船舶起货机液压系统的可视化仿真

贾小平，孙贤贤

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071；3.青岛民航凯亚系统集成有限公司，山东 青岛 266108)

船舶起货机液压系统的可视化仿真

贾小平1,2，孙贤贤3

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071；3.青岛民航凯亚系统集成有限公司，山东 青岛 266108)

针对当前船舶液压系统科研和教学过程中传统实物设备的封装性、隐蔽性、抽象性不足等问题，提出并实现了一套模拟和再现液压系统整体工作场景和液压油流动特性的可视化仿真系统。运用纹理映射方法对管道内液压油的流体特性及形态进行模拟；运用数值方程对液压系统工作机制和液压油动力学规律进行模拟，成功地仿真了船舶起货机液压系统的工作过程，为船舶起货机液压系统的科学研究和教学训练提供了有效手段。

液压系统；数值方法；纹理映射；流体；仿真

液压系统以其执行功率大、结构紧凑、工作平稳可靠、换向冲击小、能够实现无极调速等突出优点而普遍应用于航空航天、机械制造、船海工程等各个领域[1]。但由于液压系统的特殊性，即液压设备一般单独封装在固定的壳体或箱体中，其工作机制并不能直接显现，液压油在管路中的流动方向及形态也无法直接观察。然而，液压系统教学训练以及液压系统虚拟设计和科学研究都需要液压设备和流体的视觉再现，因此，有必要对液压系统的工作过程进行可视化仿真。

陈学文等[2]研究了可视化仿真技术在太空模拟操作中的应用，为航天员的培训提供了新思路；尹勇等[3]研究了可视化仿真技术在航海模拟器中的应用，在船舶驾驶员培训方面做出了积极探索；Cheng T等利用可视化仿真技术开发了液压虚拟漫游系统[4]，用以提高液压理论的教学效果及缩短培训时间。在现有文献中，与本文的工作最相近，但其开发的系统行业针对性不强，模型不完善且人机交互的操作真实性不够充分。鉴于此，在分析船舶起货机液压系统工作原理的基础上，综合运用三维建模、虚拟漫游、纹理映射和数值仿真等方法，在保证系统运行流畅的前提下精确模拟液压系统中各个元件之间的关联性和液压油动力学特性，并设计友好的人机接口。

1 液压设备工作机制仿真

液压设备工作机制仿真主要包括液压泵、液压马达、各种液压阀件及控制台的工作原理及动作过程仿真，其核心任务是设备内各个零部件在接受到来自控制台的操作指令后如何按照正确的速度和逻辑规律协调一致地运动并与管路中的液压油模型交互。对于具有简单线性运动特征的零部件，利用线性插值模型；对于具有复杂运动的零部件则采用非线性微分模型。

线性插值模型算法简单，实现容易，对于模拟那些线性运动的液压部件非常有效[5]，假设已知某运动零件的起始坐标(X1,Y1,Z1)与终止坐标(X2,Y2,Z2)，已知区间内某点X坐标，要得到该点的Y、Z坐标，则有：

(1)

图1 控制台手柄倾角与液压泵斜盘倾角关联性展示

非线性微分模型适用于模拟复杂运动部件及分析暂态过程，理论上可用以时间t为自变量的微分方程描述液压系统中任意零部件的运动状态[7]，通过求解微分方程就可得到液压部件在任意时刻的速度、角速度、位置和姿态，具体步骤如下。

首先找出系统中待描述的变量x，t为变化时间，n和k均为阶次：

(2)

仿真系统中取n=3，则方程(2)变成阿贝尔方程[8]:

(3)

利用变量代换的方法，设定a0(t),an(t)是在区间I上的连续函数，存在常数λ使得下面两个条件成立：

(4)

(5)

(7)

那么液压系统中变量x与时间t的关系就能通过式(7)得出，然后运用C#脚本编程实现液压设备工作机制仿真功能。利用上述方法开发完成的部分液压设备仿真结果见图2。

图2 液压马达及液压阀件仿真模型

2 液压油流态仿真

2.1 纹理映射

采用Shader编程纹理映射动画的方法来对管道内液压油的流动形态进行仿真模拟[9]。为了使油液表现出动态的变化，在系统中建立液压油管路模型u，选取液压油纹理f，其中a和b为纹理的平面坐标，那么在三维坐标(x,y,z)中就有:

(8)

然后对油液的运动轨迹进行分析，建立起运动方程，使液压油沿管路轴线方向移动，则有：

(9)

