авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Виртуальный полигон для исследования морских объектовв экстремальных условиях эксплуатации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Безгодов Алексей Алексеевич

ВИРТУАЛЬНЫЙ ПОЛИГОН
ДЛЯ исследования морских объектов
в экстремальных условиях эксплуатации

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2011

Работа выполнена на кафедре Информационных Систем в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук

Бухановский А.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Якобовский М.В.

доктор технических наук,
профессор Палташев Т.Т.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт (государственный университет)

Защита состоится 6 июля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.06 в СПбГУ ИТМО по адресу:

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 6 июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Лисицына Л.С.

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возможности изучения поведения сложных технических систем в экстремальных ситуациях экспериментальными методами существенно ограничены. Потому в настоящее время для этих целей активно применяется компьютерный эксперимент в реальном времени. Для интерпретации его результатов привлекаются технологии виртуальной реальности (ВР), обеспечивающие «погружение» исследователя в моделируемое явление с возможностью всестороннего наблюдения и анализа воспроизводимых закономерностей реального мира. В свою очередь, это стимулирует развитие нового класса проблемно-ориентированных программных комплексов для проведения вычислительного эксперимента — виртуальных полигонов (ВП) для поддержки принятия решений в различных областях науки и промышленности1. Процесс проектирования и разработки ВП требует совокупного учета особенностей методов компьютерного моделирования в конкретной предметной области и соответствующих возможностей технологий ВР, включая специфику аппаратной реализации. Это достигается путем адаптации математических моделей для формирования предметно-зависимых визуальных динамических сцен с высоким уровнем реалистичности и достоверности. В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области технологий виртуальных полигонов внесен научными школами С.В. Клименко, Н.Н. Шаброва, М.В. Якобовского, Ю.М. Баяковского, М.В. Михайлюка, и ряда других исследователей.

Технологии ВП наиболее востребованы в направлениях, где проведение полномасштабных экспериментов экономически невыгодно или связано с существенными рисками. К таким областям, в частности, относится проектирование судов и технических средств освоения океана с повышенными требованиями к безопасности мореплавания, что требует изучения их поведения в разного рода аварийных ситуациях. Несмотря на то, что развитие аварийной ситуации является сложным многовариантным процессом, ретроспективный анализ известных инцидентов позволяет выделить условия, способствующие их возникновению, например, параметрические резонансы разной природы, потеря управляемости на гребне волны, захват судна волной (брочинг). В свою очередь, развитие каждой из вышеперечисленных ситуаций может усложняться за счет внутренних факторов (смещение навалочного груза, затопление отсеков, интенсивное обледенение и пр.). Как следствие, разнообразие и неоднозначность влияния экстремальных условий эксплуатации ограничивает возможности постановки экспериментов в опытовых бассейнах, и требует развития соответствующих проблемно-ориентированных программных комплексов на основе технологии ВП, что и определяет актуальность темы диссертации.



Предметом исследования является технология создания ВП применительно к задачам исследовательского проектирования морских объектов (МО) — судов и средств освоения океана.

Целью работы является развитие методов формирования предметно-ориентированных динамических сцен на основе компьютерного моделирования экстремальной динамики МО под воздействием нерегулярных внешних возмущений и разработка на их основе соответствующего математического и программного обеспечения ВП.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:

  • Анализ существующих математических моделей поведения МО в экстремальных условиях эксплуатации, исходя из их применимости для формирования динамических сцен в ВП.
  • Разработка метода численного моделирования экстремальной динамики МО с шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении с адаптацией к специфике использования в составе ВП, его алгоритмическая и программная реализация.
  • Разработка метода формирования динамических сцен на основе численного моделирования динамики внешней среды и МО, и его адаптация для широкоэкранных систем ВР.
  • Проектирование, разработка и отладка программного комплекса ВП, его развертывание на аппаратной инфраструктуре Центра ситуационного моделирования и визуализации (ЦСМВ)2.
  • Апробация ВП для проведения компьютерных экспериментов по исследованию экстремальной динамики МО в режиме основного и параметрического резонансов, а также в условиях брочинга.3

Методы исследования включают в себя методы вычислительной гидромеханики, теории вероятностей, математической статистики и имитационного моделирования, анализа алгоритмов и программ, обработки изображений и научной визуализации.

Научную новизну результатов работы определяют:

  • Использование метода прямого моделирования динамики МО с шестью степенями свободы в нелинейной постановке, позволяющего унифицировать проведение компьютерного эксперимента для различных классов экстремальных явлений с возможностью интерактивного управления средствами ВП.
  • Формирование реалистичных динамических сцен за счет применения метода численного интегрирования уравнений динамики МО на основе случайных сеток, обеспечивающих компенсацию ошибки вычислений и балансировку вычислительной нагрузки в условиях реального времени.

