展示与培训系统：
（1）综合仿真子系统一套；
（2）硬件系统与DELMIA可视化装配仿真系统共用一套。
1.2 *性和特色
1.2.1*性
采用国际上主流的虚拟环境开发软件系统以及国际主流的虚拟环境建设硬件，构建风洞试验设备设计与安装使用的过程仿真环境，通过仿真分析优化试验流程，提高试验效率；
1.2.2特色
风洞试验环境仿真系统在研制时要考虑以下要求：
l 系统具有良好的沉浸性和可交互性，提高现实感，激发用户的想象。
l 系统开发效率高，节省系统开发时间
l 性能可靠
l 能够验证试验设备的可装配性和人机性能
l 有效地进行试验设备和型号模型的协同设计
l 实现风洞试验环境的虚拟漫游
l 系统易于运行维护
l 系统软硬件环境具有较高的*性，体现虚拟现实领域的最好技术水平
2 系统的应用
2.1 系统应用对象和设计目标
2.1.1未来使用风洞试验环境仿真系统的主要对象
1）中航工业气动院；
2）国内主机厂所；
3）各大院校及科研单位；
4）其他单位；
2.1.2风洞试验环境仿真系统的建设目标
采用国际上主流的虚拟环境开发软件系统以及国际主流的虚拟环境建设硬件，构建风洞试验设备设计与安装使用的过程仿真环境，通过仿真分析优化试验流程，减少设计制造失误，提高风洞试验效率；
1）建立三维数字化建模系统。实现三维虚拟环境下风洞试验设备与型号模型等设备的协同设计。
利用本系统的软硬件条件可实现风洞试验相关的风洞设备、天平、型号飞机模型、模型支撑机构等设备的三维模型构建，实现试验设备与型号模型的协同设计。
在本系统的具体开发中，将以中航工业气动院FL-10风洞为蓝本，建立风洞厂房和试验设备的全套数字模型。
2）建立DELMIA可视化装配仿真系统。实现三维虚拟环境下可交互的虚拟装配，直观地验证试验设备与飞机模拟等设备的可装配性和人机性能。
本仿真系统利用国际软件DELMIA可视化装配仿真系统，研发专门为装配仿真开发和建立装配文档而设计的3D交互式图形仿真工具，可以用来动态仿真复杂的装配体装拆工艺过程。通过在虚拟制造环境中对3D数字产品的操作，实现了对装配过程的可视化检验及工艺指令生成。这样，在风洞试验准备阶段，就可以直接利用型号单位提供的三维模型与试验装置预装配，检查运动干涉，减少风洞的占用时间，缩短试验设备的研制周期、缩短风洞试验的辅助时间，提高试验设备的研发效率。
在建立的FL-10风洞厂房和设备数模的基础上，实现以下目标：
（1）通过直观演示试验流程，可提前检验及评估试验方案的合理性并指导操作人员工作。可以有效地节约人员培训时间，节省试验费用。
（2）对风洞模型及试验设备进行虚拟装配及人机工效评估。不但可以验证设计方案的正确性，避免可能出现的干涉和其它不合理问题，而且可以评估模型装配及更换状态的效率及人机工效。通过选择最佳装配方案达到提高装配效率，缩短模型准备时间的目的。
（3）使客户在设计阶段了解产品成形后的效果，在试验前了解试验过程是否如其所想，使客户能动态、逼真、实时的对产品和试验进行评估。
3）建立产品虚拟展示与培训系统
（1）实现风洞试验环境的虚拟漫游。建立满足3I（沉浸、交互、想象）要求的真实的虚拟环境，使用户能在远程了解风洞试验室的环境和试验能力，使用户在真实试验开始之前，就对要进行的风洞试验有深入的认识。
（2）实现三维虚拟环境下的产品虚拟展示与虚拟培训。利用本系统在更真实的环境下展示产品，用户可随心所欲的控制产品展示的过程，了解产品性能。利用本系统还可对试验设备操作人员进行虚拟系统培训，以实现低成本、高效率地使操作人员快速掌握设备的使用和维护。
2.2 气动院需要该系统的主要原因
1）开发本系统是气动院提高试验效率和提高劳动生产率的迫切需求。
目前，气动院使用传统的管理方法和技术手段提高试验效率和劳动生产率的效果不明显，潜力基本挖尽。必须转变观念，转换思路，用新技术、新思路来提升效率。
