王 欣,方 東
(蚌埠汽車士官學(xué)校,安徽 蚌埠 233011)
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一種精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
王欣,方東
(蚌埠汽車士官學(xué)校,安徽蚌埠233011)
摘要:目前,在橋梁毀傷仿真領(lǐng)域采用的數(shù)值仿真方法雖具有精確性高的優(yōu)點(diǎn),但是仿真過程不直觀、形象,整體性不強(qiáng)。采用視景仿真技術(shù)進(jìn)行精確打擊下橋梁毀傷仿真,在保證精確性要求的基礎(chǔ)上,利用Unity3D軟件以三維畫面的形式進(jìn)行展示,仿真過程形象、直觀、明了。給出的精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,能夠滿足真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的要求,利用Unity3D自帶的物理引擎完成了橋梁模型的物理特性建模和爆炸仿真分析,通過全過程仿真,能夠分析得出相應(yīng)的毀傷結(jié)論,達(dá)到了預(yù)期效果。
關(guān)鍵詞:精確打擊,橋梁毀傷,視景仿真,Unity3d軟件
國防交通設(shè)施已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中交戰(zhàn)雙方進(jìn)行打擊的首選目標(biāo),橋梁目標(biāo)在國防交通設(shè)施中地位極為重要,在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)作用巨大,由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和目標(biāo)的特殊性,此類目標(biāo)的抗毀傷特性很難進(jìn)行實(shí)彈、實(shí)爆測(cè)試,必須借助計(jì)算機(jī)仿真。相關(guān)內(nèi)容國內(nèi)外的學(xué)者都進(jìn)行了深入研究,取得了一系列成果。文獻(xiàn)[1-3]研究了武器系統(tǒng)對(duì)于特定目標(biāo)的毀傷建模方法。文獻(xiàn)[4]利用數(shù)值仿真的方法研究了常規(guī)武器對(duì)于斜拉橋的毀傷效果分析方法,文獻(xiàn)[5]結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁的圖像毀傷效果進(jìn)行了研究,該方法需要借助空中偵察提供的圖片。文獻(xiàn)[6]對(duì)于精確突擊下橋梁目標(biāo)的打擊方式進(jìn)行了深入研究,給出了各種毀傷等級(jí)的定義,文獻(xiàn)[7]給出了不同材料橋梁毀傷的等效裝藥量計(jì)算公式。在有關(guān)橋梁的結(jié)構(gòu)特性和毀傷仿真的研究中,多采用數(shù)值仿真的方法,例如仿真檢驗(yàn)橋梁目標(biāo)的抗剪性與抗裂性或彈藥對(duì)橋梁目標(biāo)的侵徹作用,這種方法雖有較高的精確性,但是結(jié)果展示不夠形象直觀,整體性不強(qiáng)。通過文獻(xiàn)檢索,目前尚無針對(duì)精確打擊下橋梁目標(biāo)毀傷的視景仿真方法。結(jié)合視景仿真和數(shù)值仿真的特點(diǎn),本文給出一種利用Unity3D軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng),以第一人稱視角的方式,實(shí)現(xiàn)了橋梁毀傷仿真的精確性、直觀性和形象性。
1.1真實(shí)性要求
本系統(tǒng)在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,將數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)三維立體圖像的形式展示出來,從而為橋梁目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精確打擊武器參數(shù)設(shè)計(jì)、毀傷參數(shù)設(shè)計(jì)等提供可靠參考。這要求本系統(tǒng)必須具備高度的真實(shí)性,使橋梁模型的構(gòu)建、武器模型的設(shè)計(jì)與真實(shí)條件相吻合,具有說服力。
1.2實(shí)時(shí)性要求
