一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法

1.本发明属于虚拟仿真实验领域，尤其涉及一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法。


背景技术：

2.随着国家教育部对教育信息化水平提升的要求和推动，将现代计算机技术应用到教学课堂，可以有效提升学生对知识的理解和掌握水平，使得具有低成本、可重复性和良好共享性的虚拟教育课堂逐渐得到应用和推广。实践证明，虚拟现实技术可以有效推动学校课程教学的改革和创新。但是如何将先进虚拟现实技术与基础学科相结合并融入课堂，如何将虚拟场景的构建—力学现象的发生—理论方法学习—数值模拟仿真—专业知识掌握—专业知识应用—工程实践的学习链融入虚拟实验凭条，构建生动的虚拟仿真教学实验平台和高效的课程学习框架，以达到良好的教学实践目的，仍然是目前亟需解决的难题。
3.面向船舶结构力学知识的学习依然停留在书本知识理论计算的推导，对结构有限元分析相关的基本理论知识、建模、分析等依然停留在书本和基于2d计算机屏幕并结合视角的旋转来观察计算结果的层面。缺乏有效的理论知识在实际场景中应用的可视化空间，往往容易造成理论与实践的脱节，限制了用户对知识和应用的联想，难以满足工程设计和分析类用户的学习、培训及实践需求。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法，提高用户对船舶结构力学相关知识及虚拟仿真的理解和掌握水平。
5.一方面为实现上述目的，本发明提供了一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台，包括：
6.用户登录管理模块、船型选择模块、虚拟实验流程介绍模块、实验虚拟仿真模块、数据库管理模块和知识学习模块；
7.所述用户登录管理模块用于记录用户登录及学习情况；
8.所述船型选择模块用于选择船舶类型；
9.所述虚拟实验流程介绍模块用于设置实验操作流程及实验注意事项；
10.所述知识学习模块用于设置船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识；
11.所述实验虚拟仿真模块用于基于所述用户登录及学习情况、所述船舶类型、所述实验操作流程及实验注意事项、所述船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识，对船舶结构弯曲和扭转的应力及变形位移实时虚拟仿真；
12.所述数据库管理模块用于储存虚拟仿真的结果信息。
13.可选地，记录用户登录及学习情况的方法为：
14.设置登录帐号和密码，所述登录账号为用户账号，基于所述用户账号，记录用户登录及学习情况。
15.可选地，选择船舶类型的方法为：
16.设置不同船舶类型数据库，基于船型的主尺度参数，在所述数据库中选择所需船舶类型。
17.可选地，船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识包括：
18.波浪中船体结构承受载计算、船舶结构剪力和弯矩计算、船舶结构弯曲变形响应计算、船舶结构扭转变形响应计算、结构应力应变基本知识及计算方法、船舶结构有限元建模、船舶结构强度有限元分析、虚拟现实环境下模型建立及渲染、虚拟现实环境搭建及渲染、船舶结构cae分析结果数据库构建、虚拟现实环境船体结构安全评估。
19.可选地，所述波浪中船体结构承受载计算的方法为：
20.tm＝ksklb2d[(c
w-0.5)
0.5
0.1][0.13-(e/d)(c0/d)
1/2
]
[0021]
式中，ks＝(1.61-0.47cb)
1/2
；k＝0.276；c0＝0.14；d为吃水，e为剪切中心到极限的距离，cw为水线面系数，tm为船体最大波浪扭矩，l为船长，cb为方形系数，b为船宽。
[0022]
可选地，所述船舶结构剪力和弯矩计算的方法为：
[0023][0024]
式中，ω(x)为重量曲线，b(x)为浮力曲线，m(x)为沿船长方向的船体剖面弯矩，n(x)为沿船长方向的船体剖面剪力。
[0025]
可选地，所述船舶结构弯曲变形响应计算的方法为：
[0026][0027]
式中，l为船长，i(x)为沿船长方向的船体断面惯性矩，e代表船体材料的弹性模量。
[0028]
另一方面为实现上述目的，本发明提供了一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实现方法，包括如下步骤：
[0029]
记录用户登录及学习情况；
[0030]
选择船舶类型；
[0031]
设置实验操作流程及实验注意事项；
[0032]
设置船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识；
[0033]
基于所述用户登录及学习情况、所述船舶类型、所述实验操作流程及实验注意事项、所述船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识，对船舶结构弯曲和扭转的应力及变形位移实时虚拟仿真；