虚拟现实、人机工程技术目前是验证风洞试验流程及试验设备、模型人机工效的高效仿真的手段。该技术能够在设计阶段就检查及评估出设备安装、操作过程中的干涉错误、可达性、便捷性及人机效能等影响设备运行效率的性能参数。通过在风洞试验方案策划及试验设备设计阶段使用该技术，可以在风洞试验实施阶段较大幅度地提高设备安装的可靠性，较少风洞设备安装及更换状态时间。
2）目前国内大型主机厂所均配备了虚拟现实系统，气动院开发虚拟现实系统，可以更好的配合主机厂所的工作，更好的学习*技术。
3）开发本系统可以缩短风洞试验相关新产品和新设备的研制周期，为气动院节省大量时间和物力成本。
由于气动院的增压风洞是一座特种风洞，与常规风洞相比，由于需要增压，存在着运行效率总体偏低的特性；并且由于设备及模型零部件尺寸重量很大，模型安装难度较大，也存在着试验准备时间较长的特点。
尤其是在未来FL-10投入使用后，大量大型试验设备需要研制开发，大量的试验准备工作和流程验证工作都需要去实际组装、试运行完成，耗费了大量时间，同时对人力、物力的也消耗也比较大。使用本套系统可以在虚拟环境进行大量的验证工作，将极大地节省成本。
3 对国内外同类系统的评估
3.1 国外现状
1）国外同类系统技术成熟、应用广泛。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器。
进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作，尤其在波音787机型的研制中广泛地使用了虚拟现实技术大大节约了研发时间。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的远程操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。
1999年，波音公司在西雅图新建了JSF保障性虚拟现实实验室。在这个实验室，设计人员和维修人员可以在一种虚拟环境下，利用与飞机设计时采用的相同的三维建模数据对JSF的保障性进行试验与评价。英国的BritishAerospace正在利用虚拟现实技术设计高级战斗机座舱。在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型。德国利用虚拟现实技术改造传统产业，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。
3.2 国内现状
1）国内目前该项技术蓬勃发展，技术积累已达到相当程度，应用领域众多。
当今国内工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，*科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。
图3-1 故宫博物院的虚拟现实系统示意图
图3-2 数字长江虚拟现实系统示意图
2）国内大多主机厂所均配备有虚拟现实系统。
（1）成都飞机设计研究所虚拟显示投影系统具体指标如下：
应用类型：样机展示/体验
投影方式：前投/背投
投影机类型：DLP投影机
立体技术：主动立体
屏幕特性：硬幕
显示范围：连续的观看区域，较好观察效果的观众数量3-5人
IG：PC Cluster
显示通道数：4
单通道图像分辨率：1280x1024_100Hz
3200mm3200mm2400mmCAVE尺寸：长X宽X 高
6.5m房间净高度：
图3-3 成都飞机设计研究院虚拟实现系统效果图
（2）西安飞机设计研究院虚拟显示投影系统具体指标如下：
应用类型：样机展示/虚拟装配
投影方式：背投三通道，后升级为6通道（2x3）
图像尺寸：12米X2.8米，升级后为12米X4.6米
投影机类型：DLP光谱立体高清投影机
立体技术：Infitec立体
屏幕特性：背投软幕
