模型實時驅(qū)動的航空發(fā)動機沉浸式虛擬運行系統(tǒng)

楊佳利，曹文宇，姚 舜，劉 凱，謝鵬福，胡忠志

（清華大學(xué)航空發(fā)動機研究院，北京 100084）

0 引言

航空發(fā)動機是復(fù)雜的多學(xué)科集成動力裝置，涉及氣動熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、控制理論等眾多學(xué)科，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展模式變革，加速解決航空發(fā)動機卡脖子問題的關(guān)鍵技術(shù)途徑[1]。航空發(fā)動機試車具有危險度高、操作難度大、成本高等問題，使用實時高性能計算和虛擬現(xiàn)實等先進信息化技術(shù)，能夠縮短研發(fā)周期，節(jié)省研制成本。在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標(biāo)綱要》中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被列入“建設(shè)數(shù)字中國”數(shù)字經(jīng)濟重點產(chǎn)業(yè)[2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與工業(yè)相結(jié)合，具備高效、高性價比的優(yōu)勢[3]。在航空航天領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動機沉浸式設(shè)計，催生可視化智能展示技術(shù)，提高管理水平[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借成本低、仿真度高的特點已被廣泛應(yīng)用[5]。RR 公司[6]在組裝最新的發(fā)動機組件時，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)協(xié)助員工工作，工程師將在虛擬環(huán)境下驗證所有組件擁有足夠空間和縫隙實現(xiàn)順序安裝，并可得到安裝過程的干涉警告；PW 公司[7]通過收集F119 渦扇發(fā)動機數(shù)據(jù)，創(chuàng)建物理部件的數(shù)字副本進行數(shù)字孿生研究，更加準確地預(yù)估部件壽命、改善機動性能，實現(xiàn)長期運行和維護成本的降低；俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機制造集團[8]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入發(fā)動機研制，已在蘇-57 戰(zhàn)斗機的發(fā)動機開發(fā)過程中應(yīng)用，可有效降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；北京航空航天大學(xué)仿真中心[1]于2005 年引進高性能集群計算機系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，推動了發(fā)動機向信息化、數(shù)字化發(fā)展；沈景鳳等[9]搭建了航空發(fā)動機半物理仿真試車系統(tǒng)，利用洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)系統(tǒng)（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）實現(xiàn)試車數(shù)據(jù)3 維實時可視化；任浩男[10]對CFM56-7B 發(fā)動機進行建模，開發(fā)了1 套支持碰撞檢測的虛擬維修系統(tǒng)；高穎等[11]針對教學(xué)需求，研究數(shù)據(jù)手套交互、立體顯示技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于課堂教學(xué)，達到了良好的教學(xué)效果。

上述研究將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機設(shè)計和研發(fā)過程中，有效提高了工作效率和質(zhì)量，驗證了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航空發(fā)動機研發(fā)過程中的重要作用。然而，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航空發(fā)動機工程應(yīng)用的研究案例較少，相關(guān)研究工作主要局限于單一學(xué)科信息傳遞，存在系統(tǒng)功能較為單一、拓展性和兼容性較弱，不能滿足實際工程應(yīng)用過程中多學(xué)科信息融合、實時仿真渲染的需要。此外，畫面逼真度作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸感的重要指標(biāo)之一[12]，在上述案例中也少有探討。

