[发明专利]一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验系统及实现方法

权利要求书

1.一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验系统，其特征在于，包括：用户登录管理模块、船型选择模块、虚拟实验流程介绍模块、实验虚拟仿真模块、数据库管理模块和知识学习模块；

所述用户登录管理模块用于记录用户登录及学习情况；

所述船型选择模块用于选择船舶类型；

所述虚拟实验流程介绍模块用于设置实验操作流程及实验注意事项；

所述知识学习模块用于设置船舶结构力学专业知识及虚拟系统搭建相关知识；

所述实验虚拟仿真模块用于基于所述用户登录及学习情况、所述船舶类型、所述实验操作流程及实验注意事项、所述船舶结构力学专业知识及虚拟系统搭建相关知识，对船舶结构弯曲和扭转的应力及变形位移实时虚拟仿真；

所述数据库管理模块用于储存虚拟仿真的结果信息；

支撑虚拟实验运行的系统及项目运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验仿真环境的构建，按照从下至上的顺序分别为：

1）数据层

新型组合船舶结构力学性能虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、典型实验库、规则库、实验数据、用户数据等来实现对相应数据的存放和管理；

2）支撑层

支撑层是虚拟仿真实验与开放共享系统的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理；支撑系统包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务；

3）通用服务层

通用服务层即开放式虚拟仿真实验管理系统，提供虚拟实验环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成实验；通用服务包括：理论知识学习、实验资源管理、实验报告管理，同时提供相应集成接口工具，以便该系统能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理；

4）仿真层

仿真层主要针对该项目进行相应的船舶结构建模、实验海况场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出；

5）应用层

基于底层的服务，最终实现船舶结构力学虚拟仿真实验项目与开放共享；该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向用户开展实验应用；

所述虚拟仿真实验系统还包括一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实现方法，

记录用户登录及学习情况；

选择船舶类型；

设置实验操作流程及实验注意事项；

设置船舶结构力学专业知识及虚拟系统搭建相关知识；

基于所述用户登录及学习情况、所述船舶类型、所述实验操作流程及实验注意事项、所述船舶结构力学专业知识及虚拟系统搭建相关知识，对船舶结构弯曲和扭转的应力及变形位移实时虚拟仿真；

储存虚拟仿真的结果信息；

实验流程主要包括如下步骤：

1）海洋环境及模型加载；

2）多层级界面交互；

3）实验界面与VR手柄、鼠标、键盘等设备交互；

4）多视角切换；

5）仿真功能模块切换；

6）实验相关知识内容呈现；

7）虚拟仿真交互评价及生成实验报告；

虚拟仿真包括船舶结构在波浪载荷下弯曲和扭转的应力及变形位移云图呈现；虚拟仿真时，船舶结构的仿真结果随时间及海况实时变化；

目标海况下，提取船体结构的最大应力、应变及位移变形的结果，实现对应力应变分布最大位置VR下的沉浸式体验，并给出结构强度的评价和设计建议，最后生成实验报告；

多界面交互是位于不同层级界面，对不同层级界面设置跳转按钮；当用户进入实验系统，选择实验对象的船舶类型，点击实验类别切换按钮，系统将加载对应实验的场景；

系统搭建的关键技术：

1）船舶结构三维建模及有限元仿真；

2）虚拟环境构建；

3）数据库接口开发；

4）虚拟仿真系统框架开发及发布；

船舶结构三维建模采用UG NX 3d软件，并在3d max中完成模型分割及渲染；在有限元仿真过程中，采用patran构建有限元模型，依据船舶结构在破浪中承受的载荷，基于Nastran完成相关分析计算；

对水面高度进行建模，并通过 C# 脚本语言控制波浪参数；环绕屏幕虚拟环境中部署了三台 Christie Mirage HD12K 有源立体投影机，通过PC组和Vista Spyder的混合控制，将完整的图像输出到屏幕上。