賈小平，孫賢賢

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；3.青島民航凱亞系統(tǒng)集成有限公司，山東 青島 266108)

船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)的可視化仿真

賈小平1,2，孫賢賢3

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；3.青島民航凱亞系統(tǒng)集成有限公司，山東 青島 266108)

針對(duì)當(dāng)前船舶液壓系統(tǒng)科研和教學(xué)過程中傳統(tǒng)實(shí)物設(shè)備的封裝性、隱蔽性、抽象性不足等問題，提出并實(shí)現(xiàn)了一套模擬和再現(xiàn)液壓系統(tǒng)整體工作場(chǎng)景和液壓油流動(dòng)特性的可視化仿真系統(tǒng)。運(yùn)用紋理映射方法對(duì)管道內(nèi)液壓油的流體特性及形態(tài)進(jìn)行模擬；運(yùn)用數(shù)值方程對(duì)液壓系統(tǒng)工作機(jī)制和液壓油動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行模擬，成功地仿真了船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)的工作過程，為船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)的科學(xué)研究和教學(xué)訓(xùn)練提供了有效手段。

液壓系統(tǒng)；數(shù)值方法；紋理映射；流體；仿真

液壓系統(tǒng)以其執(zhí)行功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)可靠、換向沖擊小、能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速等突出優(yōu)點(diǎn)而普遍應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、船海工程等各個(gè)領(lǐng)域[1]。但由于液壓系統(tǒng)的特殊性，即液壓設(shè)備一般單獨(dú)封裝在固定的殼體或箱體中，其工作機(jī)制并不能直接顯現(xiàn)，液壓油在管路中的流動(dòng)方向及形態(tài)也無法直接觀察。然而，液壓系統(tǒng)教學(xué)訓(xùn)練以及液壓系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)和科學(xué)研究都需要液壓設(shè)備和流體的視覺再現(xiàn)，因此，有必要對(duì)液壓系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行可視化仿真。

陳學(xué)文等[2]研究了可視化仿真技術(shù)在太空模擬操作中的應(yīng)用，為航天員的培訓(xùn)提供了新思路；尹勇等[3]研究了可視化仿真技術(shù)在航海模擬器中的應(yīng)用，在船舶駕駛員培訓(xùn)方面做出了積極探索；Cheng T等利用可視化仿真技術(shù)開發(fā)了液壓虛擬漫游系統(tǒng)[4]，用以提高液壓理論的教學(xué)效果及縮短培訓(xùn)時(shí)間。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，與本文的工作最相近，但其開發(fā)的系統(tǒng)行業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，模型不完善且人機(jī)交互的操作真實(shí)性不夠充分。鑒于此，在分析船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用三維建模、虛擬漫游、紋理映射和數(shù)值仿真等方法，在保證系統(tǒng)運(yùn)行流暢的前提下精確模擬液壓系統(tǒng)中各個(gè)元件之間的關(guān)聯(lián)性和液壓油動(dòng)力學(xué)特性，并設(shè)計(jì)友好的人機(jī)接口。

1 液壓設(shè)備工作機(jī)制仿真

液壓設(shè)備工作機(jī)制仿真主要包括液壓泵、液壓馬達(dá)、各種液壓閥件及控制臺(tái)的工作原理及動(dòng)作過程仿真，其核心任務(wù)是設(shè)備內(nèi)各個(gè)零部件在接受到來自控制臺(tái)的操作指令后如何按照正確的速度和邏輯規(guī)律協(xié)調(diào)一致地運(yùn)動(dòng)并與管路中的液壓油模型交互。對(duì)于具有簡(jiǎn)單線性運(yùn)動(dòng)特征的零部件，利用線性插值模型；對(duì)于具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的零部件則采用非線性微分模型。

線性插值模型算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，對(duì)于模擬那些線性運(yùn)動(dòng)的液壓部件非常有效[5]，假設(shè)已知某運(yùn)動(dòng)零件的起始坐標(biāo)(X1,Y1,Z1)與終止坐標(biāo)(X2,Y2,Z2)，已知區(qū)間內(nèi)某點(diǎn)X坐標(biāo)，要得到該點(diǎn)的Y、Z坐標(biāo)，則有：

(1)

圖1 控制臺(tái)手柄傾角與液壓泵斜盤傾角關(guān)聯(lián)性展示

非線性微分模型適用于模擬復(fù)雜運(yùn)動(dòng)部件及分析暫態(tài)過程，理論上可用以時(shí)間t為自變量的微分方程描述液壓系統(tǒng)中任意零部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[7]，通過求解微分方程就可得到液壓部件在任意時(shí)刻的速度、角速度、位置和姿態(tài)，具體步驟如下。

首先找出系統(tǒng)中待描述的變量x，t為變化時(shí)間，n和k均為階次：

(2)

仿真系統(tǒng)中取n=3，則方程(2)變成阿貝爾方程[8]:

(3)

利用變量代換的方法，設(shè)定a0(t),an(t)是在區(qū)間I上的連續(xù)函數(shù)，存在常數(shù)λ使得下面兩個(gè)條件成立：

(4)

(5)

(7)

那么液壓系統(tǒng)中變量x與時(shí)間t的關(guān)系就能通過式(7)得出，然后運(yùn)用C#腳本編程實(shí)現(xiàn)液壓設(shè)備工作機(jī)制仿真功能。利用上述方法開發(fā)完成的部分液壓設(shè)備仿真結(jié)果見圖2。

