1 Виртуальный полигон для исследования морских объектов в экстремальных условиях эксплуатации Безгодов А.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата 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. Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.

3 Актуальность Обеспечение безопасности мореплавания Исследование э/с 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 компьютерного моделирования Параметрический резонанс: MS Grand Voyager Февраль 2005

4 Адаптация методов и моделей для реалистичного воспроизведения э/с Модель динамики МО -Реалистичное воспроизведение внешних воздействий (нерегулярное волнение) -Учет нелинейных эффектов, в т.ч. обусловленных взаимодействием различных видов колебаний судна -Выполнение расчетов в реальном масштабе времени Программная реализация -Сложные сценарии выполнения: переходы от штатных режимов к экстремальным -Расширяемость системы -Адаптация для систем виртуальной реальности

5 Подходы к моделированию динамики судна Механический: 6DOF-тв. тело + 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 - Адекватность «бассейну» - Воспроизводимость модельного эксперимента 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 - Воспроизводимость модельного эксперимента

6 Вычисление действующих на судно сил 6-DOF твердое тело

7 Вероятностная модель поля морского волнения Модель Лонге-Хиггинса Спектры: –Пирсона-Московица –JONSWAP FFT (Крогстад) 512 x 512

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

9 Валидация модели L= 40 м B = 7 м D = 6000 кН h = 1.29 м k = 15.0 H = 0.1 c= 1.0 Вычислительный эксперимент Поправка коэф.

10 Синтез изображения: морские объекты Deferred Shading Cook-Torrance Shadow Mapping

11 Синтез изображения: морская поверхность (сетка) CUDA CuFFT OpenGL Текстура (ординаты) Вершинный шейдер

12 Синтез изображения: морская поверхность (шейдинг) Отражение Френеля (только небо) Затухание по глубине Граница 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 Построение ядра БПФ поля мор. волн. (CUDA) Построение поля мор. волн. (CUDA) Расчет ГС и ГД сил Расчет динамики тв. тела (Bullet Physics) Визуализация поверхности мор. волн. и МО OpenGL, CgFX Экспорт расчетных данных в SciLab

1-ое положение

16 «Судно» «Таймер» Мор. волн. СущностиСреда Архитектура виртуального полигона Интерактивное взаимодействие SciLab Анализатор 3D Стерео 1.Сценарий эксперимента 2.Конфигурация модели Интегратор: « Судно-волнение » Модель тв. тела 6-DOF Модель ГС и ГД сил Модель мор. волн.

2-ое положение

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 x3 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 брочинга

21

22 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 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 ВР; Разработана 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 брочинга.

23 Спасибо за внимание