基于Unity 3D的閥門(mén)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(guó)外研究情況來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)較為成熟，且在實(shí)踐過(guò)程中主要廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域中。我國(guó)仍處于從閥門(mén)制造大國(guó)向閥門(mén)制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，要想真正實(shí)現(xiàn)這一發(fā)展目標(biāo)，就必須直面我國(guó)閥門(mén)研發(fā)與創(chuàng)新能力不足這一問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題是我國(guó)閥門(mén)產(chǎn)業(yè)未來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的必經(jīng)之路。在我國(guó)閥門(mén)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，尤其要注重虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàng)技術(shù)對(duì)我國(guó)提高閥門(mén)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(kāi)發(fā)的閥門(mén)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(wèn)題，且這些仿真系統(tǒng)的軟件大多是以CAD為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)，雖然其三維造型功能趨于成熟，但對(duì)閥門(mén)運(yùn)動(dòng)模擬方面的研究卻少之又少。如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科近年倆新興的一個(gè)新興分支，現(xiàn)主要應(yīng)用于軍事、娛樂(lè)、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(kāi)發(fā)引擎，進(jìn)而對(duì)閥門(mén)的整體模型進(jìn)行虛擬仿真，并通過(guò)人機(jī)交互的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬閥門(mén)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。

1 開(kāi)發(fā)流程

對(duì)該文氣門(mén)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以美標(biāo)8"150#截止閥為例，在實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)Pro/E來(lái)有效建立截止閥門(mén)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(chǎng)景后，需要做好系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)，針對(duì)系統(tǒng)完成后進(jìn)行性能測(cè)試，最后才生成可執(zhí)行文件以及網(wǎng)絡(luò)文件。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 虛擬閥門(mén)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 仿真試驗(yàn)步驟

鑒于目前閥門(mén)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上存在巨大的相似性，同時(shí)參數(shù)化建模在實(shí)踐過(guò)程中更合適，尤其是針對(duì)尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和大小相同的產(chǎn)品。此外，在閥門(mén)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(kāi)發(fā)專門(mén)的閥門(mén)設(shè)計(jì)平臺(tái)，并提高質(zhì)量和設(shè)計(jì)的效率。閥門(mén)建模完成后，使用數(shù)值模擬在虛擬條件下驗(yàn)證原理圖設(shè)計(jì)模型的性能。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，可以選擇不同的建模場(chǎng)景來(lái)增強(qiáng)特定的建模場(chǎng)景，減少了驗(yàn)證測(cè)試的數(shù)量和開(kāi)發(fā)成本。在模擬測(cè)試中，閥門(mén)強(qiáng)度和流量特性是主要的驗(yàn)證領(lǐng)域。在閥門(mén)設(shè)計(jì)中，閥體幾個(gè)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度只能按受力理論來(lái)保證，很難反映閥門(mén)復(fù)雜工作狀態(tài)的要求。此外，獲得閥門(mén)流動(dòng)特性的傳統(tǒng)方法只能在閥門(mén)產(chǎn)品制造完成后進(jìn)行測(cè)試。研發(fā)成本高，研發(fā)循環(huán)長(zhǎng)，閥門(mén)規(guī)格適用范圍相對(duì)較小。按照常規(guī)的計(jì)算方法，這2個(gè)參數(shù)是不準(zhǔn)確的或昂貴的。通過(guò)仿真分析經(jīng)驗(yàn)，閥門(mén)設(shè)計(jì)者可以獲得閥門(mén)在閥體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布和流動(dòng)特性的分析結(jié)果，使對(duì)閥門(mén)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確，與閥門(mén)設(shè)計(jì)的改進(jìn)有很強(qiáng)的性。一般來(lái)說(shuō)，在閥門(mén)模擬試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)閥體進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?，建立?shù)值模型，定義邊界條件，分析計(jì)算結(jié)果。

2.1 建立閥門(mén)實(shí)體模型

該研究中閥門(mén)的三維建?？梢酝ㄟ^(guò)UG、Solidworks、Pro/E等三維軟件進(jìn)行建模。由于閥門(mén)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(mén)設(shè)計(jì)平臺(tái)集成到一些主流的建模軟件中，對(duì)提高閥門(mén)產(chǎn)品建模的質(zhì)量和效率具有重要意義。閥門(mén)的主要部件有閥體、閥門(mén)定位器、閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、連桿等。通過(guò)Pro/E三維建模軟件建立各個(gè)部件的模型，然后按照合理的順序進(jìn)行裝配，得到整個(gè)閥門(mén)的模型，如圖2所示。閥門(mén)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(dòng)態(tài)切割、尺寸讀取、數(shù)據(jù)顯示、透視、層疊遮罩、逐級(jí)顯示等功能，以便充分展示閥門(mén)的結(jié)構(gòu)和工作原理，拆除示范的特點(diǎn)和過(guò)程等，以便更好地了解其結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的人機(jī)界面和常見(jiàn)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(jì)優(yōu)化方面都有很多優(yōu)勢(shì)。1）電子紙文檔。允許查看動(dòng)態(tài)閥門(mén)模型、圖紙、文檔和模擬，并下載所有閥門(mén)模型、圖紙和文檔來(lái)管理閥門(mén)數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)仿真為機(jī)構(gòu)提供了運(yùn)動(dòng)演示功能。單擊相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)演示節(jié)點(diǎn)，查看其模擬動(dòng)畫(huà)。2）拆解的定義。由于閥門(mén)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(mén)的三維模型的拆卸過(guò)程，以便為拆卸演示奠定基礎(chǔ)。并模擬培訓(xùn)的評(píng)估。3）拆解演示。在拆卸定義中顯示設(shè)備拆卸過(guò)程，以執(zhí)行閥門(mén)拆卸演示功能。4）模擬訓(xùn)練。教學(xué)、培訓(xùn)和評(píng)估功能。5）標(biāo)準(zhǔn)。管理與閥門(mén)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件，為虛擬閥門(mén)仿真提供有力支持。

