航空發(fā)動機三維工作演示系統(tǒng)設(shè)計

束家熠

【摘 要】本文介紹了利用三維建模軟件建立渦扇發(fā)動機模型的方法，使用旋轉(zhuǎn)、復制、平移等指令，安照發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖紙或照片構(gòu)建發(fā)動機三維模型。通過編程調(diào)用發(fā)動機三維模型，實現(xiàn)了渦扇發(fā)動機三維視景仿真程序，同時在前臺對話框顯示發(fā)動機動態(tài)模型輸出的發(fā)動機工作參數(shù)。在發(fā)動機模型中預留特效貼圖并通過程序的靈活調(diào)用，對發(fā)動機內(nèi)部的氣流特效和燃燒室與加力燃燒室的燃燒特效提出了新的實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】三維建模；渦扇發(fā)動機；視景仿真

0 引言

相較于傳統(tǒng)的數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)曲線，使用三維視景仿真技術(shù)對航空發(fā)動機的工作狀態(tài)進行模擬，可以更為直觀地顯示發(fā)動機在不同工況下的內(nèi)部氣流流速、溫度等重要特征。

Creator和Vega Prime分別是美國MultiGen公司開發(fā)的商用三維仿真建模軟件和實時三維應用開發(fā)環(huán)境，Creator生成的三維模型可通過Vega Prime配置生成三維視景仿真應用，是種高效、便捷、靈活的三維視景仿真系統(tǒng)開發(fā)手段，同時提供了逼真的仿真效果和聲、光以及視覺特效。

本文基于上述兩種軟件，開發(fā)航空發(fā)動機三維工作演示系統(tǒng)，可應用于科研教學、企業(yè)產(chǎn)品演示等。

1 航空發(fā)動機模型的建立

與3DMAX等主流建模軟件相比，Creator的特點是采用了針對實時應用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，這是一種通過劃分層次來描述視景信息的邏輯化數(shù)據(jù)庫，由眾多不同等級的節(jié)點所構(gòu)成的[1]。

在現(xiàn)實世界中，一個封閉的幾何物體的構(gòu)成要素可分為體、面、線、點。相對應的，在典型的OpenFlight模型數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)成一個物體的節(jié)點從結(jié)構(gòu)層次上依次為體節(jié)點、面節(jié)點、線節(jié)點和點節(jié)點，另外任意多個節(jié)點還可以組合成一個組節(jié)點以便于管理。從功能角度來說，上述體、面、線等節(jié)點可用于描述三維模型的幾何特征以及顏色、反光度和紋理等特征信息，而組節(jié)點可用于集中管理不同節(jié)點之間的層次關(guān)系[2]。

以典型的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機為例，其主要結(jié)構(gòu)部件包括風扇、壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪、尾噴管、機匣和附件等。

航空發(fā)動機內(nèi)的大部分部件均為旋轉(zhuǎn)件，如高低壓轉(zhuǎn)子，機匣和燃燒室等。對于這一類部件，可以直接通過描點（polygon）指令按照發(fā)動機圖紙或照片描繪出發(fā)動機的橫截面，然后通過滾動指令將橫截面圍繞發(fā)動機中軸線一圈并生成旋轉(zhuǎn)部件的封閉實體。最后，為了節(jié)省仿真程序運行時的計算機資源，可將實體封閉后觀察不到的多余面節(jié)點刪除。

發(fā)動機葉片可視為扭轉(zhuǎn)的拉伸實體，因此可先利用描點指令（polygon）描繪出葉片的截面形狀，然后通過復制、平移（Translate）、旋轉(zhuǎn)（Rotate about edge）等指令將葉片截面移至不同高度，并隨高度增加扭轉(zhuǎn)一定角度，最后通過連接（Loft）指令將這些截面連接為一個完整的葉片。對于渦輪或比較短小的壓氣機葉片，可以直接將葉片截面通過拉伸（Wall）指令生成無扭轉(zhuǎn)的葉片。最后將生成的葉片安裝到發(fā)動機上，使用復制和旋轉(zhuǎn)指令圍繞發(fā)動機中軸線生成一圈完整的發(fā)動機葉片。

除了上述體、面等節(jié)點外，Creator還提供了一些特殊節(jié)點，這些節(jié)點與組節(jié)點的級別相同，但并不包含模型的幾何特征信息，其作用是為下屬的子節(jié)點提供特殊效果。在建立本文中的航空發(fā)動機模型的過程中，主要涉及到兩種特殊節(jié)點，其一是自由度節(jié)點（DOF），該節(jié)點的作用是賦予模型中的任意體節(jié)點一個子坐標系，以上級節(jié)點的坐標系為母坐標系，在DOF節(jié)點下的體節(jié)點可以以子坐標系的原點為中心，在母坐標系的運動基礎(chǔ)上做六自由度的相對運動，結(jié)合編譯語言的運用，可以靈活的展現(xiàn)模型的動態(tài)特性。例如本文將發(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)子分別置于DOF節(jié)點下，并將DOF坐標系原點設(shè)在發(fā)動機中軸線上，后續(xù)便可通過程序控制高低壓轉(zhuǎn)子圍繞發(fā)動機中軸線旋轉(zhuǎn)。另一個特殊節(jié)點是選擇節(jié)點（switch node），使用該節(jié)點可以對下級節(jié)點進行顯示或隱藏控制。

