基于Unity 3D的阀门虚拟仿真交互系统研究

黄苗苗 郑媛玉

（浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016）

0 引言

从国外研究情况来看，虚拟现实技术在国外已经较为成熟，且在实践过程中主要广泛运用于各个领域中。我国仍处于从阀门制造大国向阀门制造强国转化的过程中，要想真正实现这一发展目标，就必须直面我国阀门研发与创新能力不足这一问题，发现问题并解决问题是我国阀门产业未来长远发展的必经之路。在我国阀门产业发展的过程中，尤其要注重虚拟现实技术的发展，其中数值模仿技术更是重中之重，该项技术对我国提高阀门制造与创新技术具有不可替代的作用。细观已经被开发的阀门仿真系统，其具有数量少，系统单一，产品及环节较为粗糙等问题，且这些仿真系统的软件大多是以CAD为基础开发，虽然其三维造型功能趋于成熟，但对阀门运动模拟方面的研究却少之又少。如图1所示。

虚拟现实技术作为计算机学科近年俩新兴的一个新兴分支，现主要应用于军事、娱乐、制造、医疗、IT和技术等领域中。该文主要是以Unity 3D为开发引擎，进而对阀门的整体模型进行虚拟仿真，并通过人机交互的设计实现了对虚拟阀门的实时运行。

1 开发流程

对该文气门运动仿真系统的实现过程，以美标8"150#截止阀为例，在实践过程中通过Pro/E来有效建立截止阀门的零件图并进行组装，应用3DS MAX进行有效渲染，然后以统一3D的兼容格式进行导入。在进行导入后可在Unity 3D中添加组件。在搭建场景后，需要做好系统的交互设计，针对系统完成后进行性能测试，最后才生成可执行文件以及网络文件。具体实现过程如图1所示。

图1 虚拟阀门仿真系统开发流程

2 仿真试验步骤

鉴于目前阀门产品在结构上存在巨大的相似性，同时参数化建模在实践过程中更合适，尤其是针对尺寸、形状、结构和大小相同的产品。此外，在阀门中大量使用标准化和通用内容有助于在3D建模软件中开发专门的阀门设计平台，并提高质量和设计的效率。阀门建模完成后，使用数值模拟在虚拟条件下验证原理图设计模型的性能。根据验证结果，可以选择不同的建模场景来增强特定的建模场景，减少了验证测试的数量和开发成本。在模拟测试中，阀门强度和流量特性是主要的验证领域。在阀门设计中，阀体几个关键零件的强度只能按受力理论来保证，很难反映阀门复杂工作状态的要求。此外，获得阀门流动特性的传统方法只能在阀门产品制造完成后进行测试。研发成本高，研发循环长，阀门规格适用范围相对较小。按照常规的计算方法，这2个参数是不准确的或昂贵的。通过仿真分析经验，阀门设计者可以获得阀门在阀体结构上的应力分布和流动特性的分析结果，使对阀门设计方案的评价更加准确，与阀门设计的改进有很强的性。一般来说，在阀门模拟试验过程中，需要对阀体进行适当的建模，建立数值模型，定义边界条件，分析计算结果。

2.1 建立阀门实体模型

该研究中阀门的三维建模可以通过UG、Solidworks、Pro/E等三维软件进行建模。由于阀门产品的结构相似性较高，有利于参数化建模。因此，将阀门设计平台集成到一些主流的建模软件中，对提高阀门产品建模的质量和效率具有重要意义。阀门的主要部件有阀体、阀门定位器、阀门执行机构、连杆等。通过Pro/E三维建模软件建立各个部件的模型，然后按照合理的顺序进行装配，得到整个阀门的模型，如图2所示。阀门虚拟仿真系统可以执行诸如模型旋转、缩放、平移、分割、动态切割、尺寸读取、数据显示、透视、层叠遮罩、逐级显示等功能，以便充分展示阀门的结构和工作原理，拆除示范的特点和过程等，以便更好地了解其结构和工作特点。与传统的人机界面和常见的窗口操作相比，在产品展示、员工培训、技术适应甚至设计优化方面都有很多优势。1）电子纸文档。允许查看动态阀门模型、图纸、文档和模拟，并下载所有阀门模型、图纸和文档来管理阀门数据。运动仿真为机构提供了运动演示功能。单击相应的运动演示节点，查看其模拟动画。2）拆解的定义。由于阀门必须按照一定的顺序拆卸，因此在进行拆卸演示之前，需要定制阀门的三维模型的拆卸过程，以便为拆卸演示奠定基础。并模拟培训的评估。3）拆解演示。在拆卸定义中显示设备拆卸过程，以执行阀门拆卸演示功能。4）模拟训练。教学、培训和评估功能。5）标准。管理与阀门的国家标准和行业标准文件，为虚拟阀门仿真提供有力支持。

