动态水域仿真技术的研究和实现
基于CEL方法的结构体入水数值仿真
(a)0.2s时刻
(b)ls时刻
图2不同时刻结构体入水效果
[专家视角[I
图3为结构体重心垂直方向的位移变化曲线，可以看 出，随着结构体入水，结构体的动能逐渐减小，重心位移趋 于稳定。
图3结构体重心位移变化曲线 三、结语
直升机迫降着水属于复杂的流固耦合冲击动力学问
题，本文基于ABAQUS耦合的拉格朗日欧拉算法(CEL算 法),对典型结构体入水冲击进行仿真计算,得到与“打水漂” 试验相似的试验结果，结构体重心位移的变化趋势表明了 CEL算法模拟结构体入水冲击模拟是可行的。
(上接第6页)充分发挥市场的作用，以确保对外贸易产业的 健康平稳发展。具体来看，政府在对外贸易产业升级环节， 需要结合山东省本土产业在市场优势，依托国际市场的基 本原则与主要政策特点,借鉴欧盟的经验做法，对外贸出口 产业开展合理的宏观调控,为对外贸易企业提供各类产业资 讯、时法律援助等相关服务。同时适当减少财政补贴的力 度，以此倒逼对外贸易企业进行自我革新，实现竞争力的稳 步提升，更好地适应国际市场的变化，增加市场份额，以实 现山东省外贸行业良性向上循环发展，带动山东省外贸产 业升级与革新。
关键词:CEL方法结构体数值
当前，国内直升机应急着水载荷主要通过试验来验证，
由此而带来的问题是成本增加，研制周期加长。随着现代计
算机技术的不断发展，利用计算机数值仿真方法模拟水上
迫降已经在国外得到应用，而国内目前还没有将仿真技术
应用到实际的型号设计中,仅靠不断的试验迭代，难以满足
当下的设计需求。
直升机水上迫降问题属于典型的流固耦合问题,流固耦
山东省对外贸易产业的升级，要求相关主体通过对各 类贸易政策进行深入分析，充分剖析山东省对外贸易结构 单一等特点，扎实立足自身优势，在明确对外贸易短板的同 时，积极推动对外贸易产业的过渡与转型，不断探索市场发 展新路径，逐步形成全新贸易业态，在保持对外贸易平稳发 展的同时，增强贸易行业竞争力,实现山东省对外贸易产业， 从量变到质变的快速革新，最终能够在对外贸易市场中脱 颖而出。
长江通航安全研究的船舶操纵仿真系统
长江 水域 的通 航安 全 历来是 全 国水 上 交通安
了业 界 的一种共 识． 体地 ， 舶操纵 模拟 技术 又 具 船 可 细分 为实时 和快时模 拟两种 方法 ．
实 时模拟是 通过 大型视景 全功 能船舶 操纵模 拟器 实现 ， 即让 有 一定 船 舶操 纵 实践 经 验 的驾 引 人员在 模拟器 所设置 的环境 中实 时操作设 计通 航 船舶， 最后根 据多人 次模拟 的结果 进行 相关论 证． 美 国商 船 学 院 Ｃ ＡＯＲ Ｃ ｍｐ ｔｒＡｉｅ ｅａ Ｆ（ ｏ ｕｅ ｄ ｄＯｐ ｒ— ｔ ｎ ｓａｃ ａ ｉｔ ） ｉ ｓＲｅｅ ｒｈ Ｆ ｃ ｉ 的操 纵 模 拟 器 在 巴拿 马 ｏ ｌｙ 运 河 中长约 １ ｍ 的 盖亚 尔 渠 （ ｉａｄ Ｃ ｔ 的 ４ｋ Ｇａ ｌ ｕ ） ｌｒ 设计 过 程 中发 挥 了重要 作 用 ， 并取 得 非 常令人 满 意 的效 果［ ． ２ 日本 、 班牙 等 国在航 道 灯 光 布置 、 ］ 西 危 险 品 码 头安 全 分 析 等 工 作 中也 都采 用这 种 方
（ 江 交 通 职 业 技 术 学 院 成 教学 院。 杭 州 ３１ １ ） 浙 １ １ ２
摘要 ： 长江水域通航条件高度复杂 ， 有针对性地开展船舶操纵模拟系统的研究显得尤为重要． 文中
介 绍 了全 功 能 大 型船 舶 操 纵 模 拟 器 及 通 用 船 舶 操 纵 计 算 机 仿 真 平 台 （ Ｍａ Ｃ Ｐ）提 出 以前 者 为 ＵＳ ｎ Ｓ ， 实 时模 拟 基 础 ， 合 ＵＳ ｎ Ｓ 结 Ｍａ Ｃ Ｐ中 的 电 子 江 图信 息 系 统 （ Ｃ ） 内 河 船舶 操 纵 运 动 数 学 模 型 、 于 Ｅ Ｓ、 基
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ４ １３ ．
MIKE21教程(2024)
在模型中考虑堤防的溃决过程，模拟溃堤后洪水的演进情况，为防 洪决策提供科学依据。
洪水风险图制作
基于洪水演进模拟结果，制作洪水风险图，标识出不同淹没深度的区 域，为洪水风险管理提供支持。
2024/1/30
28
河道整治方案评估
河道地形建模
利用MIKE21建立河道地形模型， 包括河床地形、河岸地形等，为 后续整治方案评估提供基础数据 。
