Анализ и визуализация результатов научных исследований с помощью технологий виртуальной реальности

подтверждено, что присадочный материал компенсирует потери легирующих элементов при лазерно-дуговой сварке;

получены сварные соединения сплавов на основе алюминия с высоким отношением глу-

бины к ширине, характеризующиеся высоким качеством и малыми деформациями.

Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Turichin, G. Model of laser welding for technology application [Текстj / G. Turichin // Proceedings of the Academy of Sciences. Phys. Ser.— 1997. Vol. 61, № 8,- P. 1613-1618.

2. Matsunawa, A. Porosity formation mechanism and its prevention in laser welding [Текст] / A. Matsunawa, M. Mizutani, S. Katayama, N. Seto// Welding International.- 2003. № 17 (6).- P. 431-437.

3. Lopota, V. Theoretical description of the dynamic phenomena in laser welding with deep penetration |Текст| / V. Lopota, G. Turichin, 1. Tzibulsky |и др.| // Bellingham / Wash.: SP1E, 1999 (SP1E Proceedings Series 3688).- P.98-107.

4. Forsman, T. Process instability in laser welding of aluminum alloys at the boundary of complete penetration [Текст] / T. Forsman, J. Powell, C. Magnusson

// Journal of Laser Applications.— 2001. Vol. 13. Issue 5,- P. 193-198.

5. Bashenko, V.V. Peculiarities of heat and mass transfer in welding using high energy density power sources |Текст| / V.V. Bashenko, E.A. Mitkevich, V.A. Lopota // 3-d Int. Coll. on EBW.— Lion.-1983,- P. 61-70.

6. Лопота, B.A. Структура материала и его параметры в зоне действия луча при лазерной сварке с глубоким проплавлением |Текст] / В.А. Лопота, B.C." Смирнов // ФиХОМ,- 1989. № 2,- С. 104115.

7. Matsunawa, A. Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding [Текст] / A. Matsunawa, Jong-Do Kim, Naoki Seto |и др.] // Journal of Laser Applications.- 1998. Vol. 10, Issue 6,- P. 247-254.

УДК 004.946

H.H. Шабров, H.H. Куриков

АНАЛИЗ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Интерпретация результатов научных исследований — важный этап работы над изучением объекта или процесса. Как процесс преобразования данных к форме, легко воспринимаемой человеком, современные технологии визуализации приобретают особое значение. Стремительно усложняющиеся объекты научных исследований и растущие объемы получаемой информации делают традиционные способы визуализации данных недостаточными для быстрого и полного восприятия и понимания результатов. Технологии виртуальной (Virtual) и дополненной (Augmented) реальности — перспективные средства, позволяющие упростить процесс восприятия и понимания результатов исследований, а также ускорить процесс при-

нятия решений и обезопасить его от возможных ошибок.

В настоящее время в России формируется национальная суперкомпьютерная технологическая платформа по созданию и развитию суперкомпьютерных технологий экзофлопного класса. Обеспечение экзофлопных вычислений — ключевая проблема, решением которой занимается все мировое вычислительное сообщество. При этом предполагается, что объемы данных, генерируемые эк-зофлопными вычислениями, достигают уровня экзобайт. Это означает, что для анализа результатов экзофлопного моделирования в режиме real time системы виртуального окружения типа CAVE 3D — едва ли не единственное эффективное средство осмысления огромного объема данных.

Программно-аппаратный комплекс виртуальной реальности CAVE 3D

В 2007 году в Центре коллективного пользования (ЦКП) «Компьютерные технологии проектирования и моделирования в системах виртуальной реальности» механико-машиностроительного факультета на кафедре «Компьютерные технологии в машиностроении» СПбГПУ создан и введен в эксплуатацию программно-аппаратный комплекс CAVE 3D (Computer Aided Virtual Environment) виртуальной реальности. Эта система — одна из первых систем подобного типа в российских вузах. CAVE 3 D включает следующие основные компоненты: проекционно-эк-ранное оборудование (три просветных экрана и шесть проекторов), высокопроизводительный видеокластер, оптическую трекинг-систему, систему видеоконференцсвязи с удаленными клиентами, специализированное программное обеспечение (COVIS Е [ 1 ]).