本文主要介紹了模型實時驅(qū)動的航空發(fā)動機沉浸式交互虛擬運行系統(tǒng)的組成及研究過程中的關(guān)鍵技術(shù)。在實現(xiàn)該系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，面向教學(xué)培訓(xùn)、維修驗證的行業(yè)需求，提出系統(tǒng)未來升級方案及研究方向。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的虛擬運行系統(tǒng)，面向航空發(fā)動機設(shè)計的實際需求，用于展示和驗證自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機原理、先進性和綜合性能，同時使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備提高用戶沉浸感。整體方案設(shè)計效果如圖1 所示，采用操控臺和立體顯示屏幕的組合方案。其中操控臺是系統(tǒng)的運算中心，配備狀態(tài)顯示屏、實體油門桿；立體顯示屏幕是視覺輸出和人機交互的主要設(shè)備，支持立體顯示技術(shù)、配備動作捕捉硬件。部署完成后，用戶通過操控臺油門桿輸入接口操控發(fā)動機運行狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機起動、加減速、加力、模式切換等功能，并實時查看各狀態(tài)性能參數(shù)；立體顯示屏幕提供3 維沉浸式視覺效果，1∶1 呈現(xiàn)發(fā)動機結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)的物理場數(shù)據(jù)。采用基于從外向內(nèi)追蹤[13]技術(shù)的動作捕捉設(shè)備，沉浸式人機交互如圖2 所示。用戶可以隔空操作虛擬空間中的3 維對象，實現(xiàn)漫游、模型剖切等功能，觀察內(nèi)部運行狀態(tài)、拆裝發(fā)動機部件。

圖1 整體方案設(shè)計效果

圖2 沉浸式人機交互

虛擬運行系統(tǒng)包括發(fā)動機氣動熱力性能實時仿真模型、全包線實時控制器、3 維結(jié)構(gòu)模型、3 維視景顯示系統(tǒng)、操控臺等部分。虛擬運行系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖3 所示。操控臺通過油門操縱桿給出發(fā)動機運行指令，操控軟件通過以太網(wǎng)將發(fā)動機指令發(fā)送給發(fā)動機實時控制器，其根據(jù)油門桿指令信號和傳感器反饋信號，通過控制計劃和控制策略計算得到各部件控制指令信號，發(fā)動機性能模型仿真計算機根據(jù)各部件控制信號和當(dāng)前工作狀態(tài)，計算得到最新的截面參數(shù)和發(fā)動機狀態(tài)，其數(shù)據(jù)可用于傳感器信號模擬和3 維視景顯示，同時實時記錄相關(guān)仿真數(shù)據(jù)。

圖3 虛擬運行系統(tǒng)模塊關(guān)系

2 發(fā)動機實時仿真軟件

2.1 發(fā)動機性能實時模型

發(fā)動機氣動熱力性能模型用于表征發(fā)動機對象特性的動力學(xué)模型，以發(fā)動機控制指令和飛行條件為輸入，根據(jù)發(fā)動機當(dāng)前的運行狀態(tài)，計算和更新下一時刻的狀態(tài)變化，輸出發(fā)動機轉(zhuǎn)速、各特征截面狀態(tài)、內(nèi)部狀態(tài)和響應(yīng)推力等信號。其中，發(fā)動機可測信號包含轉(zhuǎn)速、總溫、總壓等，給至發(fā)動機實時控制器，用于實現(xiàn)發(fā)動機閉環(huán)控制功能；有些非可測信號，如空氣流量、流場溫度和壓力等信號，給至視景仿真系統(tǒng)，用于實時渲染。發(fā)動機動力學(xué)模型建模方法流程如圖4 所示。根據(jù)各部件特性參數(shù)、變量平衡約束關(guān)系計算下一時刻狀態(tài)變化值。為保證發(fā)動機模型的收斂，首先對模型的輸入進行保護，防止因錯誤的輸入變化導(dǎo)致模型出現(xiàn)異常。模型計算中，迭代參數(shù)為：壓氣機增壓比、風(fēng)扇增壓比、高壓渦輪落壓比、低壓渦輪落壓比。將迭代參數(shù)代入部件氣路關(guān)系（圖4）中，根據(jù)風(fēng)扇特性、高壓壓氣機特性、高壓渦輪特性、低壓渦輪特性、燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)特性與燃燒效率特性、外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)特性、加力與噴口段總壓恢復(fù)系數(shù)特性計算發(fā)動機的起動和加減速過程。