简要介绍多模型耦合技术的概念、原理及其在MIKE21中 的应用。
01
耦合模型构建
详细阐述如何构建多模型耦合系统，包 括模型选择、接口设计、数据传输等关 键步骤。
02
2024/1/30
03
耦合案例分析
通过具体案例，展示多模型耦合技术 在解决实际问题中的优势和应用效果 。
35
自定义函数编写及应用举例
2024/1/30
自定义函数编写方法
介绍如何在MIKE21中编写自定义函数，包括函数结 构、语法规则、调试技巧等。
自定义函数应用举例
通过实例演示自定义函数在MIKE21模拟过程中的具 体应用，如边界条件设置、源汇项处理等。
自定义函数优化建议
提供一些优化自定义函数的建议，以提高模拟效率 和准确性。
36
拓展模块介绍及功能展示
污染物扩散模拟
MIKE21可模拟污染物在水体中的扩散过程 ，包括对流、扩散、衰减等作用。
污染源识别
通过分析模拟结果，可识别出主要污染源及 其贡献率。
2024/1/30
扩散路径分析
可追踪污染物的扩散路径，为污染防控提供 决策支持。
32
环境影响评价辅助工具
模拟预测环境影响
通过模拟预测，可评估项目对环境的影响程 度及范围。
系统仿真介绍及应用
系统仿真介绍及应用
01.系统仿真整体介绍
1.1 定义 1.2 如何实施 1.3 应用场景和领域 1.4 重要性
01.系统仿真整体介绍
“系统仿真” 定义
系统仿真（system simulation）就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质 及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系 或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信 息
EMULATION
02.在水运行业的应用
码头生产
滚装码头作业仿真截图
集装箱码头仿真截图 散货码头作业、堆场管理仿真截图
散货码头皮带机系统仿真截图
02.在水运行业的应用
港区及园区交通
建立港区和物流园区集疏运车流仿真模型，重点对 各种规划道路的交通流进行仿真，得出各种车流评 价指标，辅助优化道路设计以及立交桥设置的必要 性等问题。
SIMULATION
用于运营阶段
可以推演码头从当前开始运行数小时（或数分钟）后的 状态，实现对同码头生产作业决策的评价，最终为码头 生产提供决策的依据。 此外，码头的仿真推演可以与人工智能技术相结合，实 时分析某一决策下的仿真推演的结果与码头生产实际情 况，进而不断改善和提升仿真结果的准确性和可靠性。
03.在其他相关领域的应用
微观道路交通仿真
案例2：建立了考虑红绿灯的交叉口交通仿真模型。以车辆在系统内的滞留时间 作为评价指标，对不同的红绿灯灯时设置方案进行比选。
03.在其他相关领域的应用
行人流仿真
案例：建立了铁路站台的行人流仿真模型，模拟地铁进出站以及站台上行人进出闸口、上下楼梯、上下车的 过程，并以密度图的形式动态显示站台上的行人密度。
系统仿真介绍及应用
集群系统在水下爆炸仿真中的应用
集群系统在水下爆炸仿真中的应用摘要:为提高水下爆炸仿真计算效率,对集群系统进行水下爆炸仿真进行了研究,构建了适用于水下爆炸仿真的高性能计算平台,并基于ABAQUS非线性有限元分析软件进行并行计算,结果表明集群系统大幅提高了计算效率,为开展水下爆炸大规模仿真研究提供参考。
关键词:集群水下爆炸并行计算实船水下爆炸试验实施难度大,耗费多,同时对环境造成不利影响,无法大规模组织开展。
因此,美国等发达国家十分重视水下爆炸仿真技术研究,开发了水下爆炸冲击分析(USA)模块与商业软件相结合的分析技术。
国内则主要利用商业软件进行实船水下爆炸数值仿真研究,但整船建模和计算对系统要求大,尤其是大量水域网格的创建经常会耗费惊人的计算资源。
集群系统为此方面的应用提供了良好的平台。
1 水下爆炸仿真技术水下爆炸仿真通常需要进行预应力分析、模态分析、稳态动力学等隐式有限元分析(IFEA)和瞬态动力学显式有限元分析(EFEA),对CPU和内存的要求都很高。
ABAQUS非线性有限元分析软件利用声固耦合法进行水下爆炸仿真。
建模过程中规模庞大的流体水域用声学单元来描述,由于爆炸冲击波反射引起的散射波分量对舰船冲击响应分析十分重要,在仿真中使用TIE约束将结构湿表面与流体干表面耦合在一起。