通過上述方法，分別建立了大（圖1）、小涵道比渦扇發(fā)動機。

2 VigaPrime與Visual Studio的聯(lián)合編程的實現(xiàn)

Vega Prime可直接讀取由Creator開發(fā)的OpenFlight格式模型，通過將三維視景仿真程序的底層代碼封裝、固化并增加向?qū)Ｊ剑阌陂_發(fā)者對視景仿真程序進行快速配置。通過圖形化的人機界面，開發(fā)者可以很方便地在虛擬世界中加入各種地景、模型、天空、氣候、云層、水面以及煙霧、爆炸和火光等特效，并自定義觀察者的運動方式。完成仿真環(huán)境的配置并輸出后，可由VS（Visual Studio） C++調(diào)用配置文件，完成應用程序的開發(fā)。

本文利用VS中MFC自帶的多媒體定時器設(shè)置仿真周期，每隔16ms刷新Vega Prime仿真程序的顯示畫面，利用定時器可以較為精確地控制仿真周期，實現(xiàn)Vega Prime程序的運行。

2.1 程序設(shè)計與界面

本文的仿真程序主要包括三個自定義類：

1）顯示控制對話框類（圖2），此類為仿真應用程序的主要類，有兩個主要作用：首先，該類下建立并調(diào)用了Vega Prime仿真對象和發(fā)動機動態(tài)模型對象，通過對發(fā)動機模型的后臺調(diào)用獲取下一仿真周期中發(fā)動機工作狀態(tài)參數(shù)，并將這些參數(shù)傳遞給Vega Prime對象用以在前臺實時刷新仿真窗口，將發(fā)動機的高低壓軸轉(zhuǎn)速、氣流狀態(tài)、燃燒室火焰等狀態(tài)變化以三維視景仿真的形式呈現(xiàn)。其二是數(shù)據(jù)的顯示和輸入，該類可通過儀表等控件將后臺的發(fā)動機工作狀態(tài)參數(shù)直觀地呈現(xiàn)給用戶，并提供如油門臺推力桿角度等發(fā)動機控制參數(shù)和高度、溫度等環(huán)境參數(shù)的輸入功能，并將輸入的參數(shù)傳遞給發(fā)動機模型。

2）發(fā)動機動態(tài)模型類，該類通過動態(tài)鏈接庫（DLL）調(diào)用獨立的發(fā)動機動態(tài)模型，接收來自監(jiān)視對話框類的發(fā)動機控制參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，計算出下一仿真周期的發(fā)動機工作參數(shù)，并將該參數(shù)傳遞給監(jiān)視對話框類；

3）VigaPrime仿真實現(xiàn)類（圖3），負責定義并初始化視景仿真窗口，調(diào)用發(fā)動機三維模型，并根據(jù)從監(jiān)視對話框類中接收的參數(shù)實時刷新顯示界面。此外，發(fā)動機視景仿真程序中的火焰和氣流特效也是通過該類中的成員函數(shù)實現(xiàn)的。

2.2 發(fā)動機部件自由度節(jié)點設(shè)計

本程序所用的發(fā)動機模型主要擁有高、低壓軸兩個旋轉(zhuǎn)部件以及小涵道比發(fā)動機特有的可調(diào)節(jié)尾噴管，上述部件的旋轉(zhuǎn)運動以Rotate（double p，double y，double r，true）函數(shù)實現(xiàn)，其中p，y，r分別代表了DOF下屬節(jié)點的俯仰，偏航和滾轉(zhuǎn)角度。

3 發(fā)動機動態(tài)特效的實現(xiàn)

發(fā)動機的動態(tài)工作特效主要有氣流在發(fā)動機流道內(nèi)的流動特效、燃燒室的動態(tài)燃燒特效和加力燃燒特效等。很明顯，這些特效的實現(xiàn)較為復雜，無法僅通過Creator建模實現(xiàn)，而Vega Prime雖然提供了一些簡單的效果函數(shù)，但仍無法滿足航空發(fā)動機工作時動態(tài)特效的要求。例如燃燒室的火焰效果，Vega Prime內(nèi)置的火焰特效無法表現(xiàn)燃燒室內(nèi)的高速燃燒視景效果。因此，運用Creator中的特效節(jié)點和Vega Prime特效函數(shù)，并通過仿真程序靈活調(diào)用是展現(xiàn)這些特效的關(guān)鍵。