Назначение и области применения системы CAVE 3D. Созданию виртуальных сред распределенного совместного моделирования, научного анализа и интерактивной визуализации на основе систем виртуальной реальности типа CAVE 3D (Computer Aided Virtual Environment) в мире уделяется растущее внимание. Достаточно указать, что на ежегодной международной конференции WINVR2010 по инновационным технологиям в системах виртуального окружения, организованной AS М Е в университете штата Айова, было представлено 27 тематических направлений. Это свидетельствует об огромном интересе в мире со стороны научных организаций и промышленных предприятий к развитию технологий виртуального прототипирования практически во всех областях знаний, включая и гуманитарные.

Виртуальное прототипирование — это современный подход к разработке новой продукции, представляющий собой инновационные технологии воспроизведения виртуального образа изделия при создании конкурентоспособной продукции машиностроения. Особенностью систем типа CAVE 3D является возможность полного погружения наблюдателя в киберпространство виртуального мира объекта или физического процесса.

Актуальность создания таких сред осознана всеми ведущими суперкомпьютерными центрами мира и крупными промышленными компа-

ниями. Несмотря на высокую стоимость, спрос на такие системы очень велик. Эти среды наиболее востребованы в высокотехнологичных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, авиационная, автомобильная, судостроительная, при анализе результатов моделирования сложных процессов газодинамики, химии, биологии, горения, геомеханики и т. д. Главная цель создания таких сред — компьютерная поддержка совместной географически распределенной работы (Collaborative work) по моделированию, анализу и визуализации результатов на основе систем виртуальной реальности типа CAVE 3D. В последнее время системы CAVE 3 D часто называют центрами принятия решений (Immersive Decision Making). Уже сейчас системы виртуального окружения используются в ведущих промышленных компаниях мира как место и средство принятия решений путем погружения в исследуемый объект или процесс. Именно в этих центрах целесообразно проводить совместные совещания разработчиков, решающих судьбу создаваемого ими изделия, когда в режиме real time возможно протестировать параметры изделия на примере его виртуального образа.

Задачам создания новых технологий визуализации отведено заслуженное место в подготовленном мировым сообществом разработчиков программного обеспечения документе IESP Roadmap по кардинальному пересмотру стратегии развития и разработки программного обеспечения для высокопроизводительных вычислительных систем на 2010—2019 годы.

На заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 31 августа 2009 года Президент РФ указал на приоритеты в области стратегических информационных технологий. Одним из приоритетов является создание отечественных суперкомпьютеров и на их базе создание виртуальных моделей самолетов, автомобилей и других наукоемких изделий. Технологии визуализации в виртуальных средах в настоящее время претерпевают интенсивное развитие в сторону расширения интерактивной функциональности виртуальных сред, когда наблюдатель оперирует с виртуальным образом объекта так, как он оперировал бы с реальным физическим объектом. Составной частью современных систем виртуального окружения становится высокопроизводительный видеокластер, который

Рис. 1. Виртуальный макет Петропавловской крепости

выполняет часть вычислительной работы по обработке видеоизображения в режиме постпроцес-синга. В перспективе видеокластеры примут на себя функции быстрой декомпрессии данных с использованием процессоров, установленных на графических ускорителях, функции реконструкции визуального представления объекта на основе редуцированных данных моделирования, параллелизации рендеринга и т. д. Первые установки таких систем были созданы в МФТИ и СПбГПУ. Работы по созданию таких установок постоянно поддерживаются грантами РФФИ. В 2007 году в СПбГПУ введена в эксплуатацию система CAVE 3D с тремя просвет-ными экранами, оптической трекинг системой и многопроцессорным видеокластером.

Рис. 2. Анализ полей температурных напряжений в блоке цилиндров дизельного двигателя

Главное назначение комплекса CAVE 3D — исследования в области виртуального прототи-пирования как изделий машиностроения, так и объектов гражданского строительства в режиме реального времени. Виртуальное прототипиро-вание — это современный подход к разработке новой продукции, представляющий собой инновационные технологии воспроизведения виртуального образа продукта и полного погружения в его виртуальный мир перед запуском в реальное производство. В сочетании с физическим моделированием объекта технологии виртуального прототипирования позволяют существенно сократить сроки создания и стоимость конкурентоспособной продукции машиностроения.