图2 阀门三维模型

2.2 模型的渲染和导入

首先将装配好的阀门模型插入3DS MAX中，在其中使用材质以及颜色等进行渲染，然后将其导出为与Unity 3D兼容。其次将FBX导入Unity 3D。导入后，将必要的灯光以及摄像机添加到Unity 3D中。由于3DS MAX的坐标系和单位与Unity 3D不同，因此在进行导入之前，需要调整每个运动集的单位转换比例和坐标位置关系。1） 简化模型的几何构造。虚拟现实场景需要计算机硬件来进行实时计算。如果面数太多，资源消耗会比较大，可能会导致运行速度逐渐下降，甚至无法发挥实际作用；它还会增加文件的容量，并将文件发布到网络增加下载时间。在虚拟场景过程中，模型建立表现主要的几何线段，而不影响其准确性。绘制模型主要是以显示主线，并使用电镀纹理以有效获得全局和详细的表示。2） 移除模型的连接面和隐藏面。在建模过程中，生成的一些几何图形超出了可见的限制，例如模型内部不可见的隐藏面、零件以及设备与地面之间的接触。虽然这些表面是不可见的，但是它们被添加到实时接收图的计算过程中，这会影响系统的实际操作效率。这些不可见面的消除减少了模型生成面的数量，优化了UV纹理的像素分布，并降低了渲染成本。3） 创建模型时避免使用布尔计算。布尔运算在实践过程中容易出现错误，会增加面的数量，还会在后固化过程中产生黑面。4） 复制对象使用实例在虚拟现实环境中，如果有大量几何形状相同但位置不同的对象，复制对象可以使用实例。在虚拟场景中，如果重复建模，会显著增加多边形的数量以及系统资源的消耗。实例是模型对象的参考副本，多边形的数量不会随着实例化对象数量的增加而不断增加。实例对象使用非常少的计算资源，这就减少了文件空间，提高了平台的实时处理性能。5） 一些复杂物体的纹理如果只使用多边形建模，可能需要大量的面，但如果使用简单的模型和简单的纹理，则使用电镀纹理来反映物体的细节，产生逼真有效的效果。降低建模难度，减少模型的总面数，显著减少三角模型的面数，提高逼真虚拟环境中的实时性，保证真实感。

3 流体特性试验

阀门是通过流体的机器，其流动特性是其产品设计的实践重要基础。获取阀门流量特性的传统方法是在阀门制造完成后进行测试。开发周期相对较长，同时开发成本也比较高，适用于阀门的规格范围小。

考虑到阀门两边的流体性质，由伯努利方程可得公式（1）。

式中：、是阀门两边的压力；，是阀门两边的流速；是一常数；是阀门的损头；是损头系数；g为重力加速度。

根据动量定理可得公式（2）。

式中：为流体密度。

又根据官流连续方程可得公式（3）。

式中：、阀门两边的截流面积。

进而求出流体流量，使用CAE软件添加合理的流体限制条件，使模拟试验分析不仅可以直观地显示阀流道中的压力和速度分布等数据，还可以计算流量系数和流阻系数等流动特性参数，结构的合理设计相对非常重要。

4 交互设计

虚拟阀门是模拟相对应实际计算机生成的三维虚拟对象。操作人员在实践过程中可以有效通过控制鼠标以及键盘等对虚拟对象（截止阀）进行一系列操作。交互是控制阀门运动的重要关键，脚本的编写是有效实现相对应交互的重要方式。可以通过将编写的脚本附加到相应的GameObject（该文是valve的移动部分）来有效实现三维场景的动态交互。1） 演示设备的介绍。通过使用第一人称或第三人称视角来选择用于交互的设备。所选设备的介绍显示在左上角，以便学生或是办公室人员更好地了解设备的详细信息。促进人员更快地融入研究或工作。2） 设备的拆卸和组装。在选择交互式拆卸设备时，需要模拟拆卸效率。效率是拆卸过程的重要关键。根据外部环境温度以及不同条件下的人为因素，通过更换不同的零件来达到可能不同的效率。模拟影响拆解和拆装作业效率的因素，以便更接近真实经验或是工作环境，并尽可能还原原本阀门设备维修环境。3） 独立显示模型。为了能够在更换过程中更好地可视化设备本身，可以通过选择交互模型并单独查看设备模型，这样更容易观察到微小的组件或隐藏零件。

简单的交互可以在实践过程中通过JavaScript来实现，因此该文使用JavaScript语言编写程序来实现交互。例如，我们想通过键盘上的某个键来实现截止阀的某种功能。以有效控制阀门零件爆炸图的键“W”为例，可以通过编写JavaScript语言轻松实现。

public GameObest valve;//获取虚拟阀对象

public float speed=3;

Void Update()

{

if(Input.GetKey (KeyCode.W))

{

valve.transform.Translate (Vector3.forward*speed*Time.deltaTime);

}}

另一个重要的交互功能是GUI界面的设计，用户可以通过用鼠标点击界面中的按钮来实现对应的功能。以点击按钮来控制阀门零件爆炸为例，相应的代码如下。

Void OnGUI ()

{

if (GUI.Button（ new Rect（10，10，100，30）," 零件爆炸" )

{

valve.transform.Translate (Vector3.forward*speed*Time.deltaTime) ；

}}

通过以上流程，可以在Unity 3D平台中发布成相应的可执行文件和网络文件如图3所示。

图3 虚拟截止阀零件展示

5 结语

利用三维建模软件Pro/E和交互性极强的虚拟现实软件Unity 3D的结合，可以最大程度上实现对阀门的虚拟仿真，该技术的发明与运用，对生产与教学方式的改进与演变具有重要意义，为企业进行产品展示提供优良平台，使顾客可以更好地了解企业产品，促进交易的达成。