圖4 發(fā)動機動力學(xué)模型建模方法流程

2.2 發(fā)動機控制方案

變循環(huán)發(fā)動機的調(diào)節(jié)變量多，工作狀態(tài)復(fù)雜，單個調(diào)節(jié)變循環(huán)發(fā)動機的幾何部件，只能提升發(fā)動機某一方面的性能，而其他方面有可能下降。所以單靠調(diào)節(jié)單個幾何部件無法有效進行模式切換，需要多個變幾何部件協(xié)調(diào)來實現(xiàn)模式切換從而最大可能的發(fā)揮其潛在性能。同時，控制過程中保證發(fā)動機在單、雙涵模式之間安全、可靠地切換，確保發(fā)動機運行狀態(tài)在安全邊界范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，滿足發(fā)動機的推力與耗油率要求，同時性能變化的動態(tài)特性如超調(diào)量、波動等滿足要求。

結(jié)合未來先進飛行器飛推綜合控制、直接推力控制的需求[14]，發(fā)動機控制方案采用在線性能綜合尋優(yōu)控制策略，實時調(diào)節(jié)發(fā)動機工作模式和運行狀態(tài)。發(fā)動機控制系統(tǒng)研究方案如圖5 所示。根據(jù)飛行器飛控系統(tǒng)發(fā)來的推力需求和飛行狀態(tài)，以及飛行員給定的發(fā)動機工作模式，通過機載模型實時運算和在線尋優(yōu)算法，計算得到模式切換控制指令、加減速控制指令和喉道調(diào)節(jié)控制指令，通過具體的模式切換控制算法、加減速控制算法和喉道調(diào)節(jié)控制方案實現(xiàn)具體的控制功能，產(chǎn)生實際控制指令信號，給至發(fā)動機各控制部件，如涵道引射器、模式選擇閥門、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機構(gòu)、喉道調(diào)節(jié)機構(gòu)、燃油計量裝置等。另外，在發(fā)動機基礎(chǔ)控制功能之上，采用變循環(huán)航空發(fā)動機實時機載模型、基于卡爾曼濾波器的涵道比、推力以及耗油率等狀態(tài)參數(shù)估計方法、喘振裕度估計、多變量控制器設(shè)計以及過渡態(tài)控制器設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行發(fā)動機控制性能提升和優(yōu)化。

圖5 發(fā)動機控制系統(tǒng)研究方案

2.3 發(fā)動機3維結(jié)構(gòu)模型

本文所用的ACE 發(fā)動機3 維結(jié)構(gòu)模型采用了整機參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線，可根據(jù)外界輸入實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自動更新流程，支撐自頂向下的設(shè)計迭代活動，實現(xiàn)建模過程中與設(shè)計體系、設(shè)計流程的交互和融合。

發(fā)動機結(jié)構(gòu)從方案設(shè)計到具有合理結(jié)構(gòu)需要反復(fù)迭代，需要考慮在系統(tǒng)工程中應(yīng)用的先進建模方法。在方案設(shè)計階段，通過自頂向下的整機骨架模型的控制，根據(jù)性能要求進行整體布置、確定各部件的尺寸和裝配關(guān)系。復(fù)雜可調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和參數(shù)化建模工作是3 維結(jié)構(gòu)建模的核心關(guān)鍵內(nèi)容，為后續(xù)的運動學(xué)仿真和優(yōu)化、動態(tài)干涉檢查的快速迭代提供基礎(chǔ)。