[0034]
储存虚拟仿真的结果信息。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
[0036]
本发明提出的一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法，利用计算机建模与仿真技术、通信技术和计算机网络技术,构建包括在不同水平的规则波作用下，开展目标船体结构在弯曲和扭转虚拟仿真实验，建立可以获取总体和局部船体结构的应力、应变云图及位移变形、船舶结构力学理论知识等为一体的多物理场仿真模拟平台。
[0037]
本发明提出的本发明提出的一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现
方法，从虚拟场景的构建—力学现象的发生—理论方法学习—数值模拟仿真—专业知识掌握—专业知识应用—工程实践，可以满足用户在不同学习阶段对专业知识的不同层次的需求和理解，可以有效提高用户对船舶结构力学专业知识的掌握能力。
[0038]
本发明提出的一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法，将理论学习、有限元分析、虚拟现实技术、数据库技术及软件平台开发技术相结合，突破了不同专业工具之间的数据传输壁垒。另外实验平台的框架具有良好的可读性、易封装性和可扩展性。
[0039]
本发明提出的一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法，构建了船舶结构与海洋波浪之间的虚拟交互场景，提供了船舶结构在不同海况下弯曲和扭转的cae分析结果实时虚拟呈现，增进用户对所学课程《船舶结构力学》、《结构有限元分析》、《虚拟现实应用》等理论知识的理解，培养用户思考和解决实际问题的能力，掌握船舶结构强度分析和安全评估方法。
附图说明
[0040]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0041]
图1为本发明实施例一的一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台的结构示意图；
[0042]
图2为本发明实施例一的支撑虚拟实验运行的平台及项目运行的架构示意图；
[0043]
图3为本发明实施例二的有限元虚拟仿真实现方法的流程示意图；
[0044]
图4为本发明实施例二的unity3d软件中构建的波浪效果示意图；
[0045]
图5为本发明实施例二的vr虚拟环境中不同视角的船体示意图；
[0046]
图6为本发明实施例二的超大型集装箱船有限元模型在位移变形图。
具体实施方式
[0047]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0048]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0049]
实施例一
[0050]
如图1所示，本发明提供一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台，其特征在于，包括：用户登录管理模块、船型选择模块、虚拟实验流程介绍模块、实验虚拟仿真模块、数据库管理模块和知识学习模块。
[0051]
用户登录管理模块：用于平台管理，设置登录帐号和密码，登录账号为用户账号，用于记录用户登录及实验情况。
[0052]
船型选择模块：设置了开放性接口，可以添加不同船型到数据库，目前数据库包括超大型集装箱船、油船及远洋高客船，选择不同船型可以查看船型的主尺度参数等信息。
[0053]
虚拟实验流程介绍模块主要包括内容为实验操作流程介绍及实验注意事项等。
[0054]
实验平台的虚拟仿真模块主要包括在波浪载荷下的船舶结构弯曲和扭转的应力
及变形位移实时虚拟仿真，其中不同海况对应不同的波高。
[0055]
知识学习模块包括：船舶结构力学专业知识和虚拟平台搭建相关知识内容。
[0056]
具体的，知识点一：波浪中船体结构承受载计算
[0057]
船体在海中航行过程中主要受到扭转载荷为波浪扭矩和静水扭矩，在有限元的加载过程中也需同时施加这两种载荷。根据abs规范，船体最大波浪扭矩的计算如下：
[0058]
tm＝ksklb2d[(c
w-0.5)
0.5
0.1][0.13-(e/d)(c0/d)
1/2
]
[0059]
式中，ks＝(1.61-0.47cb)
1/2
；k＝0.276；c0＝0.14；d为吃水，e为剪切中心到极限的距离，cw为水线面系数，tm为船体最大波浪扭矩，l为船长，cb为方形系数，b为船宽。
[0060]
在对船体进行扭转强度分析时，除了扭转载荷外,还要考虑船体所受的其他载荷对的影响。
[0061]
知识点二：船舶结构剪力和弯矩计算。
[0062]
