基于Unity 3D的閥門虛擬仿真交互系統(tǒng)研究

黃苗苗 鄭媛玉

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016）

0 引言

從國外研究情況來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國外已經(jīng)較為成熟，且在實踐過程中主要廣泛運用于各個領(lǐng)域中。我國仍處于從閥門制造大國向閥門制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)化的過程中，要想真正實現(xiàn)這一發(fā)展目標(biāo)，就必須直面我國閥門研發(fā)與創(chuàng)新能力不足這一問題，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題是我國閥門產(chǎn)業(yè)未來長遠(yuǎn)發(fā)展的必經(jīng)之路。在我國閥門產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，尤其要注重虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，其中數(shù)值模仿技術(shù)更是重中之重，該項技術(shù)對我國提高閥門制造與創(chuàng)新技術(shù)具有不可替代的作用。細(xì)觀已經(jīng)被開發(fā)的閥門仿真系統(tǒng)，其具有數(shù)量少，系統(tǒng)單一，產(chǎn)品及環(huán)節(jié)較為粗糙等問題，且這些仿真系統(tǒng)的軟件大多是以CAD為基礎(chǔ)開發(fā)，雖然其三維造型功能趨于成熟，但對閥門運動模擬方面的研究卻少之又少。如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為計算機(jī)學(xué)科近年倆新興的一個新興分支，現(xiàn)主要應(yīng)用于軍事、娛樂、制造、醫(yī)療、IT和技術(shù)等領(lǐng)域中。該文主要是以Unity 3D為開發(fā)引擎，進(jìn)而對閥門的整體模型進(jìn)行虛擬仿真，并通過人機(jī)交互的設(shè)計實現(xiàn)了對虛擬閥門的實時運行。

1 開發(fā)流程

對該文氣門運動仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，以美標(biāo)8"150#截止閥為例，在實踐過程中通過Pro/E來有效建立截止閥門的零件圖并進(jìn)行組裝，應(yīng)用3DS MAX進(jìn)行有效渲染，然后以統(tǒng)一3D的兼容格式進(jìn)行導(dǎo)入。在進(jìn)行導(dǎo)入后可在Unity 3D中添加組件。在搭建場景后，需要做好系統(tǒng)的交互設(shè)計，針對系統(tǒng)完成后進(jìn)行性能測試，最后才生成可執(zhí)行文件以及網(wǎng)絡(luò)文件。具體實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 虛擬閥門仿真系統(tǒng)開發(fā)流程

2 仿真試驗步驟

鑒于目前閥門產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上存在巨大的相似性，同時參數(shù)化建模在實踐過程中更合適，尤其是針對尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和大小相同的產(chǎn)品。此外，在閥門中大量使用標(biāo)準(zhǔn)化和通用內(nèi)容有助于在3D建模軟件中開發(fā)專門的閥門設(shè)計平臺，并提高質(zhì)量和設(shè)計的效率。閥門建模完成后，使用數(shù)值模擬在虛擬條件下驗證原理圖設(shè)計模型的性能。根據(jù)驗證結(jié)果，可以選擇不同的建模場景來增強(qiáng)特定的建模場景，減少了驗證測試的數(shù)量和開發(fā)成本。在模擬測試中，閥門強(qiáng)度和流量特性是主要的驗證領(lǐng)域。在閥門設(shè)計中，閥體幾個關(guān)鍵零件的強(qiáng)度只能按受力理論來保證，很難反映閥門復(fù)雜工作狀態(tài)的要求。此外，獲得閥門流動特性的傳統(tǒng)方法只能在閥門產(chǎn)品制造完成后進(jìn)行測試。研發(fā)成本高，研發(fā)循環(huán)長，閥門規(guī)格適用范圍相對較小。按照常規(guī)的計算方法，這2個參數(shù)是不準(zhǔn)確的或昂貴的。通過仿真分析經(jīng)驗，閥門設(shè)計者可以獲得閥門在閥體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布和流動特性的分析結(jié)果，使對閥門設(shè)計方案的評價更加準(zhǔn)確，與閥門設(shè)計的改進(jìn)有很強(qiáng)的性。一般來說，在閥門模擬試驗過程中，需要對閥體進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕＃?shù)值模型，定義邊界條件，分析計算結(jié)果。