為滿足實(shí)時(shí)性要求,本系統(tǒng)中武器模型應(yīng)為可實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)個(gè)體,能夠?qū)⒕_打擊武器命中橋梁的毀傷效果、橋梁整體剛性結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。因此,該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中必須根據(jù)武器模型的運(yùn)動(dòng)打擊效果實(shí)時(shí)進(jìn)行分析,對(duì)于橋梁目標(biāo)的斷裂、爆炸等效果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并能進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估。
1.3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)由4個(gè)主要模塊構(gòu)成,見圖1。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
橋梁模型庫:主要完成橋梁三維仿真模型的構(gòu)建,為了保證仿真的準(zhǔn)確性,需要在三維模型設(shè)計(jì)中對(duì)模型進(jìn)行分割,考慮到實(shí)際中橋梁多是由多個(gè)部分構(gòu)成,并且各部分之間存在著相互作用關(guān)系,例如梁橋是由橋墩和橋跨兩部分構(gòu)成,橋墩對(duì)橋跨有支撐作用,因此,在三維模型建模的基礎(chǔ)上,需要進(jìn)行橋梁整體剛性結(jié)構(gòu)的建模設(shè)計(jì)。
武器模型庫設(shè)計(jì),主要包括彈體三維模型設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是FPS(First Person Shooter)模型,即第一人稱視角模式,用戶通過瞄準(zhǔn)發(fā)射導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷,在三維模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,添加攻擊武器的力學(xué)特性,例如采用精確打擊時(shí),彈體的彈道、自身質(zhì)量、物理特性、裝藥質(zhì)量、殺傷半徑等參數(shù),要求實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)模型毀傷的實(shí)時(shí)分割,即真實(shí)地將仿真對(duì)象進(jìn)行毀傷,爆炸碎片根據(jù)受攻擊部位、強(qiáng)度、半徑、裝藥質(zhì)量等因素實(shí)時(shí)分割產(chǎn)生,而不是以往將采用粒子系統(tǒng)和預(yù)置碎片的方式展示毀傷效果。
參數(shù)設(shè)置模塊,制作用于人機(jī)交互的GUI界面,對(duì)武器參數(shù)和橋梁目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,包括橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料種類、武器系統(tǒng)中彈體質(zhì)量、裝藥質(zhì)量等參數(shù),由用戶進(jìn)行選擇設(shè)置,然后傳遞給場景中的各個(gè)仿真對(duì)象。
場景控制模塊:用于控制場景的調(diào)用、生成和運(yùn)行,視角的控制等。
2.1橋梁三維模型建模
本系統(tǒng)中的三維模型的建模利用3dmax軟件完成,需要說明的是,利用3dmax進(jìn)行建模主要是通過將基礎(chǔ)模型如長方體、球體等通過拉伸、扭曲、剪裁等方式完成的,作為橋梁模型而言,其結(jié)構(gòu)部分需要進(jìn)一步細(xì)分,例如橋墩和橋跨往往作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)存在于模型中,就毀傷仿真而言,精細(xì)度達(dá)不到要求,為了提高毀傷仿真的精細(xì)程度,需要對(duì)模型的各個(gè)部分進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化拆分,其方法為:首先是導(dǎo)入模型,考慮到Unity3D中的使用要求,模型為FBX格式;然后將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形;使用在3dmax工具欄中“編輯幾何體”選項(xiàng)中的“快速切片工具,根據(jù)需要將選中對(duì)象切為多個(gè)部分,從而完成模型分割,當(dāng)然分割數(shù)量越大仿真精度越高,這里主要介紹一種方法,場景中分割為18部分的橋墩模型見圖2。
圖2 分割好的橋墩仿真模型
2.2剛性結(jié)構(gòu)建模
橋梁模型的剛性結(jié)構(gòu)建模,主要是通過對(duì)組成橋梁的各個(gè)部分添加物理效果參數(shù),使各部分存在相互的結(jié)構(gòu)關(guān)系和作用,從而呈現(xiàn)出物理效果。其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是利用Unity3D自帶的物理引擎完成,一方面使其呈現(xiàn)出模型的碰撞、爆炸效果,對(duì)于模型的接觸進(jìn)行定義,另一方面可以使仿真對(duì)象呈現(xiàn)出相應(yīng)的物理特性和結(jié)構(gòu)上的完整性。