根據(jù)工程化結(jié)構(gòu)建模要求，采用結(jié)構(gòu)建模的規(guī)范和標(biāo)準，整機參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線如圖6 所示。將整機建模分為3 層，各層之間通過技術(shù)打通，滿足上層對下層的控制和關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)面向不同層次設(shè)計分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)化架構(gòu)。通過二次開發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則和約束，建立結(jié)構(gòu)樣機骨架模型的幾何參數(shù)關(guān)系式，可以實現(xiàn)發(fā)動機參數(shù)的自動調(diào)整，從而滿足高效設(shè)計和結(jié)構(gòu)修改。為滿足快速整機結(jié)構(gòu)更新要求，建立結(jié)構(gòu)模型云儲存和參數(shù)交互的平臺運行模式，實現(xiàn)整機結(jié)構(gòu)更新小于1 h的目標(biāo)。

圖6 整機參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線

針對有限元仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)模型融合的可視化需求，為實現(xiàn)局部仿真結(jié)果與整機坐標(biāo)對齊功能，本文提出了空間自動對齊方法：部件3 維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出時記錄相對坐標(biāo)信息，仿真完成后，利用該信息與整機結(jié)構(gòu)精準對齊。有限元分析可視化自動對齊方法如圖7 所示。采用此技術(shù)路線，局部結(jié)構(gòu)導(dǎo)出時以整機為參照，在局部坐標(biāo)系下記錄模型移動、旋轉(zhuǎn)、縮放信息，有限元分析結(jié)束后，通過圖像處理器渲染工具對仿真結(jié)果進行可視化轉(zhuǎn)換，空間對齊算法讀取坐標(biāo)信息，通過變換矩陣將可視化結(jié)果對齊到整機上顯示。以燃燒室部分有限元分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)效果為例，燃燒室應(yīng)力仿真可視化效果如圖8 所示。使用點云將計算結(jié)果對齊到整機坐標(biāo)，能實現(xiàn)清晰、動態(tài)的可視化效果。

圖7 有限元分析可視化自動對齊方法

圖8 燃燒室應(yīng)力仿真可視化效果

2.4 3維視景渲染系統(tǒng)

3 維視景系統(tǒng)提供高逼真度、流暢的視覺效果。由于視覺內(nèi)容由發(fā)動機性能仿真數(shù)據(jù)實時驅(qū)動，不能使用預(yù)渲染動畫，因此采用實時渲染方案。根據(jù)系統(tǒng)要求，需實現(xiàn)3840×1890的分辨率，及不低于60 Hz 的刷新率，渲染延遲不能高于16.6 ms。本文采用實時渲染引擎作為開發(fā)平臺，通過專業(yè)加速處理模塊進行實時渲染能力評估，測試了不同模式下的渲染效能，不同渲染策略對運行流暢度影響見表1。其中高精度模式注重還原結(jié)構(gòu)模型精度，面數(shù)達4.6億，材質(zhì)和光影配置較低，幀率達不到沉浸式系統(tǒng)要求；平衡模式結(jié)構(gòu)精度較高，且保留了所有裝配節(jié)點；高清渲染模式降低了渲染面數(shù)，采用了高清渲染管線，同時對裝配節(jié)點數(shù)適當(dāng)優(yōu)化，實現(xiàn)了畫面效果和流暢度之間的平衡。

表1 不同渲染策略對運行流暢度影響

為提升3 維結(jié)構(gòu)模型渲染流暢度，對3 維結(jié)構(gòu)模型進行優(yōu)化處理，充分利用圖形硬件的三角形繪制加速功能，使用鑲嵌細分算法將3 維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)生成近似的Mesh 網(wǎng)格。通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，可將場景整體面數(shù)降低至3 千萬，處理后文件模型大小為398 MB，相比于原CAD 文件的3.38 GB，文件大小縮減約89%。為進一步提升渲染流暢度，研究了實時渲染優(yōu)化技術(shù)，提出了一種“基于相似對象的動態(tài)合批”的渲染方法[15]，在程序運行時動態(tài)優(yōu)化，將處于同一級別葉片進行塌陷，有效降低Draw Calls 值（繪制調(diào)用）[16]，在面數(shù)不變的情況下可將幀率提升至120 fps左右。