2.1 建立閥門實體模型

該研究中閥門的三維建模可以通過UG、Solidworks、Pro/E等三維軟件進(jìn)行建模。由于閥門產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相似性較高，有利于參數(shù)化建模。因此，將閥門設(shè)計平臺集成到一些主流的建模軟件中，對提高閥門產(chǎn)品建模的質(zhì)量和效率具有重要意義。閥門的主要部件有閥體、閥門定位器、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、連桿等。通過Pro/E三維建模軟件建立各個部件的模型，然后按照合理的順序進(jìn)行裝配，得到整個閥門的模型，如圖2所示。閥門虛擬仿真系統(tǒng)可以執(zhí)行諸如模型旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、分割、動態(tài)切割、尺寸讀取、數(shù)據(jù)顯示、透視、層疊遮罩、逐級顯示等功能，以便充分展示閥門的結(jié)構(gòu)和工作原理，拆除示范的特點和過程等，以便更好地了解其結(jié)構(gòu)和工作特點。與傳統(tǒng)的人機(jī)界面和常見的窗口操作相比，在產(chǎn)品展示、員工培訓(xùn)、技術(shù)適應(yīng)甚至設(shè)計優(yōu)化方面都有很多優(yōu)勢。1）電子紙文檔。允許查看動態(tài)閥門模型、圖紙、文檔和模擬，并下載所有閥門模型、圖紙和文檔來管理閥門數(shù)據(jù)。運動仿真為機(jī)構(gòu)提供了運動演示功能。單擊相應(yīng)的運動演示節(jié)點，查看其模擬動畫。2）拆解的定義。由于閥門必須按照一定的順序拆卸，因此在進(jìn)行拆卸演示之前，需要定制閥門的三維模型的拆卸過程，以便為拆卸演示奠定基礎(chǔ)。并模擬培訓(xùn)的評估。3）拆解演示。在拆卸定義中顯示設(shè)備拆卸過程，以執(zhí)行閥門拆卸演示功能。4）模擬訓(xùn)練。教學(xué)、培訓(xùn)和評估功能。5）標(biāo)準(zhǔn)。管理與閥門的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件，為虛擬閥門仿真提供有力支持。

圖2 閥門三維模型

2.2 模型的渲染和導(dǎo)入

首先將裝配好的閥門模型插入3DS MAX中，在其中使用材質(zhì)以及顏色等進(jìn)行渲染，然后將其導(dǎo)出為與Unity 3D兼容。其次將FBX導(dǎo)入Unity 3D。導(dǎo)入后，將必要的燈光以及攝像機(jī)添加到Unity 3D中。由于3DS MAX的坐標(biāo)系和單位與Unity 3D不同，因此在進(jìn)行導(dǎo)入之前，需要調(diào)整每個運動集的單位轉(zhuǎn)換比例和坐標(biāo)位置關(guān)系。1） 簡化模型的幾何構(gòu)造。虛擬現(xiàn)實場景需要計算機(jī)硬件來進(jìn)行實時計算。如果面數(shù)太多，資源消耗會比較大，可能會導(dǎo)致運行速度逐漸下降，甚至無法發(fā)揮實際作用；它還會增加文件的容量，并將文件發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)增加下載時間。在虛擬場景過程中，模型建立表現(xiàn)主要的幾何線段，而不影響其準(zhǔn)確性。繪制模型主要是以顯示主線，并使用電鍍紋理以有效獲得全局和詳細(xì)的表示。2） 移除模型的連接面和隱藏面。在建模過程中，生成的一些幾何圖形超出了可見的限制，例如模型內(nèi)部不可見的隱藏面、零件以及設(shè)備與地面之間的接觸。雖然這些表面是不可見的，但是它們被添加到實時接收圖的計算過程中，這會影響系統(tǒng)的實際操作效率。這些不可見面的消除減少了模型生成面的數(shù)量，優(yōu)化了UV紋理的像素分布，并降低了渲染成本。3） 創(chuàng)建模型時避免使用布爾計算。布爾運算在實踐過程中容易出現(xiàn)錯誤，會增加面的數(shù)量，還會在后固化過程中產(chǎn)生黑面。4） 復(fù)制對象使用實例在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，如果有大量幾何形狀相同但位置不同的對象，復(fù)制對象可以使用實例。在虛擬場景中，如果重復(fù)建模，會顯著增加多邊形的數(shù)量以及系統(tǒng)資源的消耗。實例是模型對象的參考副本，多邊形的數(shù)量不會隨著實例化對象數(shù)量的增加而不斷增加。實例對象使用非常少的計算資源，這就減少了文件空間，提高了平臺的實時處理性能。5） 一些復(fù)雜物體的紋理如果只使用多邊形建模，可能需要大量的面，但如果使用簡單的模型和簡單的紋理，則使用電鍍紋理來反映物體的細(xì)節(jié)，產(chǎn)生逼真有效的效果。降低建模難度，減少模型的總面數(shù)，顯著減少三角模型的面數(shù)，提高逼真虛擬環(huán)境中的實時性，保證真實感。