掌握船舶在波浪航行过程，不同波浪运动形式下船体结构承受的载荷类型，学习基于船体梁理论，作用在船体梁任意剖面上的剪力和弯矩计算方法，
[0063][0064]
式中ω(x)为重量曲线，b(x)为浮力曲线，m(x)为沿船长方向的船体剖面弯矩，n(x)为沿船长方向的船体剖面剪力。
[0065]
知识点三：船舶结构弯曲变形响应计算。
[0066]
在特定工况下，考虑静水扭矩、波浪扭矩等载荷下的弯曲变形响应计算。
[0067]
比如船体弯曲挠度：
[0068]
式中l为船长，i(x)为沿船长方向的船体断面惯性矩，e代表船体材料的弹性模量。
[0069]
知识四：船舶结构扭转变形响应计算。在特定工况下，考虑静水弯矩、波浪弯矩等以及集装箱引起的惯性等载荷下的剪切变形响应计算。
[0070]
比如剪切挠度：
[0071]
式中l为船长，a
ω
(x)为船体横剖面承受剪切的相当面积，g代表船体剪切弹性模量。
[0072]
知识五：结构应力、应变基本知识及计算方法。
[0073]
结构力学中关于单元的主平面和主应力、主单元体和原始单元体、应力和应变计算等基本力学知识。
[0074]
知识六：船舶结构有限元建模。
[0075]
基本有限元软件(比如patran、ansys等)在船体结构有限元模型建立过程中的单元类型选择、网格大小划分、节点定义等基本知识。
[0076]
知识点七：船舶结构强度有限元分析。
[0077]
船舶结构强度分析过程中的边界条件定义、载荷施加、网格收敛性分析、强度计算、分析结果后处理、强度评估及结构优化等知识。
[0078]
知识点八：虚拟现实环境下模型建立及渲染。
[0079]
熟悉船舶结构三维模型在3ds max软件中的建立及渲染方法。
[0080]
知识点九：虚拟现实环境搭建及渲染。
[0081]
unity3d环境下海洋环境搭建、ui用户界面构建方法、船体在规则波下的运动仿真等实现方法。
[0082]
知识点10：船舶结构cae分析结果数据库构建。
[0083]
有限元分析结果文件中(.xdb或者.op2)，有限元数据的提取、数据库构建及基于c#语言的数据传递接口开发的实现。
[0084]
知识点11：虚拟现实环境船体结构安全评估。
[0085]
目标海况下，提取船体结构的最大应力、应变及位移变形的结果，实现对应力应变分布最大位置vr下的沉浸式体验，并给出结构强度的评价和设计建议，最后生成实验报告。
[0086]
数据库管理模块中储存了用户信息、有限元模型信息、弯扭有限元仿真结果信息、波浪载荷信息等。
[0087]
本实施例，以10000teu超大型集装箱船为对象对本发明的各个模块功能测试及构建方法。
[0088]
开放式虚拟仿真实验管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验仿真平台。系统平台架构如图2所示。
[0089]
支撑虚拟实验运行的平台及项目运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验仿真环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。
[0090]
1)数据层
[0091]
新型组合船舶结构力学性能虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、典型实验库、规则库、实验数据、用户数据等来实现对相应数据的存放和管理。
[0092]
2)支撑层
[0093]
支撑层是虚拟仿真实验与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。
[0094]
3)通用服务层
[0095]
通用服务层即开放式虚拟仿真实验管理平台，提供虚拟实验环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成实验。通用服务包括：理论知识学习、实验资源管理、实验报告管理等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。
[0096]
4)仿真层
[0097]
仿真层主要针对该项目进行相应的船舶结构建模、实验海况场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。
[0098]
5)应用层
[0099]
基于底层的服务，最终船舶结构力学虚拟仿真实验项目与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供
的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向用户开展实验应用。
[0100]
进一步地，虚拟实验平台框架的构建是采用c#语言开发，发布是在unity 3d软件中完成，包括pc端、vr端、移动端及web端。
[0101]