Комплекс CAVE 3D необходим при визуализации результатов моделирования сверхбольших моделей, содержащих огромное количество данных, и приобретает ключевое значение не столько для визуализации, сколько для понимания результатов моделирования физических процессов, выполненных на вычислительных кластерах, к которым в первую очередь следует отнести сложные процессы в физике, химии и биологии.

Система CAVE 3D совершенно необходима для инженеров-дизайнеров, активно использующих методы компьютерного проектирования зданий, ландшафтов и объектов машиностроения с помощью CAD-систем.

Диапазон применения подобных систем весьма широк и охватывает такие области, как трехмерная визуализация при исследованиях объектов и физических процессов в области авиастроения, ракетостроения, автомобилестроения, при моделировании и визуализации трехмерных процессов газодинамики, химии, биологии, горения, геомеханики и т. д. (рис. 1,2).

Электронные модели объектов машиностроения создаются предварительно при помощи соответствующих CAD-систем, например таких, как Pro/ENGINEER, CATIA, UG, SolidWorks. Моделирование физических процессов и поведения конструкций выполняется при помощи CAE/ CFD-систем, таких, KaKANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, FLUENT, и прикладного программного обеспечения собственной разработки (in-house software). Кафедра «Компьютерные технологии в машиностроении» механико-машиностроительного факультета СПбГПУ располагает пе-

речисленными выше специализированными программными системами и имеет многолетний опыт их использования при выполнении исследований для российских и зарубежных промышленных компаний.

Представители промышленности Санкт-Петербурга активно внедряют передовые технологии проектирования и проводят в ЦКП апробацию технологий виртуального прототипирования при создании совершенных образцов изделий машиностроения. Конструкторы промышленных предприятий Санкт-Петербурга совместно с сотрудниками кафедры «Компьютерные технологии в машиностроении» СПбГПУ используют систему CAVE 3 D при создании и доводке новых образцов промышленных изделий. По заданиям промышленности на кафедре также выполняются исследования по созданию многопроцессорных вычислительных систем, интегрированию технологий моделирования процессов газодинамики на вычислительных кластерах и технологий интерактивной визуализации результатов моделирования в системе CAVE 3D.

Интерактивная визуализация в системе CAVE 3D результатов моделирования крэш-тес-тов автомобилей и деталей трансмиссии автомобилей (рис. 3,4) дает возможность сотрудникам

Рис. 3. Визуализация CAD модели коробки передач автомобиля

кафедры своевременно формулировать рекомендации по совершенствованию конструкций, что позволяет существенно сократить время выхода в серию модели автомобиля и изделия.

Система CAVE 3 D плодотворно используется сотрудниками кафедр Политехнического университета при моделировании объектов архитектуры, ландшафтов, гидротехнических сооружений и геоинформационных систем.

В мае 2008 года в ЦКП впервые в России осуществлен сеанс международной распределенной совместной работы в двух системах CAVE 3 D. Одна из этих систем установлена в суперкомпьютерном центре (HLRS) университета Штутгарта в Германии. Связь осуществлялась в виде видеоконференц-связи. Коллеги из Германии удаленно управляли объектом в системе CAVE 3D, расположенной в СПбГПУ, а сотрудники СПбГПУ управляли объектом в системе CAVE 3 D в университете Штутгарта в Германии. Компьютерные технологии совместной работы в виртуальных средах — это инновационные формы работы исследовательских групп, расположенных удаленно в различных географических точках. Работа осуществляется так, как будто группы исследователей, участвующие в сеансе распределенной работы находятся в помещении одного офиса.

Рис. 4. Визуализация результатов моделирования крэш-теста автомобиля в системе CAVE 3D

Применение технологий дополненной реальности к созданию гибридных прототипов

Гибридный прототип — комбинация реального физического объекта и некоторого объема электронных данных, представляющих результат компьютерного моделирования процессов, связанных с этим объектом. Наличие реального объекта позволяет человеку максимально полно воспринимать его и исследуемый процесс.