计算可采用总波公共法和散射波公式法。
当考虑水介质的空化效应使声学介质表现为非线性时必须使用总波公式。
2 集群系统集群系统是指将多个服务器集中执行同一服务,以单个服务器的形式运行,各服务器之间通过高速互连网络进行通信,系统管理人员利用KVM交换机直接连接键盘、视频和鼠标端口对系统进行访问和控制。
系统按照功能可分为高性能计算集群系统、高可用性集群系统、负载均衡集群系统。
2.1 总体架构水下爆炸高性能计算集群系统硬件通常由机柜、管理节点服务器、计算节点服务器、图形工作站、互连网络、存储系统、集群附属设备等组成。
软件通常由操作系统软件、集群中间件(如并行通信库、数学库、编译调试环境、管理系统等)、用户应用软件(如ABAQUS)等组成。
双向航道船舶交通流元胞自动机模型及仿真
双向航道船舶交通流元胞自动机模型及仿真全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：一、双向航道船舶交通流双向航道船舶交通流是指在特定水域内，存在来往的双向船舶流动。
这种情况下，船舶之间的冲突和碰撞可能性较大，交通管理也较为复杂。
研究双向航道船舶交通流的行为规律对提高船舶交通的安全性和效率具有重要意义。
二、元胞自动机模型元胞自动机是由斯蒂芬·沃尔夫勒姆在20世纪80年代提出的一种离散动力学模型，适用于模拟细胞、动植物种群、城市交通等多种复杂系统的行为规律。
其核心理念是将空间离散化为若干个细胞，然后通过规则来描述细胞之间的相互作用，从而模拟整体系统的行为。
三、双向航道船舶交通流元胞自动机模型1. 状态定义在双向航道船舶交通流的元胞自动机模型中，每个细胞可以处于航道内或航道外的状态。
航道内的细胞可以分为左右两个方向，分别表示船舶在航道内的行驶方向。
2. 规则定义- 交通规则：船舶在航道内遵循规定的航行规则，例如避让规则、优先通行规则等。
- 船舶行为规则：船舶在元胞中的移动遵循一定的行为规则，例如航速、转向等。
- 碰撞规则：在两船相遇时，根据不同的碰撞规则进行处理，以避免碰撞事件的发生。
4. 仿真实验通过对双向航道船舶交通流元胞自动机模型的仿真实验，可以观察航道内船舶的运动规律、交通拥堵情况、碰撞概率等。
根据仿真结果可以调整航道交通管理策略，提高船舶交通的安全性和效率。
结论双向航道船舶交通流元胞自动机模型及仿真研究为船舶交通管理提供了一种新的思路。
通过对航道交通流的行为规律进行建模和仿真，可以为船舶交通管理提供科学依据，提高船舶交通的安全性和效率。
未来，可以进一步完善模型，对不同类型航道、不同规模的船舶交通进行研究，以期实现更加智能化的航道交通管理。
第二篇示例：引言航道交通管理一直是船只导航领域的重要课题之一，尤其是双向航道船舶交通流管理。
为了让船舶能够安全、高效地在航道上航行，研究人员一直在探索各种交通管理方法。
水波涟漪的虚拟现实技术仿真
：
誓
１ 基于流体力学的水波物理模 型建立及 Ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ法的仿 真 实现
１ ． １ 水波模拟制作方法一 Ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ 方法 对水波 的模拟 ， 可 以采用水波粒子跟踪 、 水平集方法 、 以及高度场 网格等方法 。 在非实 时模拟领域 ． Ｄ． Ｅ ｎ ｒ ｉ ｇ ｈ ｔ ， Ｒ． Ｆ ｅ ｄ ｋ ｉ ｗ等【 ｔ 粒 子水平集 方法将 ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ方法与水平集 的水波表面表示法进行 了结合 但 是水平集函数 的更新通常是一个非常复杂的过程 ． 因此这种方 法还无
【 摘 要】 自然水波涟漪 实时、 逼真 的仿真 一直是计 算机 图形学 中的难点 ， 该文 系统的提 出了基 于流体 力学的水波涟漪的虚拟现 实技术 的 仿真 方法 首 先建立无力影响下波源加入 的水波模 型， 通过分析水波的扩散、 衰减、 衍射规律研 究阻尼存在的现 实状态下水波的波形 变化和传 输范围 ． 对水波涟漪进行逼真的模拟 ： 然后建立在外力干扰 条件 下． 水波的模型 ． 包含水 波受阻干扰后 波形 幅度 的变化及 传播 区域 的大小， 结合 拉格 朗 日法与欧拉法 ． 运用０ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ平 台． 