3 流體特性試驗

閥門是通過流體的機(jī)器，其流動特性是其產(chǎn)品設(shè)計的實踐重要基礎(chǔ)。獲取閥門流量特性的傳統(tǒng)方法是在閥門制造完成后進(jìn)行測試。開發(fā)周期相對較長，同時開發(fā)成本也比較高，適用于閥門的規(guī)格范圍小。

考慮到閥門兩邊的流體性質(zhì)，由伯努利方程可得公式（1）。

式中：、是閥門兩邊的壓力；，是閥門兩邊的流速；是一常數(shù)；是閥門的損頭；是損頭系數(shù)；g為重力加速度。

根據(jù)動量定理可得公式（2）。

式中：為流體密度。

又根據(jù)官流連續(xù)方程可得公式（3）。

式中：、閥門兩邊的截流面積。

進(jìn)而求出流體流量，使用CAE軟件添加合理的流體限制條件，使模擬試驗分析不僅可以直觀地顯示閥流道中的壓力和速度分布等數(shù)據(jù)，還可以計算流量系數(shù)和流阻系數(shù)等流動特性參數(shù)，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計相對非常重要。

4 交互設(shè)計

虛擬閥門是模擬相對應(yīng)實際計算機(jī)生成的三維虛擬對象。操作人員在實踐過程中可以有效通過控制鼠標(biāo)以及鍵盤等對虛擬對象（截止閥）進(jìn)行一系列操作。交互是控制閥門運動的重要關(guān)鍵，腳本的編寫是有效實現(xiàn)相對應(yīng)交互的重要方式。可以通過將編寫的腳本附加到相應(yīng)的GameObject（該文是valve的移動部分）來有效實現(xiàn)三維場景的動態(tài)交互。1） 演示設(shè)備的介紹。通過使用第一人稱或第三人稱視角來選擇用于交互的設(shè)備。所選設(shè)備的介紹顯示在左上角，以便學(xué)生或是辦公室人員更好地了解設(shè)備的詳細(xì)信息。促進(jìn)人員更快地融入研究或工作。2） 設(shè)備的拆卸和組裝。在選擇交互式拆卸設(shè)備時，需要模擬拆卸效率。效率是拆卸過程的重要關(guān)鍵。根據(jù)外部環(huán)境溫度以及不同條件下的人為因素，通過更換不同的零件來達(dá)到可能不同的效率。模擬影響拆解和拆裝作業(yè)效率的因素，以便更接近真實經(jīng)驗或是工作環(huán)境，并盡可能還原原本閥門設(shè)備維修環(huán)境。3） 獨立顯示模型。為了能夠在更換過程中更好地可視化設(shè)備本身，可以通過選擇交互模型并單獨查看設(shè)備模型，這樣更容易觀察到微小的組件或隱藏零件。

簡單的交互可以在實踐過程中通過JavaScript來實現(xiàn)，因此該文使用JavaScript語言編寫程序來實現(xiàn)交互。例如，我們想通過鍵盤上的某個鍵來實現(xiàn)截止閥的某種功能。以有效控制閥門零件爆炸圖的鍵“W”為例，可以通過編寫JavaScript語言輕松實現(xiàn)。

public GameObest valve;//獲取虛擬閥對象

public float speed=3;

Void Update()

{

if(Input.GetKey (KeyCode.W))

{

valve.transform.Translate (Vector3.forward*speed*Time.deltaTime);

}}

另一個重要的交互功能是GUI界面的設(shè)計，用戶可以通過用鼠標(biāo)點擊界面中的按鈕來實現(xiàn)對應(yīng)的功能。以點擊按鈕來控制閥門零件爆炸為例，相應(yīng)的代碼如下。

Void OnGUI ()

{

if (GUI.Button（ new Rect（10，10，100，30）," 零件爆炸" )

{

valve.transform.Translate (Vector3.forward*speed*Time.deltaTime) ；

}}

通過以上流程，可以在Unity 3D平臺中發(fā)布成相應(yīng)的可執(zhí)行文件和網(wǎng)絡(luò)文件如圖3所示。

圖3 虛擬截止閥零件展示

5 結(jié)語

利用三維建模軟件Pro/E和交互性極強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實軟件Unity 3D的結(jié)合，可以最大程度上實現(xiàn)對閥門的虛擬仿真，該技術(shù)的發(fā)明與運用，對生產(chǎn)與教學(xué)方式的改進(jìn)與演變具有重要意義，為企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品展示提供優(yōu)良平臺，使顧客可以更好地了解企業(yè)產(chǎn)品，促進(jìn)交易的達(dá)成。