為實現(xiàn)3 維視景渲染的模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)映射功能，在數(shù)據(jù)可視化方面，通過撰寫程序腳本對性能實時仿真數(shù)據(jù)包進行接收、解析，并實時驅(qū)動3 維結(jié)構(gòu)模型。以內(nèi)涵道為例，首先根據(jù)涵道構(gòu)型在建模軟件中制作面片網(wǎng)格，使用紋理工具確保模型紋理橫向展開；撰寫Shader文件，當(dāng)程序運行時讀取性能數(shù)據(jù)，驅(qū)動上述參數(shù)，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程模擬和流體的溫度場、壓力場可視化，內(nèi)涵道性能可視化效果如圖9所示。

圖9 內(nèi)涵道性能可視化效果

為進一步提高渲染真實感，表現(xiàn)航空發(fā)動機材質(zhì)紋理，采用了可編程渲染管線和基于物理的渲染技術(shù)對發(fā)動機表面材質(zhì)進行精確定義。表面參數(shù)信息存儲在2D 紋理中，通過紋理坐標(biāo)映射到發(fā)動機部件表面，實現(xiàn)在1 個部件上表達多種質(zhì)感的效果。在光線反射方面，使用光線追蹤技術(shù)會帶來噪點和大量計算性能開銷，難以滿足系統(tǒng)使用需求。本文采用了空間反射與探針結(jié)合的方式為金屬材質(zhì)提供反射信息。在渲染幀繪制完成后，使用后期堆棧方法，如顏色校準、曝光控制、環(huán)境光遮蔽及動態(tài)模糊等，對場景的整體畫面進行優(yōu)化。在正確設(shè)置材質(zhì)、反射及后期堆棧后，渲染效果得以大幅提升。技術(shù)優(yōu)化前后的渲染效果對比如圖10所示。

圖10 技術(shù)優(yōu)化前后的渲染效果對比

3 沉浸式交互硬件方案

3.1 立體顯示設(shè)備及人機交互設(shè)備

采用Power Wall作為主要的顯示、交互設(shè)備，由2部分組成：LED立體顯示系統(tǒng)及ART動作捕捉設(shè)備。

傳統(tǒng)2D 顯示屏幕只能顯示單目畫面，用戶無法通過雙目匯聚及視差感知結(jié)構(gòu)上的深度信息[17]。常用的立體顯示技術(shù)有基于主動快門、紅藍色差、偏振等方式，其中紅藍色差、偏振技術(shù)會導(dǎo)致畫面偏色或損失清晰度，不符合系統(tǒng)要求。主動快門技術(shù)[18]則是基于高刷新率屏幕，交替顯示左右眼畫面，配合快門眼鏡依次顯示單眼信息，使用戶產(chǎn)生立體視覺效果，支持多人同時觀看。

采用的LED 立體顯示系統(tǒng)支持NVIDIA 3D Vi?sion 技術(shù)，采用上述主動快門方式交替顯示左右眼的視差畫面，在用戶戴上配套的快門眼鏡后，即可看到清晰的立體視覺效果。

ART 紅外動捕套件負責(zé)用戶動作數(shù)據(jù)捕捉、識別，主要包含8個紅外探頭、Fly Stick 手柄、數(shù)據(jù)手套，能夠在3m×4m×2.5m（長×寬×高）的空間內(nèi)精確捕捉用戶頭部及手部位置、接收按鈕指令。ART主機會將采集的數(shù)據(jù)保存為字符串，通過UDP 協(xié)議廣播發(fā)送。3 維視景軟件根據(jù)協(xié)議解析出各追蹤點的位置、旋轉(zhuǎn)信息，便可以在虛擬空間中定位坐標(biāo)，實現(xiàn)用戶通過自然手勢操作虛擬對象的交互功能。