3.1 氣流特效

發(fā)動機內(nèi)外涵道內(nèi)的氣流速度、溫度是表征發(fā)動機工作狀態(tài)的重要特征，由于發(fā)動機內(nèi)部流道較為復雜，而Vega Prime自帶的粒子特效只帶有簡單的方向和速度指令，無法沿復雜路徑移動，不利于展示發(fā)動機內(nèi)的氣流特性。而粒子本身又是不透明的，很容易遮擋發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，妨礙觀察。本文采用動態(tài)透明貼圖的方式，既直觀的展現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)部氣流流向、速度和溫度，同時避免占用過多系統(tǒng)資源。具體方法是：首先在Creator中建立兩個形狀與發(fā)動機流道相同的面節(jié)點，其中一個面節(jié)點貼上表征發(fā)動機內(nèi)部溫度的半透明貼圖，另一個面上貼上一層白色半透明靜態(tài)氣流貼圖作為氣流指示，通過TextureAnimation（）函數(shù)，命令靜態(tài)氣流貼圖以指定的速度沿發(fā)動機進氣道向尾噴管移動，通過調(diào)節(jié)括號內(nèi)參數(shù)的大小，可以調(diào)節(jié)指示氣流的速度，以配合表現(xiàn)發(fā)動機不同工況。由于動態(tài)貼圖只會在與流道截面形狀一致的面節(jié)點上移動，所以對觀察者而言，氣流只會在發(fā)動機內(nèi)外涵流道內(nèi)運動，同時由于采用了半透明的貼圖，氣流的流動演示不會阻擋發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不妨礙對發(fā)動機結(jié)構(gòu)的觀察。

3.2 燃燒室火焰特效

如上文所言，Vega Prime雖然自帶了常規(guī)火焰效果，但不足以模擬航空發(fā)動機燃燒室內(nèi)的劇烈燃燒場景。為解決上述問題，本文使用了貼圖切換的方式，首先在Creator中建立兩個和燃燒室截面相同的面節(jié)點，分別貼上兩張大小略有差異的火焰貼圖，并使之處于同一個Switch節(jié)點之下，確認該Switch節(jié)點的狀態(tài)1和狀態(tài)2分別對應其中一張火焰貼圖，便可在MFC中通過調(diào)用setActiveMask（）函數(shù)選擇當前顯示的火焰貼圖，隨著幀數(shù)刷新不停切換大小兩張貼圖，如此便通過兩張不同大小的靜態(tài)火焰貼圖的高速轉(zhuǎn)換，配合Vega Prime中動態(tài)添加的照明效果，可以模擬燃燒室內(nèi)的火焰的閃爍、燃燒效果。

3.3 加力火焰特效

對于小涵道比渦扇發(fā)動機，其低壓渦輪后通常帶有加力燃燒室，當加力接通時，高速燃氣從尾噴管噴出，形成加力火焰。為模擬加力火焰的動態(tài)效果，本文通過疊加多個Vega Prime提供的vpFxParticleSystem粒子特效類[5]，實現(xiàn)加力火焰的模擬。通過調(diào)用vpFxParticleSystem類的函數(shù)，可設(shè)置一組粒子群，并自定義其流動速度、方向、數(shù)量和顏色。建立加力火焰特效的具體方法為：首先對vpFxParticleSystem類對象調(diào)用setScale（）函數(shù)和setMaxNumParticles（）函數(shù)，對粒子群的形狀重新定義，并增加粒子密度，使其具備加力火焰的外型特征。由于同一個vpFxParticleSystem類的對象只能設(shè)置一種顏色，為了更真實地展示加力火焰的紅色外焰和白色內(nèi)焰特征，本文建立了3個大小不同的pFxParticleSystem類對象，其中最大和最小的粒子群分別設(shè)為紅色和白色，中間以黃色過渡，形成逼真的動態(tài)加力火焰特效。

4 結(jié)束語

本文使用Creator建立了OpenFlight格式的航空發(fā)動機三維模型，通過Vega Prime與MFC的聯(lián)合編程實現(xiàn)了發(fā)動機工作狀態(tài)的動態(tài)視景仿真。并結(jié)合模型特殊節(jié)點設(shè)計和MFC程序調(diào)用，對發(fā)動機內(nèi)的氣流特效、燃燒室火焰特效和加力火焰特效提出了新的視景仿真實現(xiàn)方法。

【參考文獻】

[1]趙琳.航空發(fā)動機教學實驗視景仿真系統(tǒng)[D].西安：西北工業(yè)大學，2007.

[2]陳慕春，張衛(wèi)，李洪棟.基于Creator 的虛擬航空儀表建模技術(shù)[J].航空計算技術(shù)，2011（7）：75-77.

[3]胡鋅楠，于勁松.基于MFC編程框架的Vega Prime軟件集成技術(shù)的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2009，21（14）：4291-4294.

[4]Vega Prime Programmers Guide. Version 2.2.1.MultGen-Paradigm Inc.2008[Z].

[5]Vega Prime Special Effect Guide. Version 2.2.1.MultGen-Paradigm Inc.2008[Z].

[責任編輯：楊玉潔]