圖2 液壓馬達(dá)及液壓閥件仿真模型

2 液壓油流態(tài)仿真

2.1 紋理映射

采用Shader編程紋理映射動(dòng)畫的方法來對(duì)管道內(nèi)液壓油的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行仿真模擬[9]。為了使油液表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的變化，在系統(tǒng)中建立液壓油管路模型u，選取液壓油紋理f，其中a和b為紋理的平面坐標(biāo)，那么在三維坐標(biāo)(x,y,z)中就有:

(8)

然后對(duì)油液的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，建立起運(yùn)動(dòng)方程，使液壓油沿管路軸線方向移動(dòng)，則有：

(9)

在液壓油管路仿真過程中，著色器的屬性可通過ShaderLab語言修改[10]。更改Main Color可以改變管路主體的顏色，同時(shí)可通過選擇貼圖設(shè)置紋理效果。參數(shù)_MoveSpeedX可以設(shè)置貼圖紋理圍繞管路中心軸旋轉(zhuǎn)速度，參數(shù)_MoveSpeedY可以設(shè)置貼圖紋理沿管路長(zhǎng)度方向的移動(dòng)速度。主要的代碼如下。

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {

IN.uv_MainTex.x+=frac(_MoveSpeedX*_Time.x);

IN.uv_MainTex.y+=frac(_MoveSpeedY*_Time.x);

fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;

o.Albedo = c.rgb;

o.Alpha = c.a;}

采用以上紋理映射方法能夠形象地表現(xiàn)液壓油在管路中涌動(dòng)的視覺效果，見圖3。結(jié)合實(shí)際需要，在仿真系統(tǒng)中，采用不同的顏色來區(qū)分不同功能的管路，比如高壓油路用紅色，低壓油路用綠色，控制油路用藍(lán)色，補(bǔ)油回路用紫色，等等，這樣很容易觀察整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作機(jī)制，便于科研教學(xué)中的原理展示。

圖3 液壓油在管路中流動(dòng)的效果

2.2 數(shù)值建模

為了更加精確地研究和模擬液壓油的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，尤其是模擬液壓油粘溫物理特性以及管路交匯處的流動(dòng)特性[11]，引入基于SPH(smoothed particle hydrodynamics)的拉格朗日法對(duì)液壓油進(jìn)行可視化仿真分析，首先建立流體粒子的運(yùn)動(dòng)方程為

(10)

然后根據(jù)流體粒子狀態(tài)量受相鄰粒子的影響建立受力模型：

(11)

根據(jù)以上模型，再結(jié)合具體的參數(shù)就可以求解出管路中液壓油的流動(dòng)狀態(tài)。這種物理方法能夠?qū)⒘黧w的無理特性很好地展示出來，利用上述方法建模完成的起升系統(tǒng)液壓管系見圖4。

3 結(jié)論

1)采用紋理映射和貼圖動(dòng)畫模擬管路中液壓油流動(dòng)形態(tài)，可滿足模擬過程的逼真性和實(shí)時(shí)性要求；采用數(shù)值方法模擬液壓系統(tǒng)中各個(gè)元件的相對(duì)關(guān)系和液壓油動(dòng)力學(xué)特性，可滿足模擬過程的準(zhǔn)確性要求，本方案能夠在速度和精度之間取得較好平衡。

2)殼體半透明處理有效克服了傳統(tǒng)實(shí)體液壓設(shè)備的密封性、隱蔽性等不足，可對(duì)設(shè)備和閥件內(nèi)部零部件的動(dòng)作情況進(jìn)行更透徹、更直觀的三維展示。

3)與已有液壓仿真系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)針對(duì)性更強(qiáng)，數(shù)學(xué)模型和三維模型更全面，人機(jī)交互功能更好，用戶可在三維場(chǎng)景中以第一人稱視角隨意漫游，同時(shí)通過虛擬操控臺(tái)手柄發(fā)送指令并與仿真模型互動(dòng)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有較好的真實(shí)感和準(zhǔn)確性，為教學(xué)培訓(xùn)以及更加深入地研究船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)提供了有效的方法和手段。

4)雖采用數(shù)值方法對(duì)液壓油進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，但為了降低計(jì)算量和系統(tǒng)資源消耗，并沒有考慮更復(fù)雜的流體現(xiàn)象，比如漩渦。進(jìn)一步的研究目標(biāo)是開發(fā)效率更高、精度更好、功能更全面的繪制算法和粒子模型。

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Research on Visual Simulation of Marine Crane Hydraulic System

JIA Xiao-ping1,2, SUN Xian-xian3

(1 School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2 Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China;3 Qingdao Civil Aviation Cares Co. Ltd., Qingdao Shandong 266108, China)

Aiming at the encapsulation, concealment and abstract problems of traditional marine hydraulic equipment during research and teaching, a visual simulation system is proposed and implemented to emulate the entire hydraulic system working procedure and hydraulic oil flow characteristic. The texture mapping method is used to simulate appearance of hydraulic oil in pipe. Numerical equations are used to simulate hydraulic component working mechanism and hydraulic oil dynamics to simulate successfully the working process of the marine crane hydraulic system, providing a new effective approach for scientific research and training of marine crane hydraulic system.

hydraulic system; numerical method; texture mapping; fluid; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.018

2015-09-18

山東省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(J15LN71)；山東省高等學(xué)校青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪學(xué)項(xiàng)目(2015411)

賈小平(1980-)，男，碩士，講師

TP391.9；U664.4

A

1671-7953(2015)06-0078-04

修回日期：2015-10-08

研究方向:船舶設(shè)備及系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真

E-mail: ne219@163.com