面向船体吊装规划与作业训练的快速动力学仿真实现方法与流程

本发明涉及的是一种虚拟仿真领域的技术，具体是一种面向船体吊装规划与作业训练的快速动力学仿真实现方法。

背景技术：

现代化的控制技术及计算机仿真技术为重大件吊装问题提供虚拟环境下的仿真实现途径，现有的虚拟环境下的仿真方法，可以分为三维动作仿真方法、有限元分析方法、动力学分析方法，其中三维动作仿真方法只考虑了三维模型位姿的变化，仿真较为粗略；有限元分析方法效率较低、精度难以保证，同时实用性差，不能满足吊装规划和作业训练的需要；现有动力学仿真方法则存在着吊装场景搭建工作量大、仿真实时性差，吊装方案难以修改、仿真结果分析麻烦等缺点。

技术实现要素：

本发明针对现有动力学法对于船舶建造的吊装过程中的柔性体的离散刚体替代式模拟方法难以适应船舶分段与设备的交互式吊装作业规划，也难以与虚拟吊装设备结合实现交互式吊装操作训练的缺陷，提出了一种面向船体吊装规划与作业训练的快速动力学仿真实现方法，能够支持各类船体分段和设备吊装过程的3d虚拟规划与仿真分析，从而可用于船体建造和大件舾装过程中分段及设备吊装方案规划和3d交互式作业训练。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种面向船体吊装规划与作业训练的快速动力学仿真实现方法，根据计算机辅助设计系统生成的三角网格模型得到对象的体积、质心和转动惯量，通过设置阻尼和摩擦参数，建立吊装系统的钢绳的动力学模型并进行刚柔锚点连接，通过设置吊装路径后，经吊装仿真动力学求解实现快速动力学仿真。

所述的三角网格模型，以osg三维引擎为基础，采用osg格式和ive格式的文件，该模型中的三维对象以三维面片顶点-顶点索引/面片向量的方式存储。

所述的对象的体积，通过以下方式得到：将物体三角网格模型至于直角坐标系第一卦限，模型的表面三角面片向oxy平面做投影，得到n个棱柱，棱柱上表面是某一个三角面片，下表面是此三角面片在oxy平面上的投影，当三角面片法向与z方向的点积为正时，对应的棱柱体积为正，否则则为负，计算第i个面片对应的棱柱体积vi，i＝0，1，2···n，则物体的总体积为：

所述的质心，通过以下方式得到：将物体的n个面片向oxy平面做投影，得到n个对应的棱柱的体积vi，i＝0，1，…n，则物体的质心x，y方向分量为：同理将物体的n个面片向oxz平面做投影则物体的质心z方向分量为：，其中：rx，ry，rz分别为质心坐标的x,y,z向分量；vi为第i个棱柱的体积；ρ为物体的密度；v为物体的体积。

所述的转动惯量，包括：对象相对坐标系的三轴的转动惯量，其中任意一周轴的转动惯量通过以下方式得到：当三角形a三边均不平行于xoy平面时，对三角面片a的棱柱计算相对z轴的转动惯量，先将a向xoy平面做投影，得投影三角形b，延长直线p2p3交平面于p4，由且且则有p4∈p2'p3'，延长p2'p3'至点p4；当三角面片a中点z分量最小，过p1点做平面p平行于xoy平面，将a向平面p做投影的投影三角形c，则面片a将以c为顶面、b为底面的棱柱s分为两部分，分别计算s1、s2的转动惯量相加即可；记四面体p1p2p2'p4为s1，p1p3p3'p4为s3，三角形b、c组成的棱柱为s2，则有：js＝js3+js2-js1，其中：p,q,r为三角形b的三条边长；ms2为棱柱s2的质量；r为三角形b的质心到z轴的距离；其中js1,js3通过代入相应参数即可得到，其中：a、b、c为四面体底面三角形的三条边长；d为底面三角形的质心到高的距离；m为四面体的质量；当存在一条边平行于xoy平面时，将三角形向这条边所在的平行于xoy的平面投影，当三角形a三条边均平行于xoy平面，即三角形a所在平面平行于xoy时，转动惯量的计算已退化为三棱柱转动惯量的计算。