在液压油管路仿真过程中，着色器的属性可通过ShaderLab语言修改[10]。更改Main Color可以改变管路主体的颜色，同时可通过选择贴图设置纹理效果。参数_MoveSpeedX可以设置贴图纹理围绕管路中心轴旋转速度，参数_MoveSpeedY可以设置贴图纹理沿管路长度方向的移动速度。主要的代码如下。

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {

IN.uv_MainTex.x+=frac(_MoveSpeedX*_Time.x);

IN.uv_MainTex.y+=frac(_MoveSpeedY*_Time.x);

fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;

o.Albedo = c.rgb;

o.Alpha = c.a;}

采用以上纹理映射方法能够形象地表现液压油在管路中涌动的视觉效果，见图3。结合实际需要，在仿真系统中，采用不同的颜色来区分不同功能的管路，比如高压油路用红色，低压油路用绿色，控制油路用蓝色，补油回路用紫色，等等，这样很容易观察整个液压系统的工作机制，便于科研教学中的原理展示。

图3 液压油在管路中流动的效果

2.2 数值建模

为了更加精确地研究和模拟液压油的动力学规律，尤其是模拟液压油粘温物理特性以及管路交汇处的流动特性[11]，引入基于SPH(smoothed particle hydrodynamics)的拉格朗日法对液压油进行可视化仿真分析，首先建立流体粒子的运动方程为

(10)

然后根据流体粒子状态量受相邻粒子的影响建立受力模型：

(11)

根据以上模型，再结合具体的参数就可以求解出管路中液压油的流动状态。这种物理方法能够将流体的无理特性很好地展示出来，利用上述方法建模完成的起升系统液压管系见图4。

3 结论

1)采用纹理映射和贴图动画模拟管路中液压油流动形态，可满足模拟过程的逼真性和实时性要求；采用数值方法模拟液压系统中各个元件的相对关系和液压油动力学特性，可满足模拟过程的准确性要求，本方案能够在速度和精度之间取得较好平衡。

2)壳体半透明处理有效克服了传统实体液压设备的密封性、隐蔽性等不足，可对设备和阀件内部零部件的动作情况进行更透彻、更直观的三维展示。

3)与已有液压仿真系统相比，本系统针对性更强，数学模型和三维模型更全面，人机交互功能更好，用户可在三维场景中以第一人称视角随意漫游，同时通过虚拟操控台手柄发送指令并与仿真模型互动。试验表明，该系统具有较好的真实感和准确性，为教学培训以及更加深入地研究船舶起货机液压系统提供了有效的方法和手段。

4)虽采用数值方法对液压油进行动力学模拟，但为了降低计算量和系统资源消耗，并没有考虑更复杂的流体现象，比如漩涡。进一步的研究目标是开发效率更高、精度更好、功能更全面的绘制算法和粒子模型。

[1] 付久长,王永杰,马 龙,等.仿真技术在液压系统中的运用及展望[J].液压气动与密封,2014(9):1-2.

[2] 陈学文,刘玉庆,朱秀庆,等.基于虚拟现实的太空操作仿真技术研究[J].系统仿真学报,2011,23(3):516-521.

[3] 尹 勇,任鸿翔,张秀凤,等.航海仿真虚拟环境的视景生成技术[J].2001年中国系统仿真学会学术年会论文集,2001.

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Research on Visual Simulation of Marine Crane Hydraulic System

JIA Xiao-ping1,2, SUN Xian-xian3

(1 School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2 Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China;3 Qingdao Civil Aviation Cares Co. Ltd., Qingdao Shandong 266108, China)

Aiming at the encapsulation, concealment and abstract problems of traditional marine hydraulic equipment during research and teaching, a visual simulation system is proposed and implemented to emulate the entire hydraulic system working procedure and hydraulic oil flow characteristic. The texture mapping method is used to simulate appearance of hydraulic oil in pipe. Numerical equations are used to simulate hydraulic component working mechanism and hydraulic oil dynamics to simulate successfully the working process of the marine crane hydraulic system, providing a new effective approach for scientific research and training of marine crane hydraulic system.

hydraulic system; numerical method; texture mapping; fluid; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.018

2015-09-18

山东省教育厅科技计划项目(J15LN71)；山东省高等学校青年骨干教师国内访学项目(2015411)

贾小平(1980-)，男，硕士，讲师

TP391.9；U664.4

A

1671-7953(2015)06-0078-04

修回日期：2015-10-08

研究方向:船舶设备及系统计算机仿真

E-mail: ne219@163.com