Практическую ценность работы составляют:

  • Комплект программной и эксплуатационной документации на программную систему для моделирования и визуализации динамики МО в экстремальных условиях эксплуатации4.
  • Программно-аппаратный комплекс ВП ShipХ-DS, функционирующий на базе ЦСМВ СПбГУ ИТМО.

На защиту выносятся:

  • Метод формирования визуальных динамических сцен на основе численного моделирования нелинейной динамики МО c шестью степенями свободы на нерегулярном трехмерном волнении.
  • Архитектура программного комплекса ВП для исследования МО в экстремальных условиях эксплуатации с поддержкой аппаратных возможностей широкоэкранных систем ВР.

Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается строгостью наложенных ограничений предметной области, валидацией результатов моделирования путем сопоставления с классическими моделями корабельной гидродинамики, исследовательскими испытаниями работоспособности программно-аппаратного комплекса ВП на инфраструктуре ЦСМВ СПбГУ ИТМО, а также воспроизводимостью ряда нелинейных эффектов экстремальной динамики судна в ходе компьютерного эксперимента.

Внедрение результатов работы. Результаты работы нашли свое применение при выполнении проектов «Интеллектуальная система навигации и управления морским динамическим объектом в экстремальных условиях эксплуатации», «Интеллектуальные технологии поддержки процессов исследовательского проектирования судов и технических средств освоения океана», «Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики корабля в экстремальных условиях эксплуатации», «Инструментальная технологическая среда для создания распределенных интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, «Распределенные экстренные вычисления для поддержки принятия решений в критических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 220 «О мерах по привлечению ведущих учёных в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования», «Создание распределенной вычислительной среды на базе облачной архитектуры для построения и эксплуатации высокопроизводительных композитных приложений» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства». Результаты работ внедрены в производственную деятельность ЗАО «Фирма "АйТи". Информационные технологии».

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на восьми международных и всероссийских научных конференциях, семинарах и совещаниях, включая Всероссийскую научно-техническую конференцию «Интеллектуальные и информационные системы» (2009 г., Тула); IX и X ежегодные Международные конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (2009 г., Владимир; 2010 г., Пермь); XVII Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика 2010» (2010 г., Санкт-Петербург); V, VII Межвузовские конференции молодых ученых (2008 г., 2010 г., Санкт-Петербург); Всероссийскую конференцию «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (2010 г., Нижний Новгород), IV Международную конференцию по информатике MEDIAS (2011 г., Лимасол, Кипр).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (из них 4 — в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключался в выполнении аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы, адаптации метода моделирования динамики судна на нерегулярном волнении к задаче формирования динамических сцен, проектировании, разработке и развертывании виртуального полигона, а также проведении серии экспериментов по воспроизведению таких экстремальных явлений, как основной и параметрический резонанс и брочинг. В диссертацию включены результаты, соответствующие личному участию автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (99 наименований). Содержит 126 с. текста, включая 45 рис. и 1 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются цель и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор моделей динамики внешней среды и ее воздействия на МО применительно к задачам ВП. Для описания стохастической изменчивости внешней среды (ветра и волнения) рассматривается обобщенный подход на основе композиции набора разномасштабных моделей в мелкомасштабном, синоптическом, сезонном и межгодовом диапазонах изменчивости. Для общего описания ветро-волнового климата используется понятие климатического спектра, соответствующего определенному синоптическому состоянию с заданной режимной обеспеченностью. Климатический спектр позволяет идентифицировать параметры модели мелкомасштабной изменчивости поля морского волнения в двух альтернативных постановках: на основе уравнений авторегрессии-скользящего среднего и в форме разложений со случайными параметрами. В свою очередь, модели расчета динамики МО под воздействием внешних возмущений можно условно разделить на четыре класса по способу использования информации о внешних воздействиях: спектральные модели (в частотной области), асимптотические стохастические модели (во временной области), нелинейные модели на основе интегрирования уравнений движения, имитационные модели динамики судна, основанные на прямом решении задач гидромеханики с вычислением характеристик сплошной среды со взволнованной поверхностью.





