表1 風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)
1 技術(shù)性能
表3 1.1 規(guī)格
表4 系統(tǒng)的主要作用如下：
表5 本系統(tǒng)主要用于風洞試驗相關(guān)的風洞、試驗設備以及風洞試驗模型等三維數(shù)模和三維場景的建立，并能夠在真實感較強的三維環(huán)境中模擬設備的安裝使用情況，以及實現(xiàn)風洞試驗環(huán)境的虛擬漫游等功能。利用上述構(gòu)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(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗，可以達到減少設計失誤，提高試驗效率的目的。
表6 主要由以下部分組成：
表7 1）三維數(shù)字化建模系統(tǒng)；
表8 2）DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)；
表9 3）產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)。
表10 主要實現(xiàn)的功能如下：
表11 1）實現(xiàn)3D環(huán)境下風洞試驗設備與型號飛機模型等設備的協(xié)同設計；
表12 2）實現(xiàn)3D環(huán)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；
表13 3）實現(xiàn)風洞試驗環(huán)境的虛擬漫游；
表14 4）實現(xiàn)3D環(huán)境下的產(chǎn)品虛擬展示與虛擬培訓；
表15 主要技術(shù)規(guī)格如下：
1) 三維數(shù)字化建模系統(tǒng)：
表16 （1）2套惠普Z840圖形工作站，包括顯示器等外設（本仿真系統(tǒng)圖形工作站共4臺，此處使用2臺）。
表17 2) DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)：
表18 （1）Delmia系列軟件包含AP2，DBG-A等模塊；
表19 （2）Ensight VR軟件；
表20 （3）4臺惠普Z840圖形工作站計算機集群；
表21 （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；
表22 （5）5.1聲道立體聲音響系統(tǒng)。
表23 3）產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)：
表24 （1）綜合仿真子系統(tǒng)一套；
表25 （2）硬件系統(tǒng)與DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)共用一套。
表26 1.2 *性和特色
表27 1.2.1*性
表28 采用國際上主流的虛擬環(huán)境開發(fā)軟件系統(tǒng)以及國際主流的虛擬環(huán)境建設硬件，構(gòu)建風洞試驗設備設計與安裝使用的過程仿真環(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗流程，提高試驗效率；
表29 1.2.2特色
表30 風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)在研制時要考慮以下要求：
l 系統(tǒng)具有良好的沉浸性和可交互性，提高現(xiàn)實感，激發(fā)用戶的想象。
l 系統(tǒng)開發(fā)效率高，節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)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(xié)同設計
l 實現(xiàn)風洞試驗環(huán)境的虛擬漫游
l 系統(tǒng)易于運行維護
l 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境具有較高的*性，體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的最好技術(shù)水平
2 系統(tǒng)的應用
表31 2.1 系統(tǒng)應用對象和設計目標
表32 2.1.1未來使用風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的主要對象
表33 1）中航工業(yè)氣動院；
表34 2）國內(nèi)主機廠所；
表35 3）各大院校及科研單位；
表36 4）其他單位；
表37 2.1.2風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的建設目標
表38 采用國際上主流的虛擬環(huán)境開發(fā)軟件系統(tǒng)以及國際主流的虛擬環(huán)境建設硬件，構(gòu)建風洞試驗設備設計與安裝使用的過程仿真環(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗流程，減少設計制造失誤，提高風洞試驗效率；
表39 1）建立三維數(shù)字化建模系統(tǒng)。實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下風洞試驗設備與型號模型等設備的協(xié)同設計。
表40 利用本系統(tǒng)的軟硬件條件可實現(xiàn)風洞試驗相關(guān)的風洞設備、天平、型號飛機模型、模型支撐機構(gòu)等設備的三維模型構(gòu)建，實現(xiàn)試驗設備與型號模型的協(xié)同設計。
表41 在本系統(tǒng)的具體開發(fā)中，將以中航工業(yè)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(shù)字模型。
表42 2）建立DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)。實現(xiàn)三維虛擬環(huán)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。
表43 本仿真系統(tǒng)利用國際軟件DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)，研發(fā)專門為裝配仿真開發(fā)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(tài)仿真復雜的裝配體裝拆工藝過程。通過在虛擬制造環(huán)境中對3D數(shù)字產(chǎn)品的操作，實現(xiàn)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(fā)效率。
表44 在建立的FL-10風洞廠房和設備數(shù)模的基礎上，實現(xiàn)以下目標：
表45 （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?？梢杂行У毓?jié)約人員培訓時間，節(jié)省試驗費用。
表46 （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(xiàn)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(tài)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。
表47 （3）使客戶在設計階段了解產(chǎn)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(tài)、逼真、實時的對產(chǎn)品和試驗進行評估。
表48 3）建立產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)
表49 （1）實現(xiàn)風洞試驗環(huán)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(huán)境，使用戶能在遠程了解風洞試驗室的環(huán)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。