3.2 虛擬運行操控臺

虛擬運行操控臺是發(fā)動機氣動熱力性能仿真和實時控制運算、發(fā)動機運行數(shù)據(jù)可視化、用戶指令輸入的主要設(shè)備。虛擬運行操控臺外觀如圖11 所示。采用琴式設(shè)計方案，安裝了3 個顯示屏幕，分別顯示飛行儀表界面、操控軟件界面、3 維預(yù)覽界面。臺面安裝油門桿和推力矢量控制桿，用于接收操作人員輸入指令。油門桿和推力矢量控制桿的信號，通過操控軟件傳至實時控制器，用于實時計算分析、仿真與控制等功能。

圖11 虛擬運行操控臺外觀

4 虛擬運行系統(tǒng)集成與測試

虛擬運行系統(tǒng)總體集成方案構(gòu)架如圖12 所示。根據(jù)航空發(fā)動機性能設(shè)計結(jié)果建立發(fā)動機性能實時仿真模型，模擬發(fā)動機運行過程，通過發(fā)動機控制計劃和控制律設(shè)計實現(xiàn)實時控制功能，油門桿和推力矢量控制桿用于接收人機交互輸入信號，3 維視景顯示系統(tǒng)用于實現(xiàn)發(fā)動機結(jié)構(gòu)和運行效果的沉浸式體驗。

圖12 總體集成架構(gòu)

本系統(tǒng)已完成測試并投入使用，虛擬運行模式下，以仿真機為源節(jié)點，每10 ms發(fā)送1次實時運算結(jié)果，用于驅(qū)動3 維模型、數(shù)據(jù)可視化模塊，用戶可通過上位機、油門桿、推力矢量桿實時控制發(fā)動機運行，并對運行狀態(tài)進行評審。

經(jīng)測試，實現(xiàn)了流暢、細節(jié)精確的航空發(fā)動機整機渲染效果，具體表現(xiàn)為：刷新率70 幀（立體模式）或120 幀（非立體模式）；分辨率為3840×1890，總渲染面數(shù)超過3000 萬。用戶戴上立體顯示眼鏡后，能看到的3 維立體發(fā)動機效果，3維立體顯示效果圖如圖13所示。

圖13 3維立體顯示效果圖

5 應(yīng)用方向及展望

系統(tǒng)初步實現(xiàn)了航空發(fā)動機數(shù)字孿生的快速原型，其中3 維結(jié)構(gòu)模型文件輕量化、性能數(shù)據(jù)實時仿真、3 維視景實時渲染優(yōu)化、立體視覺顯示等是支撐拓展現(xiàn)實應(yīng)用的重要技術(shù)，亦可用于其他行業(yè)。在本文的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出數(shù)個值得研究的應(yīng)用方向，以支持設(shè)計研發(fā)、運行維護、人才培養(yǎng)等工作。

5.1 虛擬協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)

通過進一步研究頭戴式顯示器設(shè)備開發(fā)及無線串聯(lián)技術(shù)，在現(xiàn)有立體顯示終端的基礎(chǔ)上加入多臺VR頭盔，組建大空間多人沉浸式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)同步，用戶將共享同1 個虛擬空間，以第一人稱視角合作完成參數(shù)修改、附件拆裝等功能，并及時看到反饋結(jié)果；其他用戶可使用Power Wall 屏幕前以第三人稱視角進行評審，及時發(fā)現(xiàn)操作問題并做出指示，基于頭戴式顯示器的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 基于頭戴式顯示器的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)

5.2 沉浸式評審工具

進一步研究3 維結(jié)構(gòu)模型輕量化技術(shù)和立體顯示技術(shù)，以實現(xiàn)通用的工業(yè)模型的沉浸式評審系統(tǒng)。研究的3 維結(jié)構(gòu)模型輕量化算法，可實現(xiàn)NX、CATIA等軟件所設(shè)計工業(yè)模型的快速轉(zhuǎn)換和處理。沉浸式顯示方面，傳統(tǒng)的2D 顯示屏無法展示深度信息，依賴人的經(jīng)驗感知判斷對象遠近，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，可能造成嚴重的誤解，導(dǎo)致延誤和返工。通過立體顯示技術(shù)、以及本文提出的可視化坐標(biāo)對齊技術(shù)，可實現(xiàn)精確的模型結(jié)構(gòu)信息展示、實現(xiàn)研究成果進行跨學(xué)科集成展示、審查，增加子項目之間的協(xié)同效率，降低研發(fā)階段的風(fēng)險。