所述的设置阻尼和摩擦参数是指：根据物体运动速度计算出阻尼力从而得到对象运动的阻尼特性，该阻尼系数默认为零；同时设置摩擦参数为忽略滚动摩擦力的作用并认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力，从而根据预先输入两个物体的摩擦系数得出两个物体之间的摩擦力f＝μ1μ2n。

所述的建立吊装系统的钢绳的动力学模型是指：将钢绳的质点与质点之间的连接关系简化为一个一维距离约束，每一次仿真计算纠正质点间的距离以实现两个质点间的距离约束，其中：取质点系一部分作为研究对象，则两个质点位置分别为p1,p2，质量分别为m1,m2，距离为l，则纠正质点间距离为：

所述的刚柔锚点连接是指：刚体和钢绳通过质点a和锚点b进行连接，其中：质点速度为va，质点质量为ma，刚体质量为mb，惯量矩阵为j，刚体质心速度为vb，角速度为ωb；当质点和锚点的绝对位置出现偏差时，通过在刚体上施加冲量、在质点上施加速度以消除该位置偏差；为模拟刚体与质点的连接效果，施加冲量之后刚体和质点满足：刚体锚点与质点相对速度为零；刚体锚点与质点位置重合，δωb＝j^-1r×p，p为刚体受到的冲量，锚点速度其中：i为3×3单位矩阵，r为向量r的叉乘反对称矩阵，同时质点的速度变化量：则锚点和质点的相对速度变化量为同时其中：x为锚点与质点的相对位置矢量，t为仿真步长，得到刚体受到的冲量

所述的位置偏差极小、消除时间极短，类似碰撞过程中不考虑非碰撞力一样，故本发明不考虑诸如重力等其它力的作用。

所述的设置吊装路径是指：根据预定吊装工艺，设定各钢绳上吊点，即钢绳上与起重机一段联接的位置的起止时间、速度和路径，通过连接各吊点得到路径。

所述的吊装仿真动力学求解，包括以下步骤：

1)解算运动：遍历仿真对象，计算刚体、钢绳节点在重力场中的运动，即只在重力作用下的运动；

所述的重力场，其重力加速度可由用户设置，默认为9.8m/s²，沿z轴负方向。

所述的运动，其速度由上一次仿真计算结果获得。

2)更新刚体计算结果：将经步骤1)得到的刚体运动状态保存到刚体对象下；

3)解算锚点：遍历所有柔体对象，依次解算锚点，将计算结果保存到钢绳节点和钢绳所连接的刚体对象；

4)检测并计算刚柔碰撞：遍历所有柔体对象，依次解算节点与刚体间的碰撞，将计算结果保存到钢绳节点和节点所碰撞的刚体对象；

5)解算钢绳节点位置：遍历所有柔体对象，依次解算钢绳内所有节点间的连接关系，将计算结果保存到钢绳节点下；

6)更新柔体计算结果：将步骤4)～步骤6)的柔体运动状态结果保存到钢绳和钢绳节点。

7)保存本次计算结果，更新场景，准备进入下一次循环计算。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：动力学参数求解单元、柔性刚绳求解单元、吊装路径设置单元及吊装仿真动力学求解单元，其中：动力学参数求解单元与柔性刚绳求解单元相连并传输相关动力学参数信息，动力学参数求解单元、柔性刚绳求解单元、吊装路径设置单元分别与吊装仿真动力学求解单元相连并传输动力学参数信息、柔性刚绳求解结果及路径信息。

技术效果

本发明整体解决了现有动力学法对于船舶建造的吊装过程中的柔性体的离散刚体替代式模拟方法难以适应船舶分段与设备的交互式吊装作业规划，也难以与虚拟吊装设备结合实现交互式吊装操作训练的问题。

