固体导弹总体方案论证可视化技术 - 文章

固体导弹总体方案论证可视化技术

作者：秦小波欧海英张为华

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摘要：针对固体导弹总体方案论证进行可视化技术研究，提出了固体导弹总体方案论证可视化研究框架、关键技术及其实现途径。
关键词：固体导弹，方案论证，虚拟原型，可视化。

1 引言

在计算机和计算机图形学飞速发展的今天，可视化技术在许多领域获得了极大发展和应用。人类的可视化功能，允许人们对大量抽象的数据进行分析，通过人的形象思维激发人的创造性。

20世纪90年代初出现的虚拟原型技术，用虚拟样机代替实物样机，以实际系统专业知识为基础，综合应用计算机技术、仿真技术、信息技术、数据库技术、设计优化技术和可视化技术等，在全寿命周期中对产品进行论证、分析、评估、决策、修改和管理，从而达到显著缩短研制周期、大幅降低成本和提高效率的目的。虚拟样机，是在外观、结构、功能和行为上模拟实物样机的仿真数字模型，它与原型机本质的不同是能够在方案论证阶段构建，可快速制作，允许用户从不同角度观察和修改。这种功能的实现必须借助可视化技术。

固体导弹虚拟样机具有真实产品的所有属性和特征。可视化技术使设计者和用户可以从固体导弹概念设计之初开始的全寿命周期内，随时观察和显示固体导弹外形、内部结构、装配性、操作性、维修性和功能等，考虑用户对产品的满意程度进行决策，并能够同时实现数据信息的交流共享，可视化技术在其中起着重要作用，在总体方案论证阶段尤显重要。

2 可视化技术需求分析

固体导弹可视化涉及固体导弹及分系统几何外形可视化、分系统可装配性分析、仿真计算过程、结果可视化和虚拟环境演示等。

a) 导弹外形结构可视化。
为导弹及分系统外形和结构等建立几何演示、几何模型库。图1为固体火箭发动机内孔药柱纵截面示意图。

图1 固体火箭发动机内孔药柱纵截面示意图

b) 固体导弹参数设计可视化。
通过专业软件应用开发，实现固体导弹二维和三维设计，用户通过参数输入实现图形可视化。

c) 固体导弹装配可视化。
直接演示各零部件和各分系统装配过程，研究零部件和分系统间装配性（包括零部件和子系统间隙检查、尺寸公差等)。

d) 仿真计算可视化。
专用和自主开发结合，提供二维图形和曲线绘制功能（如压强时间曲线等)。提供三维图形和曲线如发动机压强、温度分布(见图2)、导弹绕流复杂流场、结构应力场等绘制能力，实现三维显示，通过控制透明度观察内部结构。提供三维切片功能、实现数据与导弹外形合成显示。

e) 交互式可视化。
交互改变观察点位置和方向，观察数据场或场景动画中各部分；交互改变颜色及其对应关系，突出感兴趣部分的物理特征；实现画面局部放大、多画面叠加和比较等。

f) 环境虚拟。
环境虚拟包括发射试验场地打击目标、道路、桥梁等的三维视景。如目标模型库、目标所在地地形地貌、天气状况模拟等。采用实时交互式可视化仿真软件Vega能够方便地制作发射场虚拟环境。

g) 特殊效果动画。
直观展示固体导弹发射、飞行、打击目标全过程。建立导弹发射、飞行、目标命中等特殊效果模型库以及地面试验效果模型库。

图2 星型药柱温度场剖面图

h) 故障复现。
对导弹发射、飞行过程中可能出现的各种故障进行模拟显示，迅速找出产生故障的可能原因。图3直观显示了由于装药缺陷引起的发动机内流场性能变化。

图3 装药故障可视化

i) 声音模拟。
模拟发动机试车声音、发射架移动声音、发射塔架支撑杆打开或关闭声音、点火起飞声音和命中目标声音等。

j) 信息交换可视化。
为实现设计小组成员间的数据共享和信息交流，同时让用户及时看到虚拟产品，把握设计进度，自上而下地贯彻设计意图，利用分布式图形处理技术，实现图形、图像、视频和音频的传输及用户意见反馈。

