1 Виртуальный полигон для исследования морских объектов в экстремальных условиях эксплуатации Безгодов А.А. СПбГУ ИТМО

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 Экстремальные ситуации крайне сложно моделировать на реальных объектахЭкстремальные ситуации крайне сложно моделировать на реальных объектах Необходимо создание виртуальных полигонов Необходимо создание виртуальных полигонов Параметрический резонанс: MS Grand Voyager Февраль 2005

4 Контейнеровоз Post-Panamax Class C11 (октябрь 1999)

5 Концепция виртуального полигона Системы ввода Системы ввода Конструктор SciLab Интегратор Анализатор 3D 2D Модель 2 Модель 1 Модель 3

6 Особенности постановки задачи -Реалистичное воспроизведение внешних воздействий (нерегулярное волнение) -Учет нелинейных эффектов, в т.ч. обусловленных взаимодействием различных видов колебаний судна -Выполнение расчетов и визуализация в реальном масштабе времени -Сложные сценарии выполнения: переходы от штатных режимов к экстремальным -Расширяемость системы -Адаптация для систем виртуальной реальности

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

8 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 - Специфические требования к сеточной области - 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

9 Модель динамики морских объектов

10 Вычисление сил действующих на судно

11 Нерегулярные сетки для интегрирования сил Динамические расчеты: N = Статические расчеты: N =

12 Конструирование судна Модель для визуализации Модель для ГД и ГС расчетов Модель для расчета динамики ТТ - Водоизмещение - Положение ЦТ - Поправки к присоединенным массам - ГД коэффициенты - Параметры интегрирования

13 Синтез изображения: Морские объекты Deferred Shading Cook-Torrance Shadow Mapping Depth buffer NxNyNz- SMR- RGB-

14 Синтез изображения: Морская поверхность (сетка) CUDA CuFFT Карта высот (Текстура)

15 Синтез изображения: Морская поверхность (шейдинг) Отражение Френеля (только небо) Затухание по глубине Граница сред

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

17 Особенности реализации для ЦСМВ Стерео: –GL Quad Buffer Stereo –1x – шаг моделирования –2x – синтез изображения для разного положения камер Широкий экран: –MLAA

18 Метод построения кадра 1.Интерпретация сценария (Lua) 2.Построение текущего ядра БПФ для поля волнения (CUDA CuFFT) 3.Построение случайной сетки для интегрирования сил 4.Расчет ГС и ГД сил действующих на каждый узел 5.Шаг интегрирования задачи движения 6-DOF твердого тела (Bullet Physics) 6.Визуализация поверхности моря и морского объекта (OpenGL 3.3, CgFX)

19 Система сценариев Интерпретатор Lua Объекты моделирования: –«Корабль»- модель судна –«Таймер»- для постановки сложных экспериментов Внешняя среда –Морское волнение Объекты: –Выполняют некоторую функцию на каждом шаге –Взаимодействуют друг с другом –Воспринимают команды пользователя

20 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

21 Исследование ПР на встречном волнении Эффект Доплера «Валкость» ω encounter = 2ωroll 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

22 Исследование брочинга 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

23 Исследование брочинга (классы траекторий)

24

25

26 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;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;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;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.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.

27 Вопросы?