与现有技术相比，本发明能够支持各类船体分段和设备吊装过程的3d虚拟规划与仿真分析，从而可用于船体建造和大件舾装过程中分段及设备吊装方案规划和3d交互式作业训练

与现有技术相比，本发明通过研究船体建造和舾装虚拟吊装过程中的动力学建模原理和求解方法，将其与三维虚拟现实环境相结合，进而构造了虚拟环境下的动力学场景。针对船体建造和舾装虚拟吊装规划的实时性要求，以上述建模和求解方法为依据，给出了一种快速的动力学模型的求解方法。有力地提升了仿真计算的实时性，准确性和场景更新的实时性。

附图说明

图1为三角面片模型示意图；

图2为三角面片投影示意图；

图3为转动惯量的计算示意图；

图4为质点系建模示意图；

图5为刚柔锚点连接示意图；

图6为三角单元的转动惯量示意图。

具体实施方式

本实施例为船舶鱼尾分段的吊装过程仿真，分段设置重约40t，实现步骤包括：

①导出船舶鱼尾分段三角网格模型；

②计算质量、质心、转动惯量等动力学参数：设组成分段b的各个薄壁结构件对应的三角网格为{s}，对应的薄板构件的厚度为{d}。根据动力学模型的要求，需要计算的参数包括b的质量m、质心[rxryrz]^t以及转动惯量[ixiyiz]^t。

所述的质心，通过以下方式得到：先计算质量，每个三角网格si是由离散化的三角单元组成，每个三角单元为tk。分段b对应的质量为其中ρi为密度，di为厚度。对每个三角单元tk，其质心其中：vk1，vk2，vk3为tk的三个顶点。在b对所有三角形单元进行计算并以各三角单元质量为权值求和，有其中：mb为该分段的质量。

所述的转动惯量，通过以下方式得到：根据动力学模型的要求，计算转动惯量时，应先将物体质心移动到原点。此时分段对应的三角网格为{s'}。对由v1，v2，v3组成的三角单元t，选择边v2v3为底边，在其质心g处建立坐标系gxyz，其中x轴平行于底边v2v3，z轴垂直于该三角单元所在平面。v4为v1g延长线与边v2v3的交点，v1v4的长度为l，底边v2v3的高为h，∠v1v4v3为θ。如图6所示。其绕任意轴的转动惯量可算得为：其中α，β，γ分别为该轴与x，y，z轴的方向角，为该三角单元的质量。则该三角单元绕g平行于世界坐标系x，y，z轴的转动惯量分别为由转动惯量的平行轴定理可得该三角单元绕世界坐标系下x，y，z坐标轴的转动惯量分别为：设g在世界坐标系下的坐标为[gxgygz]^t，由转动惯量的平行轴定理可得该三角单元绕世界坐标系下x，y，z坐标轴的转动惯量分别为：在b对所有三角形单元进行求和可得分段的转动惯量

优选地，由于吊装过程中被吊分段运动速度较低，正常情况下被吊分段不跟其他物体接触，故忽略摩擦系数以及阻尼系数的影响，均设置为0。

③吊装过程中各吊重、吊具、环境模型按照实际情况创建，具体为：i)分段原来静止在地面上，起吊1m，过程约30s；ii)：分段沿x轴平吊约3m，用时40s，期间约在58s处开始与障碍物的碰撞。

④进行仿真计算，得到：吊具钢绳拉力及最大拉力、钢绳拉力及其最大拉力，吊重质心运动和吊装过程中的其它计算结果，如碰撞信息等。

经过具体实际实验，在分段为40t设置下，以上述吊装路径实施上述方法，得到：1)吊具钢绳拉力及最大拉力：吊具受力曲线在约58秒处发生震荡，震荡幅度约为10000n，表明吊装发生碰撞。吊具受力曲线最大值约为320000n，注意吊具受力包括了吊钩重力在内。2)钢绳拉力及其最大拉力：与吊具受力曲线相同，钢绳拉力曲线也在约58秒处发生震荡，震荡幅度约为10000n，此时分段与障碍物发生了碰撞。3)吊重质心运动：鱼尾分段竖直方向起吊高度约1m，时间约30s，而后开始水平吊装，符合吊装规划的要求。

与现有技术相比，本方法有力地提升了仿真计算的实时性，准确性和场景更新的实时性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。