3 可视化技术内涵

可视化技术包括实时仿真技术、图像压缩技术、高逼真度计算机成像技术和网络技术等。

a) 实时仿真技术。
系统实时性和仿真逼真度相互矛盾。建模要求精度越高，模型则相对复杂，对系统硬件要求也就越高，解算时间长，实时性受到影响。因此，对实时仿真系统建模，只有在满足实时性要求前提下，提高模型精度才有意义。

b) 图像压缩技术。
计算机成像系统，由于视景范围大、景物多，使视景数据存储量非常大，需研究高效图像压缩技术。

c) 高逼真度计算机成像技术。
要想以25帧/s显示，分辨率为1024×768像素，每帧又显示几千个多边形彩色高逼真度图像，图形处理装置必须完成1×109以上的操作。目前采用通用微机难以实现，必须采用高档图形工作站，同时研究高逼真度算法。

d) 网络技术。
可视化系统是一交互、分布、实时和多维化信息处理系统。仿真计算机和图形工作站之间大量高速数据传输要求采用高速网络产品。

4 可视化实现途径

4.1 系统软硬件构成

在固体导弹CAD、计算仿真可视化和视景仿真过程中，三维图形生成十分费时。为加快速度，硬件方面宜采用分布式图形处理系统。分布式图形处理系统由多个自治且不共享存储器的处理器组成，通过通信网络发送消息协同工作。这样，当系统中某些部分出现故障时，系统还可继续工作，同时便于系统扩充和修改，提高系统可用性、坚固性、灵活性和性价比。其工作流程为：向控制台注册仿真节点→接受控制台控制信息→从网络中得到所需其它仿真节点和数据库信息→SGI工作站图形动画显示。对SGI工作站还需配备一定外围设备。系统硬件构成如图4所示。

图4 固体导弹可视化系统硬件平台

计算机软件必须充分发挥计算机硬件的潜能，有效管理和使用计算机系统的各种资源，提高系统实时性。可视化软件采用目前流行的计算机辅助设计软件(AutoCAD和ProE)、科学计算可视化软件(Visualization Data Explorer)、图形处理软件(Adobe Photoshop)、建模软件(Multi Gen Creator 3D)和实时仿真开发软件(Vega)。

4.2 实现方法

a) 采用建模软件建立各种三维几何模型、视景环境模型和特殊效果模型。采用CAD和三维造型系统创建三维模型是目前较为常用的方法，即从CAD中接收模型，然后生成虚拟原型。常用建模软件有MultiGen、AutoCAD和ProE等。其中MultiGen主要用于视景特殊效果建模； AutoCAD主要用于精确外形设计和建模。

b) 利用二次开发系统实现固体导弹参数化设计，即应用C语言编程对所建模型实施控制。目前已实现固体火箭外形和装药参数化设计［10］，固体导弹参数化设计只需在此基础上扩充。

c) 系统模型数据结构标准化。由于各设计小组通常采用不同的CAD系统，数据存储格式各异，因此如何解决各种不同CAD系统与虚拟环境支撑系统之间数据信息的兼容性成为亟待解决的问题。

d) 三维视景数据库组织。三维数据库组织逻辑（格式)对视景系统运行质量有很大影响，常用CAD格式不适合实时系统。OpenFlight数据格式采用逻辑化以层次的景观描述数据库，通知图像生成器何时及如何渲染实时三维景观，非常精确可靠。

e) 图形动画实时显示。场景数据库组织好之后，采用Vega软件对数据库进行控制。每一帧画面遍历一次场景数据库，包括5个不同阶段：调用环境函数→更新几何物体 →执行任务→设置路径→渲染场景。虚拟场景位于最后阶段，遍历场景结构树，将场景绘制在计算机窗口上。

f) 仿真计算数据可视化。仿真计算数据可视化属于科学计算可视化范畴。可用专业软件或自主开发。三维数据场动态解算和可视化采用目前国内外流行的Visualization Data Expl orer 2.1，即Opendx。

g) 交互式可视化分析。Vega软件提供各种场景交互功能。

h) 声音功能实现。对各种声音进行录音，利用Vega中AudioWorks声音模块进行控制即可实现声音模拟。

i) 信息交换通讯可视化。在用户端建立与设计端一致的软硬件平台；发展分布和远程可视化所需要的高速网络；研究高效数据图像压缩技术。

参考文献
1 潘志庚.分布式并行图形处理技术及其应用.北京：人民邮电出版社，1997.
2 王行仁.飞行实时仿真系统及技术.北京：北京航空航天大学出版社，1998.
3 李晓梅,黄朝晖等.科学计算可视化导论.长沙：国防科技大学出版社，1996.
4 张秀山等.虚拟现实技术及编程技巧.长沙：国防科技大学出版社，1999.
5 周廷美,吴云,王仲范. IGES的数据结构及虚拟原型的生成.武汉汽车工业大学学报，2000 (1).
6 吴云等.虚拟现实的三维实体的场景存储结构.计算机仿真，2001(2).
7 王力等. VRML在仿真可视化系统中的应用.计算机仿真，2001(3).
8 黄伟等. VTK:一个面向对象的可视化类库.中国图像图形学报，2001(5).
9 鲍海等.一种大视景图像库的组织方法研究.中国图像图形学报，2001(1).
10 李晓斌等.固体火箭自动化设计初步研究.湖北航天科技，2001(3).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/20/2005)


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