1 Виртуальный полигон для исследования морских объектов в экстремальных условиях эксплуатации Безгодов А.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность

2 На защиту выносятся Метод формирования визуальных динамических сцен на основе численного моделирования нелинейной динамики МО c шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении.Метод формирования визуальных динамических сцен на основе численного моделирования нелинейной динамики МО c шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении. Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.

3 Актуальность Обеспечение безопасности мореплавания Исследование экстремальных динамических ситуаций Экстремальные ситуации крайне сложно моделировать на реальных объектах Опытовые бассейны не позволяют воспроизвести все разнообразие экстремальных явлений Расчетные методы (ОСТ ) ориентированы на получение интегральных характеристик объекта Необходимо создание виртуальных полигонов на основе методов прямого компьютерного моделирования Параметрический резонанс: MS Grand Voyager Февраль 2005

4 Требования к модели динамики МО и программной реализации ВП Модель динамики МО 1.Реалистичное воспроизведение внешних воздействий (нерегулярное волнение) 2.Учет нелинейных эффектов, в т.ч. обусловленных взаимодействием различных видов колебаний судна 3.Выполнение расчетов в реальном масштабе времени Программная реализация 1. Сложные сценарии выполнения: переходы от штатных режимов к экстремальным 2. Расширяемость системы 3. Адаптация для систем виртуальной реальности

5 Подходы к моделированию динамики судна Механический Уравнения механики + поправочные коэффициенты - Грубый метод, позволяет отражать только отдельные классы экстремальных ситуаций - Адекватность моделей – только для регулярного волнения - Является эталоном для расчета качки в оперативном (не экстремальном) режиме эксплуатации (В. Фруд – 1861, А.Н. Крылов – 1891, опыт судостроения) Гидродинамический 3D задача + заданные гран. усл. - Крайне ресурсоемкий расчет - Специфические требования к сеточной области - Адекватность «бассейну» Комбинированный - Точный ГС-расчет - Прибл. ГД-расчет - Менее точный, чем гидродинамический (10-15 %). - Не требует настройки структуры уравнений под конкретный класс экстремального явления - Вычислительно эффективен Computational Steering

6 Вычисление действующих на судно сил Твердое тело 6 степеней свободы

7 Вероятностная модель поля морского волнения Модель Лонге-Хиггинса Спектры: –Пирсона-Московица –JONSWAP БПФ (Г. Крогстад) Размер матрицы: 512 x 512

8 Расчет интегралов по квадратурным формулам типа Маркова N=1000, t=60 c η ξ Динамические расчеты: N = Статические расчеты: N = R = 1м

9 Сопоставление адаптированной и классической моделей динамики МО на примере бортовой качки L= 40 м B = 7 м D = 6000 кН h = 1.29 м H = 0.1 Н·с/м c= 1.0 Вычислительный эксперимент Поправка коэф.

10 Синтез изображения: морские объекты Отложенное освещение по модели Кука-Торренса Карты теней

11 Синтез изображения: морская поверхность (сетка) CUDA OpenGL Текстура (поле морского волнения) Вершинный шейдер A – «дно», используется для построения границы сред B – область интенсивного волнения, видимая высота волн – существенна С – область горизонта, видимая высота волн несущественна

12 Синтез изображения: морская поверхность (шейдинг) Учет эффектов: –отражения Френеля (только небо) –затухания по глубине Построение границы сред

13 Синтез изображения: корабельные волны 1.Решение уравнения колебаний на регулярной сетке 2.Наложение на карту высот 3.Шейдинг с эффектом пенообразования

14 Метод формирования динамической сцены Выполнение Сценария (Lua) Пользовательский ввод Выполнение Сценария (Lua) Пользовательский ввод Построение поля морского волнения (CUDA) Построение поля морского волнения (CUDA) Расчет ГС и ГД сил Расчет динамики твердого тела (Bullet Physics) Расчет динамики твердого тела (Bullet Physics) Визуализация поверхности мор. волн. и МО OpenGL, CgFX Визуализация поверхности мор. волн. и МО OpenGL, CgFX Экспорт расчетных данных в SciLab Экспорт расчетных данных в SciLab

15 «Судно» «Таймер» Мор. волн. Мор. волн. Сущности Среда Архитектура виртуального полигона Пользовательский ввод Пользовательский ввод SciLab Анализ 3D стерео визуализация 3D стерео визуализация 1.Сценарий эксперимента 2.Конфигурация модели 1.Сценарий эксперимента 2.Конфигурация модели Интеграция моделей: «Судно-волнение» Интеграция моделей: «Судно-волнение» Модель твердого тела Модель ГС и ГД сил Модель ГС и ГД сил Модель морского волнения Модель морского волнения

16 Состав виртуального полигона Подсистема имитационного моделирования Графическая подсистема (OpenGL) Звуковая подсистема (FMOD) Физическая подсистема (Bullet) Библиотека поддержки визуализации Интерпретатор (Lua) Интерфейс ОС Математическая библиотека Операционная система

17

18 Исследование ПР лагом к волне Основной: ω max = ω roll Параметрический: ω max = 2 ω roll Судно класса «катер» L x B x T = 40 x 12 x 3 м D = кг ω roll = 1.14 рад/с Видео ускорено в 3 раза Основной A = 46, Q = 1.9 Ω = 1.2 рад/с Параметрический A = 120, Q = 20.5 Ω = 2.10 рад/с

19 Исследование ПР на встречном волнении Эффект Доплера «Валкость» ω encounter = 2ω roll Судно класса «катер» L x B x T = 40 x 12 x 3 м D = кг ω roll = 1.23 рад/с V = 20 узлов Волнение: m = 64 = 20 ω = 1.2 рад/с

20 Судно класса «буксир» L x B x T = 20 x 7 x 2 м D = кг ω roll = 1.9 рад/с λ = 20 м Исследование захвата судна волной (брочинг)

21 Основные результаты Развит метод численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении, основанный на интегрировании гидродинамических сил и моментов в нелинейной постановке на случайных сетках, допускающий интерактивное управление процессом вычислений на ВПРазвит метод численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении, основанный на интегрировании гидродинамических сил и моментов в нелинейной постановке на случайных сетках, допускающий интерактивное управление процессом вычислений на ВП Разработан метод формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО с учетом графических эффектов визуализации взволнованной поверхности моря и ее взаимодействия с корпусом объекта, адаптированный для применения в широкоэкранных системах ВРРазработан метод формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО с учетом графических эффектов визуализации взволнованной поверхности моря и ее взаимодействия с корпусом объекта, адаптированный для применения в широкоэкранных системах ВР Разработана и детализирована архитектура ВП для изучения динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации на основе модульного подхода к построению систем интерактивной визуализацииРазработана и детализирована архитектура ВП для изучения динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации на основе модульного подхода к построению систем интерактивной визуализации Спроектирован и разработан программный комплекс ВП ShipX-DS, развернутый на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО и продемонстрировавший свою работоспособность в ходе компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочингаСпроектирован и разработан программный комплекс ВП ShipX-DS, развернутый на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО и продемонстрировавший свою работоспособность в ходе компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга

22 Спасибо за внимание