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.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 Опытовые бассейны не позволяют воспроизвести все разнообразие экстремальных явленийОпытовые бассейны не позволяют воспроизвести все разнообразие экстремальных явлений Расчетные методы (ОСТ ) ориентированы на получение интегральных характеристик объектаРасчетные методы (ОСТ ) ориентированы на получение интегральных характеристик объекта Необходимо создание виртуальных полигонов на основе методов компьютерного моделирования 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 -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

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 - 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 WTF?

6 Вычисление сил действующих на судно

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

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

9 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

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

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

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

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

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

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

16 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)

17 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

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

19 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 ВИДЕО

20 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 ВИДЕО

21 Исследование брочинга (классы траекторий)

22

23 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.

24 Вопросы?