Unity3D的物理引擎使用對(duì)象屬性(動(dòng)量、扭矩或者彈性)來模擬剛體行為,該軟件提供的物理引擎是一個(gè)對(duì)物理環(huán)境進(jìn)行實(shí)施模擬的集成解決方案,該引擎以剛體力學(xué)為基礎(chǔ),自身具備了剛體屬性組件,同時(shí)提供了盒裝碰撞體、膠囊碰撞體、網(wǎng)格碰撞體等具備碰撞檢測(cè)功能的多種碰撞體,可以模擬真實(shí)環(huán)境中的碰撞行為,同時(shí)自帶了鉸鏈關(guān)節(jié)(Hingle Joint)、固定關(guān)節(jié)(Fixed Joint)、彈簧關(guān)節(jié)(Spring Joint)等物理關(guān)節(jié),可使仿真對(duì)象之間通過物理關(guān)系連接在一起,用戶可以將其直接添加給仿真對(duì)象,通過其屬性面板或者使用代碼對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,具體使用方法見文獻(xiàn)[8]。
橋梁目標(biāo)中橋墩和橋跨之間存在著結(jié)構(gòu)上的黏合力,當(dāng)其結(jié)合部受力較大時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂,從而造成結(jié)構(gòu)坍塌,這時(shí)就很適合使用Unity3D物理引擎中的固定關(guān)節(jié)組件,該組件不需要通過代碼來更改層級(jí)結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)想要的效果,只需要為那些要使用固定關(guān)節(jié)的仿真對(duì)象添加剛體組件即可??赏ㄟ^斷開力和斷開轉(zhuǎn)矩屬性來設(shè)置關(guān)節(jié)的強(qiáng)度極限,如果這些參數(shù)不是無窮大而是—個(gè)數(shù)值,那么當(dāng)施加到對(duì)象身上的力或轉(zhuǎn)矩大于此極限值時(shí),固定關(guān)節(jié)將被銷毀,其對(duì)對(duì)象的約束也就隨即失效。
下面以圖2中的梁橋橋墩仿真模型為例,介紹剛體屬性、碰撞屬性和物理關(guān)節(jié)添加的具體步驟為:
①導(dǎo)入分割好的仿真模型,在組成橋墩的每個(gè)子對(duì)象上添加網(wǎng)格碰撞體和剛體屬性,分別設(shè)置其質(zhì)量,選擇使用重力;
②由于橋墩的每個(gè)子對(duì)象之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此,需要使用固定關(guān)節(jié),對(duì)于一個(gè)子對(duì)象而言,需要根據(jù)與其接觸其他個(gè)體的數(shù)量決定添加固定關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù),而后將與其接觸的其他個(gè)體分別添加到固定關(guān)節(jié)的“Connected Body”中去,再根據(jù)所設(shè)計(jì)的橋墩結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,設(shè)置其斷開力和斷開轉(zhuǎn)矩的數(shù)值[8];
③對(duì)于圖2中與地面接觸的部分,需要額外添加固定關(guān)節(jié),將其“Connected Body”選項(xiàng)設(shè)置為“None”,即與場景中的地面相連,通過設(shè)置其斷開力和斷開轉(zhuǎn)矩的數(shù)值,這樣該橋墩模型就可以豎立在場景中的地面上,不發(fā)生傾倒。
當(dāng)然,橋墩仿真模型不僅自身存在物理特性,其與橋跨結(jié)構(gòu)也存在著力學(xué)特性,體現(xiàn)為橋墩對(duì)橋跨的承重和二者之間的黏合力,其設(shè)置方法同以上步驟,設(shè)置好的梁橋的三維仿真模型見圖3。
圖3 設(shè)置好物理特性的梁橋仿真模型
3.1毀傷參數(shù)換算
如果射彈從橋面入射,可將入射點(diǎn)的橋跨結(jié)構(gòu)作為三層不同介質(zhì)來考慮,如圖4所示。射彈對(duì)于多層介質(zhì)侵徹深度可按式(1)來計(jì)算。
圖4 射彈從橋面入射
其中:hi為第i層介質(zhì)材料厚度,單位m;hqn為對(duì)第n層介質(zhì)材料的侵徹深度,單位m;Kqn為第n層介質(zhì)材料的侵徹系數(shù);Kqi為第i層介質(zhì)材料的侵徹系數(shù),上列參數(shù)中,hqn可按照式(2)計(jì)算:
式中:λ1為彈形系數(shù);λ2為彈徑系數(shù);P為射彈質(zhì)量;d為彈徑,單位m;V為命中速度,單位m/h;α為命中角,單位°,Kα為彈的偏轉(zhuǎn)系數(shù);Kq為介質(zhì)材料侵徹系數(shù)。計(jì)算中,λ1、λ2、Kα、Kq均可從文獻(xiàn)[9]中查得。
在實(shí)際中,對(duì)于橋梁等目標(biāo)進(jìn)行攻擊,如果飛彈的威力或者炸藥的裝藥當(dāng)量不能滿足完全摧毀目標(biāo)的要求,則受攻擊目標(biāo)只是部分被摧毀,在本系統(tǒng)中提出了一個(gè)仿真參數(shù)HP,HP即為受攻擊目標(biāo)的“生命值”,如果受攻擊目標(biāo)的HP值小于0,則判斷該目標(biāo)被摧毀。在參數(shù)設(shè)置中,受攻擊目標(biāo)如采用混凝土材料,其HP值計(jì)算公式為:
由文獻(xiàn)[7]可知,式中A為材料抗力參數(shù),B為填塞系數(shù),無填塞B=9;R為破壞半徑,為彈體殺傷半徑,C為摧毀某一目標(biāo)所需的等效TNT裝藥量換算。同時(shí)可以計(jì)算出單發(fā)飛彈使受攻擊目標(biāo)HP值減少的數(shù)值,即等效爆炸威力。如目標(biāo)采用的是鋼筋混凝土材料,其HP值計(jì)算公式為C=1.3ABR3。
表1 材料抗力系數(shù)[7]
用戶通過界面設(shè)置參數(shù),即可得出某一目標(biāo)例如橋墩被完全摧毀所需的TNT裝藥當(dāng)量。如果受攻擊目標(biāo)的HP值大于0,則通過式(3),換算出受攻擊目標(biāo)質(zhì)量的減少△M,見式(4)。
式中M為受攻擊目標(biāo)的總質(zhì)量,其參數(shù)由其剛體屬性設(shè)置中的“Mass”獲得。
3.2FPS設(shè)計(jì)
FPS設(shè)計(jì)即場景中的攝像機(jī)(Camera)設(shè)計(jì),為滿足攝像機(jī)能夠360°自由旋轉(zhuǎn)的需要,在仿真中采用通過鼠標(biāo)控制觀察視角的方式,其方法是獲取當(dāng)前鼠標(biāo)指針?biāo)谛D(zhuǎn)參數(shù)坐標(biāo)主要包括場景中世界坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),將其賦值給FPS自身的攝像機(jī)即可,見圖5,圖中右下角即為攝像機(jī)的觀察范圍,為場景運(yùn)行后用戶所看到的畫面。
圖5 FPS視角示意圖
3.3毀傷效果設(shè)計(jì)
毀傷效果設(shè)計(jì)方法是:在飛彈模型上添加剛體屬性和網(wǎng)格碰撞體,以仿真對(duì)象與飛彈的接觸點(diǎn)為球心,以飛彈的殺傷半徑為半徑作一個(gè)球形范圍,簡稱為爆炸球。在此范圍內(nèi)的仿真對(duì)象,被納入到爆炸球中去,然后利用代碼分別計(jì)算爆炸球內(nèi)的仿真對(duì)象的尺寸、紋理、質(zhì)量等參數(shù),然后根據(jù)飛彈施加在接觸對(duì)象剛體上的破壞力,根據(jù)破壞力的大小和之前設(shè)置好的仿真對(duì)象的物理特性進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,實(shí)時(shí)分割,并將分割好的碎片賦予剛體屬性和一定的速度,使其呈現(xiàn)爆炸效果。
具體做法是,在飛彈仿真對(duì)象上綁定事先編寫好的爆炸函數(shù)代碼,通過爆炸函數(shù)程序計(jì)算出在飛彈所產(chǎn)生的爆炸球體范圍內(nèi)包含的仿真對(duì)象,然后實(shí)時(shí)調(diào)用模型分割程序,根據(jù)飛彈殺傷參數(shù)的設(shè)置,計(jì)算出仿真對(duì)象的毀傷效果(主要指HP值的減少和物理關(guān)節(jié)連接參數(shù)的變化),如產(chǎn)生爆炸,則將計(jì)算出的爆炸碎片賦予剛體和一定的速度從而形成爆炸效果,如不產(chǎn)生爆炸,則仿真對(duì)象表面會(huì)出現(xiàn)裂紋或彈坑(形變),使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,同時(shí)通過參數(shù)換算實(shí)時(shí)改變仿真對(duì)象的物理特性設(shè)置參數(shù)值,使橋梁仿真對(duì)象在受到攻擊后其剛性結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。橋梁目標(biāo)物理特性參數(shù)的變化主要是兩個(gè)內(nèi)容,其一是其剛體特性中的質(zhì)量發(fā)生變化,其二是其物理關(guān)節(jié)參數(shù)的變化,例如在某橋梁模型中橋跨一與橋跨二相連,橋跨一受到攻擊后質(zhì)量減少,那么顯然橋跨一與橋跨二的斷開力和斷開轉(zhuǎn)矩的數(shù)值就會(huì)發(fā)生變化。