Технология создания гибридных прототипов заключается в совмещении изображения визуализированного объема данных и изображения, регистрируемого видеокамерой. Взаимное положение этих изображений однозначно задается с помощью специальных маркеров, закрепленных на объекте или в непосредственной близости с ним. Регистрация маркера в системе происходит путем задания его типа и шести его координат в условной системе координат объекта. Видеопоток, поступающий от видеокамеры, обрабатывается специальным программным

Рис. 6. Восстановленная форма поверхности кузова

Рис. 7. Визуализация результатов компьютерного СРБ моделирования структуры набегающего потока, совмещенная с видеоизображением реального объекта

обеспечением (АЯТоо1кй [1]) покадрово. На каждом кадре происходит обнаружение маркера и определяется его положение относительно видеокамеры. Накладываемое на видеопоток изображение преобразуется с помощью вновь определенных преобразований.

Первый эксперимент по использованию дополненной реальности. Весной 2009 года на кафедре «Компьютерные технологии в машиностроении» СПбГПУ был проведен эксперимент по созданию гибридного прототипа. Было осуществлено моделирование процесса обтекания автомобиля встречным потоком воздуха. Работа состояла из ряда этапов:

Этап 1. Пространственное сканирование масштабной модели автомобиля (рис. 5).

Этап 2. Восстановление формы кузова автомобиля, получение электронной модели (рис. 6).

Этап 3. Моделирование процесса обтекания автомобиля набегающим потоком воздуха.

Этап 4. Визуализация линий тока набегающего на автомобиль потока воздуха с наложени-

Рис. 5. ЗБ сканирование поверхности модели автомобиля

ем на видеоизображение реальной модели автомобиля (рис. 7).

Представлены промежуточные результаты работы по использованию, развитию и внедре-

нию систем виртуальной реальности типа CAVE 3D для визуализации больших объемов данных научных исследований в различных областях знаний, а также результатов технического проектирования и моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/

2. Шабров, H.H. Программно-аппаратные комплексы виртуальной реальности предсказательного моделирования в научных и инженерных исследованиях [Текст] / H.H. Шабров // Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности, М.: Изд-во МГУ, 2009,- С. 183-189.

3. Шабров, H.H. Моделирование и визуализация в виртуальных и индуцированных средах [Текст] / H.H. Шабров, С.Г. Орлов, H.H. Куриков // Междунар. науч. конф. «Параллельные вычислительные технологии 2010», 29 марта — 1 апреля 2010,- г. Уфа,- С. 640-642.

УДК621.31 3

А.Г. Калымов, СЛ. Шиманский

ПРИМЕНЕНИЕ ВЕКТОРНЫХ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Метод пространственных интегральных уравнений [1] часто используется для расчета трехмерных магнитных полей, создаваемых катушками с током и намагниченными объектами. Основные достоинства этого метода — относительная простота реализации, ограничение расчетной области пространством, занятым ферромагнитным материалом, возможность моделирования магнитного поле катушек сложной конфигурации. Однако традиционные способы реализации метода ПрИУ обладают и существенными недостатками. К ним относится, в частности, относительно высокая погрешность расчета магнитного поля в области, занятой материалом ферромагнетика. Особенно сильно точность теряется в системах с замкнутым магнитопроводом и при больших значениях магнитной проницаемости ферромагнетика, что характерно, в частности, для электрических трансформаторов.

В настоящей статье производится исследование точности моделирования магнитного поля с использованием метода ПрИУ на примере расчета характеристик Ш-образного трансформа-

тора. В качестве объекта исследований был выбран промышленный силовой трансформатор марки ТБС2-0.25, на центральном стержне которого была сохранена только первичная обмотка с общим числом витков, равным и> = 335. Конфигурация рассматриваемой системы и ее основные геометрические параметры представлены на рис.1

Магнитопровод этого трансформатора изготовлен из электротехнической стали типа Э11, кривая намагничивания которой показана на рис. 2 [2].

В процессе экспериментального исследования характе ристик трансформатора по его первичной обмотке пропускался постоянный электрический ток. Его значения изменялись в пределах от 0,1А до 2 А, что соответствовало изменению индукции в магнитопроводе в диапазоне между 0,5 и 1,4 Тл. В ходе эксперимента измерялись основной магнитный поток в центральном стержне магнито-провода, магнитный поток, проходящий по боковым стержням, а также их разность. Эта разность характеризует поток, замыкающийся по воздуху, и может интерпретироваться как по-