表50 （2）實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品虛擬展示與虛擬培訓。利用本系統(tǒng)在更真實的環(huán)境下展示產(chǎn)品，用戶可隨心所欲的控制產(chǎn)品展示的過程，了解產(chǎn)品性能。利用本系統(tǒng)還可對試驗設備操作人員進行虛擬系統(tǒng)培訓，以實現(xiàn)低成本、高效率地使操作人員快速掌握設備的使用和維護。
表51 2.2 氣動院需要該系統(tǒng)的主要原因
表52 1）開發(fā)本系統(tǒng)是氣動院提高試驗效率和提高勞動生產(chǎn)率的迫切需求。
表53 目前，氣動院使用傳統(tǒng)的管理方法和技術(shù)手段提高試驗效率和勞動生產(chǎn)率的效果不明顯，潛力基本挖盡。必須轉(zhuǎn)變觀念，轉(zhuǎn)換思路，用新技術(shù)、新思路來提升效率。
表54 虛擬現(xiàn)實、人機工程技術(shù)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(shù)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(shù)。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(shù)，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(tài)時間。
表55 2）目前國內(nèi)大型主機廠所均配備了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，氣動院開發(fā)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以更好的配合主機廠所的工作，更好的學習*技術(shù)。
表56 3）開發(fā)本系統(tǒng)可以縮短風洞試驗相關(guān)新產(chǎn)品和新設備的研制周期，為氣動院節(jié)省大量時間和物力成本。
表57 由于氣動院的增壓風洞是一座特種風洞，與常規(guī)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。
表58 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(fā)，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(tǒng)可以在虛擬環(huán)境進行大量的驗證工作，將極大地節(jié)省成本。
3 對國內(nèi)外同類系統(tǒng)的評估
表59 3.1 國外現(xiàn)狀
表60 1）國外同類系統(tǒng)技術(shù)成熟、應用廣泛。
表61 80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)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(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器。
表62 進入90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)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(tǒng)的設計不斷創(chuàng)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(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機的運輸艙內(nèi)取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)大大節(jié)約了研發(fā)時間?？梢钥闯?，正是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應用領(lǐng)域，如娛樂、軍事、航天、設計、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險、危險及惡劣環(huán)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(fā)展中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。
表63 1999年，波音公司在西雅圖新建了JSF保障性虛擬現(xiàn)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(huán)境下，利用與飛機設計時采用的相同的三維建模數(shù)據(jù)對JSF的保障性進行試驗與評價。英國的BritishAerospace正在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設計高級戰(zhàn)斗機座艙。在東京技術(shù)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(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。德國利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，一是用于產(chǎn)品設計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產(chǎn)設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。
表64 3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀
表65 1）國內(nèi)目前該項技術(shù)蓬勃發(fā)展，技術(shù)積累已達到相當程度，應用領(lǐng)域眾多。
表66 當今國內(nèi)工業(yè)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，大規(guī)模人海戰(zhàn)術(shù)早已不再適應工業(yè)的發(fā)展，*科學技術(shù)的應用顯現(xiàn)出巨大的威力，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用正對工業(yè)進行著一場革命。虛擬現(xiàn)實已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風險起到了重要的作用。
表67 圖3-1 故宮博物院的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)示意圖
表68 圖3-2 數(shù)字長江虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)示意圖
表69 2）國內(nèi)大多主機廠所均配備有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。
表70 （1）成都飛機設計研究所虛擬顯示投影系統(tǒng)具體指標如下：
表71 應用類型：樣機展示/體驗
表72 投影方式：前投/背投
表73 投影機類型：DLP投影機
表74 立體技術(shù)：主動立體
表75 屏幕特性：硬幕
表76 顯示范圍：連續(xù)的觀看區(qū)域，較好觀察效果的觀眾數(shù)量3-5人
表77 IG：PC Cluster
表78 顯示通道數(shù)：4
表79 單通道圖像分辨率：1280x1024_100Hz
表80 3200mm3200mm2400mmCAVE尺寸：長X寬X 高
表81 6.5m房間凈高度：
表82 圖3-3 成都飛機設計研究院虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)效果圖
表83 （2）西安飛機設計研究院虛擬顯示投影系統(tǒng)具體指標如下：
表84 應用類型：樣機展示/虛擬裝配
表85 投影方式：背投三通道，后升級為6通道（2x3）