5.3 虛擬裝配培訓(xùn)系統(tǒng)

在本文平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)裝配培訓(xùn)、發(fā)動機維護需求，可以進一步開發(fā)航發(fā)設(shè)計、制造、維護的沉浸式業(yè)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)?？赏ㄟ^結(jié)構(gòu)分解、干涉檢查、機構(gòu)運動仿真等功能提升受訓(xùn)人員對結(jié)構(gòu)的理解；通過裝配工藝和人機工程模擬，進行結(jié)構(gòu)裝配和維修分析，對裝配過程、維護過程操作進行虛擬培訓(xùn)；通過支持管路和柔性線纜仿真，可以開展發(fā)動機管路和線纜的虛擬場景布線裝配培訓(xùn)。本平臺支持定制特定的發(fā)動機建立專用的模型和裝配環(huán)境，開發(fā)專門基于培訓(xùn)流程的可視化課件，配備全面的人機交互系統(tǒng)、考試評價系統(tǒng)。

5.4 虛擬教學(xué)系統(tǒng)

本文實現(xiàn)的發(fā)動機虛擬運行系統(tǒng)采用3 維視景渲染技術(shù)，可通過沉浸式交互體驗環(huán)境直觀形象地展示航空發(fā)動機運行原理和結(jié)構(gòu)方案，高逼真地展示各部件結(jié)構(gòu)特征和相互之間的連接關(guān)系，利用3 維可視化體驗提升學(xué)生理解和接受能力。此系統(tǒng)包含實時控制和發(fā)動機模型2 部分，通過聯(lián)合可實現(xiàn)虛擬運行仿真?？蛇M一步面向?qū)W生開發(fā)部分控制器接口，拓展在線修改和更新運行功能，用于檢驗學(xué)生控制算法和控制邏輯的設(shè)計能力，提升學(xué)生在航空發(fā)動機控制專業(yè)的實踐能力和理解程度。

6 結(jié)論

（1）本文以自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機為研究對象開展發(fā)動機3 維結(jié)構(gòu)設(shè)計，將3 維性能仿真結(jié)果進行降維處理得到支持實時仿真的發(fā)動機性能模型，將實時運行數(shù)據(jù)與3 維結(jié)構(gòu)模型進行映射，通過3 維沉浸式實時渲染技術(shù)呈現(xiàn)發(fā)動機虛擬運行過程中的物理場分布，結(jié)合沉浸式交互硬件平臺形象逼真地展現(xiàn)航空發(fā)動機虛擬運行過程，實現(xiàn)發(fā)動機結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和性能模型的功能關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)同步，達到了航空發(fā)動機多學(xué)科、多物理量、多尺度聯(lián)合仿真效果。

（2）本文研究突破自頂向下參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模及自動化虛擬仿真表達技術(shù)、多維融合性能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及系統(tǒng)模塊化協(xié)同仿真與實時魯棒控制技術(shù)，集成結(jié)構(gòu)、性能和系統(tǒng)數(shù)字樣機的多學(xué)科數(shù)據(jù)，通過信息自動輕量化技術(shù)、實時高清渲染管線技術(shù)，打通數(shù)據(jù)傳輸障礙，實現(xiàn)了沉浸感強、逼真度高、操作響應(yīng)快的數(shù)字發(fā)動機快速原型，可為下一步構(gòu)建航空發(fā)動機數(shù)字孿生體和開展數(shù)字孿生技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。