显示范围：连续的观看区域，较好观察效果的观众数量50人
IG：ImageVision PC集群
显示通道数：3
单通道图像分辨率：1920x1080
图3-4西安飞机设计研究院虚拟实现系统效果图
3.3 结论
目前，虚拟现实仿真技术日臻成熟，在国内外很多高科技企业和科研单位得到应用，并发挥了巨大的作用。虚拟现实仿真技术已经成为航空系统科研院所建设的必需技术，应用该项技术正当其时。
气动院队该项能力的建设将极大提高风洞试验能力，同时将有利于国内主机厂所的型号试验工作。
4 建设方案
根据项目中各子系统的功能深化，将产品虚拟展示与培训系统重新定义为综合仿真子系统，DELMIA可视化装配仿真系统重新定义为虚拟装配子系统，将产品虚拟展示与培训系统和DELMIA可视化装配仿真系统所需要硬件定义为立体显示子系统。
序号 | 子系统 | 系统功能 | 软硬件需求 |
1 | 综合仿真子系统 | 1、虚拟漫游； | Unity3D、Ensight |
2、在漫游的过程中实现虚实结合 | |||
3、综合数据显示 | |||
2 | 虚拟装配子系统 | 1、实现虚拟装配的碰撞检测； | delmia、techviz |
2、有虚拟人参与的虚拟装配工作； | |||
3、模型装配工艺的验证； | |||
4、实现试验设备自身的装配工艺验证； | |||
5、实现试验设备和风洞的装配工艺验证； | |||
3 | 立体显示子系统 | 1、三维立体显示环境建立； | 三维投影仪、ART等 |
风洞试验环境仿真系统中建立产品虚拟展示与培训系统和DELMIA可视化装配仿真系统需要从硬件系统和软件系统两个方向上进行考量，其中软件系统主要有两个平台：
1. Unity3D这样的虚拟现实软件平台，其本身支持立体多通道显示和虚拟现实交互系统。可以直接输出图像到立体投影环境。
2. DELMIA等工业设计类软件，其本身不支持多通道立体显示和虚拟现实交互系统，需借助TechViz中间件，输出图像到立体投影环境。
综合风洞试验环境仿真系统的软硬件需求，其总体架构如下图所示。
图4-1 系统总体架构
n 虚拟环境构建
建立一套可选配试验设备及试验目标的虚拟交互软件系统，将CATIA建成的或其他单位提供的风洞试验厂房、设备及试验模型等数模导入Unity3d系统中，实现支持数据驱动的虚拟仿真环境。
图4-2 虚拟环境构建示意图
n 气动院风洞试验虚拟展示
通过调用自动展示脚本，不需人工介入的对厂房及车间布局、设备结构及工作原理进行三维立体展示，使参观人员可以快速直观的了解气动院风洞试验的情况和能力。
n 院区、风洞大厅、风洞虚拟漫游。
通过系统开发实现系统使用人员在虚拟场景中可交互的漫游，可以直观的了解院区的构成、基本情况，试验设备等信息。在漫游过程中，使用者可以和虚拟场景中设备进行交互，可以一边漫游一边了解设备的构成信息和如何使用等。
图4-3 虚拟漫游效果示意图
n 三维虚拟环境与现实试验设备、目标、人员状态同步，虚实结合。
1. 接收试验设备传输的试验目标实时位置及姿态信息，使三维环境中的虚拟目标状态与现实世界同步；
2. 接收设备采集系统传输的设备状态信息，使三维环境中的虚拟设备状态与现实世界同步；
3. 接收人员采集系统传输的人员状态信息，在三维环境中实时跟踪标示出试验厂房内人员位置；
4. 将CAE软件计算的结果（CFD、PIV及有限元计算数据），通过EnSight后处理，转换成图形及动画显示，并融合至虚拟环境中，增加数据的洞察力。
图4-4 CAE软件后处理显示示意图
在虚拟环境中快速建立人体运动原型，并对设计的作业进行人体工程分析。包含操作可达性仿真、可维护性仿真、人体工学/安全性仿真等人体工学仿真功能。
图4-5 人机工程装配工艺规划与验证示意图
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