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虚拟现实技术即将改变航空制造?

2016-8-12 23:12| 发布者: Nighthawk| 查看: 1959| 评论: 0|原作者: 再别蓝桥

摘要:   虚拟现实技术(Virtual Reality,以下简称VR),是集合仿真技术、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术以及网络技术等多种领域技术而开发出来的一种计算机仿真系统。
  1.什么是虚拟现实技术?
  虚拟现实技术(Virtual Reality,以下简称VR),是集合仿真技术、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术以及网络技术等多种领域技术而开发出来的一种计算机仿真系统,能够创建并让用户感受到原本只有真实世界才会拥有的体验。
  简单来说,VR技术能够将用户的感知代入由它创建的虚拟世界,并让用户以为眼前的一切都是真实的,它最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互。
  2.VR技术发展史
  VR技术的渊源,可以追溯到二十世纪四十年代初,当时为减少飞行员的时间和经费,美国开始了飞行模拟器的设计。这个早期的模拟器是一个非常笨重的机器,虽然飞行的视觉感受很不直观,但该项技术代表了VR技术的雏形。
  1966年,美国MIT的林肯实验室开展了头盔显示器(Head Mount Display,以下简称HMD)的研制工作,利用计算机生成HMD中的场景,代替摄像机拍摄的模拟图象。第一个HMD十分笨重,悬挂在天花板上,并使用一个机械的注视跟踪系统。在第一个HMD样机完成不久,研制者又把能够模拟力量和触觉的力反馈装置加入到系统中。第一个力反馈操纵杆是由贝尔实验室的Michael Noll在60年代研制成功的,当用户与一个由计算机所创建的物体发生碰撞时,用户会感到某种程度的“震动感”。进入20实际90年代,VR研究热潮转到民营高科技企业,集中于进一步提高仿真系统的逼真性和沉浸感。代表成果是VPL公司生产出的第一套数据手套。如今,VR技术正处于一个百花齐放的状态。最近来访中国的Facebook创始人马克?扎克伯格提到,2016年会是消费者的VR之年。目前主流的VR设备,代表性企业巨头分别是谷歌、三星、Oculus、HTC及索尼,分别推出了各自的HMD。
  3.VR技术的特点
  VR技术具有3-I特征,即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)。借助交互设备可以使得产品设计者以接近自然的方式与虚拟环境中的设计对象进行交互,对用户的位置、姿态和语言等作出实时响应,并能方便展开创新联想。VR技术利用计算机技术生成一个逼真的,具有视、听、触与力感等多种感知的虚拟环境,具有实时三维空间表现能力,具有替代物理样机的巨大潜力,有效扩展了人类认知手段和领域,是21世纪军事科技中最有可能从根本上改变武器系统研制方式的技术,也将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。
  4.VR技术与飞机设计
  现代飞机技术越来越复杂,性能要求也更加苛刻,而研制周期却越来越短,应用VR技术已成为确保飞机研制成功的关键手段。在飞机设计过程中,应用VR技术提前开展性能仿真演示、人机功效分析、总体布置、装配与维修性评估,能够及早发现、弥补设计缺陷,实现“设计-分析-改进”的闭环迭代。
  VR技术对飞机设计能力的促进作用体现在以下3个方面:
  1)让用户在产品设计初期进行沉浸式虚拟体验,增强用户信息,抢占市场先机;
  2)基本取代实物样机,变“后实物验证”为“先虚拟体验”,大量节省飞机研制经费,缩短研制周期,符合绿色航空设计和低碳经济理念;
  3)避免将设计缺陷带入后续研制阶段,大大减少反复更改活动,真正实现了设计一次成功,提升飞机质量。气动性能设计人员可以看到“真实”飞机的外形,以及流场分布、压力分布的情况;结构强度设计人员可以“穿越”到飞机框架中,结合应力计算的可视化结果,非常直观地检查结构的协调关系和维修的可达性;驾驶舱设计人员穿上数据衣,带上具有触觉的数据手套,可以“坐”在驾驶舱里“触碰”控制按钮,更加准确地评估设计方案的合理性和效率;客舱布置设计人员可以“进入”客舱内部,在线改变座椅的布局方式、内饰方案,身临其境地体验乘客的感受。
  5.VR技术与飞机装配
  鉴于现代飞机装配制造具有装配精度高和各环节装配协调关系紧密复杂等特点,这就决定了飞机装配技术在飞机制造中成为了一个非常重要的环节。传统飞机设计采用三维设计软件,但在装配方面大多数还是依靠传统的人工现场直接安装,且二维装配工艺不能够充分利用三维设计数据,在装配过程中增加了工作量,同时在转化的过程中,设计人员需要在脑海中想象三维模型,再用二维图像进行表达,这加大了工作量,容易出现错误。因此在传统飞机装配技术基础上,采用虚拟装配能够及时发现飞机设计过程中存在的问题,从而能够有效地提高整个飞机的装配效率。在虚拟装配的过程中,装配人员可以身临其境地建立装配的模型,确定装配关系,规划好装配路径和序列;同时还可以实时检测装配中的干涉、碰撞等,对可行性作出正确的评价。当发现装配中存在问题时,能够第一时间进行调节和解决,大大提高了装配的效率。
  6.VR技术在航空制造的应用案例
  波音777的设计是VR技术应用的一个早期案例。波音777由300万个零件组成,这些零件的设计以及飞机的整体设计是在一个数百台工作站的虚拟环境系统上进行的。当设计师带上HMD后,就能穿行于这个虚拟“飞机”中去审视飞机的各项设计。过去为设计一架新型飞机必须先建造两个实体模型,每个造价约为60万美元;应用该技术后,不仅节省了研制经费、缩短看了研制时间,而且保证了机翼和机身对合的一次成功。没有机翼和轮子,也能完成飞机制造。在波音787梦想客机下线仪式上,并没有出现真正的及其部件及飞机,而是以虚拟下线的方式标志着波音787的成功研制。波音公司的设计工程师西蒙?库克表示,设计师们已经在“荧幕”里创造出了飞机,并解决了设计中的所有漏洞和问题。以VR为代表的新一代数字化先进设计技术将整体项目进度和飞机研制成本缩短降低了将近一半。 

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