系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置,就場景控制模塊而言,出入前所述作用外,還應(yīng)具備自動(dòng)判定功能,其方法是按照文獻(xiàn)[6]中給出的判定標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合系統(tǒng)對(duì)于橋梁受攻擊目標(biāo)的HP值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,從而判斷橋梁的毀傷程度,例如在仿真中如果一個(gè)橋墩仿真模型或兩個(gè)橋跨仿真模型被摧毀,即判定被摧毀。生成的毀傷場景見下頁圖7所示,左上角展示的是橋梁橋墩被摧毀導(dǎo)致橋跨坍塌的場景;左下角為拱橋拱頂被摧毀后帶來的結(jié)構(gòu)坍塌;右側(cè)分別為剛架橋一側(cè)橋跨被摧毀及復(fù)合型橋梁主橋墩被摧毀場景。
圖6 仿真參數(shù)設(shè)置界面
圖7 橋梁毀傷場景
本文主要研究了利用Unity3D軟件開發(fā)的一種精確打擊條件下的橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):
①對(duì)視景仿真技術(shù)在橋梁毀傷仿真中的應(yīng)用進(jìn)行了探索,給出了精確打擊條件下的橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),是進(jìn)行橋梁毀傷仿真的有力工具,可為橋梁搶修,公路運(yùn)輸提供決策支持。
②在毀傷仿真中,引入模型實(shí)時(shí)分割技術(shù),使毀傷效果更加真實(shí),從而具有整體性強(qiáng),更為直觀準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì),結(jié)合文獻(xiàn)[7]提出的HP值參數(shù)轉(zhuǎn)換,使得仿真更有實(shí)際意義。
③在橋梁仿真建模中,引入剛體特性、碰撞體和物理關(guān)節(jié)使得橋梁建模更貼近現(xiàn)實(shí)。
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Design and Implementation of a Bridge Damage Simulation System under Precision Strike
WANG Xin,F(xiàn)ANG Dong
(Bengbu Automobile N.C.O Academy,Bengbu 233011,China)
Abstract:Presently,the numeric simulation method of the bridge damage under precision strike has high accuracy,but nether visual nor vivid,integrity is not strong. By using the Unity3D software,the bridge damage simulation under precision strike by scene simulation technology provided by this paper meets the accuracy requirement;moreover,it visualized the simulation process with 3D effect. The design method given by this paper also meets the requirements for real -time performance and authenticity. The design of physical characteristics and the corresponding analysis of the exploration effect of the bridge model is finished by using the physical engine of the Unity3D software,through simulation and analysis of the whole procession,the damage conclusion of the bridge can be get,the expected effect is also get.
Key words:precision strike,bridge damage,scene simulation,Unity3D software
中圖分類號(hào):E920
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1002-0640(2016)05-0125-05
收稿日期:2015-03-06修回日期:2015-05-17
作者簡介:王欣(1985-),男,遼寧錦州人,碩士,講師。研究方向:模擬仿真訓(xùn)練、作戰(zhàn)仿真、電子信息處理等。