Для использования в составе ВП необходим согласованный выбор методов моделирования динамики МО и внешней среды. Основной задачей ВП является создание высокореалистичных динамических сцен, что обеспечивает естественное восприятие пользователем моделируемых процессов в режиме реального времени. При этом должна обеспечиваться возможность гибкой настройки параметров моделей и сценариев численных экспериментов путем интерактивного управления динамической сценой в процессе моделирования. Как следствие, это существенно ограничивает применение традиционных видов моделей динамики МО. Нелинейные модели, основанные на дифференциальных уравнениях классической механики относительно главных сил и моментов, в основном адаптированы под отдельные классы экстремальных задач за счет введения соответствующих нелинейных членов; они не обеспечивают необходимую гибкость управления при проведении эксперимента. Напротив, полные гидродинамические модели5, основанные на численном решении уравнений Навье-Стокса, лишены этого недостатка; однако их реализация существенно более ресурсоемка. Как следствие, для использования в составе ВП в диссертационной работе рассмотрен класс комбинированных моделей, основанных на уравнениях классической механики, основные силы и моменты в которых определяются путем интегрирования гидростатического и гидродинамического давления по корпусу МО в каждый момент времени. Как следствие, это определяет выбор класса методов моделирования динамики внешней среды в сторону разложений со случайными параметрами (модель Лонге-Хиггинса). Это связано с тем, что конкурирующий с ним класс авторегрессионных моделей не позволяет напрямую рассчитывать поле гидростатического и гидродинамического давления под взволнованной поверхностью моря; также он не эффективен для использования на нерегулярных сетках. Таким образом, проведенный анализ позволил обосновать основные методические решения, применяемые в ВП, ориентированных на исследование поведения МО в экстремальных условиях эксплуатации.

Вторая глава посвящена развитию метода численного моделирования динамики МО с шестью степенями свободы на трехмерном нерегулярном волнении применительно к задачам ВП. Это обусловлено тем, что интерактивная высокореалистичная визуализация требует применения адаптированных моделей и методов, ориентированных на воспроизведение основных качественных эффектов с разумным уровнем точности для широкого диапазона условий эксперимента, с временными затратами, обеспечивающими использование в режиме реального времени. Поскольку структура традиционных моделей динамики МО в форме идеализированных уравнений движения существенно различается для воспроизведения разных экстремальных ситуаций (что ограничивает области их применения), в данной работе использован прямой метод, основанный на вычислении главных сил и моментов непосредственным интегрированием по мгновенной погруженной поверхности корпуса объекта S:

(1)

(2)

Здесь D — весовое водоизмещение объекта, p — гидростатическое и гидродинамическое давление воды в точке, n — нормаль к поверхности,
r — радиус-вектор точки поверхности в глобальных координатах,
p — положение объекта в пространстве, определяемое шестью степенями свободы, Hv — демпфирующая сила, действующая на единицу поверхности корпуса объекта, v — скорость частиц вдоль поверхности судна в точке интегрирования. Fext и Mext — дополнительные сила и момент (внешнее управление).

Сила F и момент M рассматриваются относительно редуцированных масс и моментов инерции объекта, включающих в себя собственные и присоединенные составляющие. Структура выражений для демпфирующей силы и гидродинамической составляющей давления соответствует ньютоновским принципам гидродинамики; коэффициенты пропорциональности определяются экспериментально по записям затухающих колебаний.

В каждый момент времени t граница погруженной поверхности определяется, исходя из мгновенного профиля взволнованной поверхности моря, задаваемой моделью Лонге-Хиггинcа, идентифицируемой по частотно-направленному спектру волнения , где — волновой вектор. Несмотря на относительно слабую сходимость модели, ее достоинством является возможность наглядной гидродинамической интерпретации с точки зрения определения волновых давлений p в терминах вертикальных смещений частиц жидкости hw на глубине :

(3)

(4)

Здесь — коэффициенты модели Лонге-Хиггинса, определяются по спектру волнения, k — волновой вектор, — равномерно распределенные случайные фазы, — дисперсионное соотношение для волн малой амплитуды,
— объемный вес воды, p радиус-вектор произвольной точки в плоскости тихой воды.

Значения главных сил (1) и моментов (2) в каждый момент времени позволяют определить пространственные линейную и угловую скорости перемещения судна. При этом модель (1–4) является достаточно удобной для целей интерактивной визуализации: она позволяет в реальном времени с достаточной точностью воспроизводить динамику МО с учетом всех шести степеней свободы.

Дополнительные сила и момент Fext и Mext в выражениях (1–2) используются для моделирования внешних воздействий (ветровой шквал, удар разрушающейся волны) и управляющих сил (перекладка руля, работа движителя). Как следствие, это позволяет придать задаче управления процессом визуализации в рамках модели (1–2) ясную физическую интерпретацию: нестационарные изменения режимов движения объекта (например, поворот на заданный курс) осуществляются путем приложения дополнительных сил, направление и интенсивность которых задается в сценарии модельного эксперимента или наблюдателем посредством манипулятора системы ВР.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.