实施例二，本发明还提供了一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实现方法，包括以下步骤：记录用户登录及学习情况；选择船舶类型；设置实验操作流程及实验注意事项；设置船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识；基于所述用户登录及学习情况、所述船舶类型、所述实验操作流程及实验注意事项、所述船舶结构力学专业知识及虚拟平台搭建相关知识，对船舶结构弯曲和扭转的应力及变形位移实时虚拟仿真；储存虚拟仿真的结果信息。
[0102]
进一步地，实验流程主要包括如下步骤：
[0103]
1)海洋环境及模型加载；
[0104]
2)多层级界面交互；
[0105]
3)实验界面与vr手柄、鼠标、键盘等设备交互；
[0106]
4)多视角切换；
[0107]
5)仿真功能模块切换；
[0108]
6)实验相关知识内容呈现；
[0109]
7)虚拟仿真交互评价及生成实验报告。
[0110]
进一步地，虚拟仿真包括船舶结构在波浪载荷下弯曲和扭转的应力及变形位移云图呈现。虚拟仿真时，船舶结构的仿真结果随时间及海况实时变化。
[0111]
进一步地，目标海况下，提取船体结构的最大应力、应变及位移变形的结果，实现对应力应变分布最大位置vr下的沉浸式体验，并给出结构强度的评价和设计建议，最后生成实验报告。
[0112]
进一步地，多界面交互是位于不同层级界面，对不同层级界面设置跳转按钮。当用户进入实验平台，选择实验对象的船舶类型，点击实验类别切换按钮，系统将加载对应实验的场景。
[0113]
进一步地，系统平台搭建的关键技术：
[0114]
1)船舶结构三维建模及有限元仿真；
[0115]
2)虚拟环境构建；
[0116]
3)数据库接口开发；
[0117]
4)虚拟仿真平台框架开发及发布。
[0118]
船舶结构三维建模主要是采用ug nx等3d软件，并在3d max中完成模型分割及渲染。在有限元仿真过程中，采用patran构建有限元模型，依据船舶结构在破浪中承受的载荷(依据系统中包含的船舶结构剪力、弯矩及扭矩等计算方法)，基于nastran完成相关分析计算，图3为有限元虚拟仿真功能构建的技术流程。
[0119]
逼真波浪的渲染和模拟一直是计算机图形和游戏开发的难点之一。在水体渲染中，核心部分是波形渲染技术，即如何模拟真实水波的流动变化。如果波浪和船体结构的弯曲变形能够同步，就能给体验者带来更好的视觉效果。在本发明专利中，对水面高度进行建模，并通过c#脚本语言控制波浪参数(包括波高、波长和周期)。图4是unity3d软件中构建的波浪效果。使用环绕屏幕虚拟环境中部署了三台christie mirage hd12k有源立体投影机，
通过pc组和vista spyder的混合控制，可以实现完整的图像输出到屏幕上。
[0120]
进一步地，交互操作步骤如下：
[0121]
1)构建用户登录数据库，用于储存用户个人信息，设置识别登录帐号和密码，用于对数据库正确登陆账号和密码进行核对。若账号密码错误，则平台不会启动，并提示再次输入；账号密码正确，平台加载并运行，进入实验平台主程序。
[0122]
2)用户首先完整了解船体结构力学基本知识、有限元建模、分析及后处理的各个流程；了解虚拟实验平台的工作原理；
[0123]
3)用户分组、抽题卡，根据题卡，学习相应的基本操作，比如理论计算模块、船体强度有限元计算、虚拟现实仿真计算等模块；
[0124]
4)进入仿真主界面中，通过vr手柄、鼠标等工具，点击“船型选择”，选择“超大型集装箱船”，点击“参数面板”，查看实验目标船只的型宽、吃水、方形系数等主尺度参数；
[0125]
5)点击“开始实验”按钮，进入虚拟仿真实验程序核心操作界面，通过vr头盔和手柄沉浸式案和观察船舶结构。点击“围绕视角”按钮，进行不同角度三维视角的漫游，如图5所示。
[0126]
6)选择“中捶和中拱”实验类型，观察船体结构在波浪载荷下的变形情况，用户做好实验讲师角色，负责解释船舶承受的波浪载荷、船体受力特定等内容。
[0127]
7)选择“扭转”实验类型，观察船体结构在波浪载荷下的变形情况。
[0128]
8)通过滑动按钮，调整“波浪周期”、“波浪高度”等海况参数。
[0129]
9)选择“位移云图”，调整“波浪周期”、“波浪高度”等海况参数，观察不同海况下整船的位移云图实时分布情况，如图6所示。
[0130]
10)选择“应力云图”，调整“波浪周期”、“波浪高度”等海况参数，观察不同海况下整船的应力云图实时分布情况。
[0131]
11)点击“查看位置”按钮，高亮显示选择的单元，系统同时呈现船体结构在不同海况下的位移及应力最大值的位置。
[0132]
12)点击“保存数据”按钮，保存在实验海况下的船体应力及位移实验结果数据。
[0133]
提出的工具可以有效实现大型船舶结构力学知识学习和有限元虚拟仿真，可以应用于工程设计和教育教学领域，同时通过测试案例也验证了所提方法的可行性和实用性。
[0134]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。