圖2 閥門(mén)三維模型

2.2 模型的渲染和導(dǎo)入

首先將裝配好的閥門(mén)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U(xiǎn)nity 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(gè)運(yùn)動(dòng)集的單位轉(zhuǎn)換比例和坐標(biāo)位置關(guān)系。1） 簡(jiǎn)化模型的幾何構(gòu)造。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景需要計(jì)算機(jī)硬件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。如果面數(shù)太多，資源消耗會(huì)比較大，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度逐漸下降，甚至無(wú)法發(fā)揮實(shí)際作用；它還會(huì)增加文件的容量，并將文件發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)增加下載時(shí)間。在虛擬場(chǎng)景過(guò)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(guò)程中，生成的一些幾何圖形超出了可見(jiàn)的限制，例如模型內(nèi)部不可見(jiàn)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(jiàn)的，但是它們被添加到實(shí)時(shí)接收?qǐng)D的計(jì)算過(guò)程中，這會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)際操作效率。這些不可見(jiàn)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(shí)避免使用布爾計(jì)算。布爾運(yùn)算在實(shí)踐過(guò)程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)增加面的數(shù)量，還會(huì)在后固化過(guò)程中產(chǎn)生黑面。4） 復(fù)制對(duì)象使用實(shí)例在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，如果有大量幾何形狀相同但位置不同的對(duì)象，復(fù)制對(duì)象可以使用實(shí)例。在虛擬場(chǎng)景中，如果重復(fù)建模，會(huì)顯著增加多邊形的數(shù)量以及系統(tǒng)資源的消耗。實(shí)例是模型對(duì)象的參考副本，多邊形的數(shù)量不會(huì)隨著實(shí)例化對(duì)象數(shù)量的增加而不斷增加。實(shí)例對(duì)象使用非常少的計(jì)算資源，這就減少了文件空間，提高了平臺(tái)的實(shí)時(shí)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(jiǎn)單的模型和簡(jiǎn)單的紋理，則使用電鍍紋理來(lái)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(shí)時(shí)性，保證真實(shí)感。

3 流體特性試驗(yàn)

閥門(mén)是通過(guò)流體的機(jī)器，其流動(dòng)特性是其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)踐重要基礎(chǔ)。獲取閥門(mén)流量特性的傳統(tǒng)方法是在閥門(mén)制造完成后進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)，同時(shí)開(kāi)發(fā)成本也比較高，適用于閥門(mén)的規(guī)格范圍小。

考慮到閥門(mén)兩邊的流體性質(zhì)，由伯努利方程可得公式（1）。

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

根據(jù)動(dòng)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(mén)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(yàn)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(jì)算流量系數(shù)和流阻系數(shù)等流動(dòng)特性參數(shù)，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)相對(duì)非常重要。

4 交互設(shè)計(jì)

虛擬閥門(mén)是模擬相對(duì)應(yīng)實(shí)際計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬對(duì)象。操作人員在實(shí)踐過(guò)程中可以有效通過(guò)控制鼠標(biāo)以及鍵盤(pán)等對(duì)虛擬對(duì)象（截止閥）進(jìn)行一系列操作。交互是控制閥門(mén)運(yùn)動(dòng)的重要關(guān)鍵，腳本的編寫(xiě)是有效實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)交互的重要方式?？梢酝ㄟ^(guò)將編寫(xiě)的腳本附加到相應(yīng)的GameObject（該文是valve的移動(dòng)部分）來(lái)有效實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)交互。1） 演示設(shè)備的介紹。通過(guò)使用第一人稱或第三人稱視角來(lái)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(shí)，需要模擬拆卸效率。效率是拆卸過(guò)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(guò)更換不同的零件來(lái)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(shí)經(jīng)驗(yàn)或是工作環(huán)境，并盡可能還原原本閥門(mén)設(shè)備維修環(huán)境。3） 獨(dú)立顯示模型。為了能夠在更換過(guò)程中更好地可視化設(shè)備本身，可以通過(guò)選擇交互模型并單獨(dú)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(jiǎn)單的交互可以在實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)JavaScript來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此該文使用JavaScript語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)交互。例如，我們想通過(guò)鍵盤(pán)上的某個(gè)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)截止閥的某種功能。以有效控制閥門(mén)零件爆炸圖的鍵“W”為例，可以通過(guò)編寫(xiě)JavaScript語(yǔ)言輕松實(shí)現(xiàn)。

public GameObest valve;//獲取虛擬閥對(duì)象

public float speed=3;

Void Update()

{

if(Input.GetKey (KeyCode.W))

{

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

}}

另一個(gè)重要的交互功能是GUI界面的設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面中的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。以點(diǎn)擊按鈕來(lái)控制閥門(mén)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(guò)以上流程，可以在Unity 3D平臺(tái)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(yǔ)

利用三維建模軟件Pro/E和交互性極強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity 3D的結(jié)合，可以最大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的虛擬仿真，該技術(shù)的發(fā)明與運(yùn)用，對(duì)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(tái)，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。