表86 圖像尺寸：12米X2.8米，升級后為12米X4.6米
表87 投影機類型：DLP光譜立體高清投影機
表88 立體技術(shù)：Infitec立體
表89 屏幕特性：背投軟幕
表90 顯示范圍：連續(xù)的觀看區(qū)域，較好觀察效果的觀眾數(shù)量50人
表91 IG：ImageVision PC集群
表92 顯示通道數(shù)：3
表93 單通道圖像分辨率：1920x1080
表94 圖3-4西安飛機設計研究院虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)效果圖
表95 3.3 結(jié)論
表96 目前，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)日臻成熟，在國內(nèi)外很多高科技企業(yè)和科研單位得到應用，并發(fā)揮了巨大的作用。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)已經(jīng)成為航空系統(tǒng)科研院所建設的必需技術(shù)，應用該項技術(shù)正當其時。
表97 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(nèi)主機廠所的型號試驗工作。
4 建設方案
4.1總體設計
表98 根據(jù)項目中各子系統(tǒng)的功能深化，將產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)重新定義為綜合仿真子系統(tǒng)，DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)重新定義為虛擬裝配子系統(tǒng)，將產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)和DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)所需要硬件定義為立體顯示子系統(tǒng)。
表99 序號 | 表100 子系統(tǒng) | 表101 系統(tǒng)功能 | 表102 軟硬件需求 |
表103 1 | 表104 綜合仿真子系統(tǒng) | 表105 1、虛擬漫游； | 表106 Unity3D、Ensight |
表107 2、在漫游的過程中實現(xiàn)虛實結(jié)合
1）在漫游的過程中，虛擬場景中設備的狀態(tài)與其對應的真實設備的現(xiàn)有狀態(tài)同步（不由虛擬現(xiàn)實的應用者直接決定）；
2）、同時可以將真實場景中人員信息，真實反映到虛擬環(huán)境中；
3）在漫游過程中，可以調(diào)用外部信息，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)有選擇的顯示風洞系統(tǒng)（風速、模型狀態(tài)等）信息，同時實現(xiàn)CFD、PIV等數(shù)據(jù)的綜合顯示；
4）在漫游的過程中能識別風洞現(xiàn)在正進行試驗的模型，并將CFD、PIV、有限元計算等數(shù)據(jù)與模型的三維數(shù)模，在三維場景中進行融合后顯示； |
表108 3、綜合數(shù)據(jù)顯示
1）風洞系統(tǒng)運行狀態(tài)信息顯示；
2）CFD計算數(shù)據(jù)顯示；
3）PIV計算數(shù)據(jù)顯示；
4）與專家系統(tǒng)交互信息顯示；
5）結(jié)構(gòu)有限元計算數(shù)據(jù)顯示； |
表109 2 | 表110 虛擬裝配子系統(tǒng) | 表111 1、實現(xiàn)虛擬裝配的碰撞檢測； | 表112 delmia、techviz |
表113 2、有虛擬人參與的虛擬裝配工作； |
表114 3、模型裝配工藝的驗證； |
表115 4、實現(xiàn)試驗設備自身的裝配工藝驗證； |
表116 5、實現(xiàn)試驗設備和風洞的裝配工藝驗證； |
表117 3 | 表118 立體顯示子系統(tǒng) | 表119 1、三維立體顯示環(huán)境建立；
2、配套音響環(huán)境；
3、人機交互設備； | 表120 三維投影儀、ART等 |
4.1.1系統(tǒng)架構(gòu)
風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)中建立產(chǎn)品虛擬展示與培訓系統(tǒng)和DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)需要從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方向上進行考量，其中軟件系統(tǒng)主要有兩個平臺：
1. Unity3D這樣的虛擬現(xiàn)實軟件平臺，其本身支持立體多通道顯示和虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)?？梢灾苯虞敵鰣D像到立體投影環(huán)境。
2. DELMIA等工業(yè)設計類軟件，其本身不支持多通道立體顯示和虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)，需借助TechViz中間件，輸出圖像到立體投影環(huán)境。
綜合風洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的軟硬件需求，其總體架構(gòu)如下圖所示。
圖4-1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
4.1.2系統(tǒng)功能
n 虛擬環(huán)境構(gòu)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(tǒng)，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(shù)模導入Unity3d系統(tǒng)中，實現(xiàn)支持數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬仿真環(huán)境。
圖4-2 虛擬環(huán)境構(gòu)建示意圖
n 氣動院風洞試驗虛擬展示
通過調(diào)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(jié)構(gòu)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(qū)、風洞大廳、風洞虛擬漫游。
通過系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)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(qū)的構(gòu)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(gòu)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(huán)境與現(xiàn)實試驗設備、目標、人員狀態(tài)同步，虛實結(jié)合。
1. 接收試驗設備傳輸?shù)脑囼災繕藢崟r位置及姿態(tài)信息，使三維環(huán)境中的虛擬目標狀態(tài)與現(xiàn)實世界同步；
2. 接收設備采集系統(tǒng)傳輸?shù)脑O備狀態(tài)信息，使三維環(huán)境中的虛擬設備狀態(tài)與現(xiàn)實世界同步；
3. 接收人員采集系統(tǒng)傳輸?shù)娜藛T狀態(tài)信息，在三維環(huán)境中實時跟蹤標示出試驗廠房內(nèi)人員位置；
4. 將CAE軟件計算的結(jié)果（CFD、PIV及有限元計算數(shù)據(jù)），通過EnSight后處理，轉(zhuǎn)換成圖形及動畫顯示，并融合至虛擬環(huán)境中，增加數(shù)據(jù)的洞察力。
圖4-4 CAE軟件后處理顯示示意圖
n 人機工程裝配工藝規(guī)劃與驗證
在虛擬環(huán)境中快速建立人體運動原型，并對設計的作業(yè)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(guī)劃與驗證示意圖