对多个波源叠加干 涉后的融合运动进行仿 真； 最后 利用基 于特殊几何实例的算法进行渲 染， 动态生 成视 点替 用特效技术和混 色处理技 术 ． 实现真实感渲染绘制 的三维图形 实时绘制． 从而实现水波涟漪的虚拟现 实技术仿真。 【 关键词 １ 水波 模 拟 ： 流体力学 ； 物 理模 型 ： Ｏｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ； Ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ方 法
科技信息
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Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ＆Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ ＧＹ Ｉ Ｎ Ｆ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ
内河船舶航行环境视景三维仿真
内河船舶航行环境视景三维仿真田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【摘要】Based on the development directions and requirements of navigation simulation,3D visual simulation of inland waterway navigation environment was taken as the research object,in order to expand the practice area and improve the simulation accuracy at the sametime.Elements composing the scenery of inland waterway navigation environment were deeply analyzed and divided into twocategories:topographic and geomorphic features,surface and offshore targets.The mainstream software in scene simulation field such as 3D MAX and Multigen Creator were adopted for 3D modeling of the composing elements.Under the environment of VC++,the open source software OpenSceneGrap (OSG) was chosen as the driving platform to realize data fusion of 3D model of inland waterway navigation environment and strengthen simulation authenticity with meticulous rendering.Simulation shows that the constructed 3D models of inland waterway navigation environment are of higher precision,and its driving scenario is of verisimilitude,which can meet the navigation simulation requirements and can be recommended for development of large ship handling simulator.%基于航海仿真的发展方向和发展需求,为增加练习海域并同时提高仿真精度,以内河船舶航行环境三维建模仿真为研究对象,分析了内河船舶航行环境视景的组成要素,将其主要划分为地形地貌、水面及近岸陆域物标两大模块,并以视景仿真领域3D MAX、Multigen Creator等主流软件对其进行三维建模.在VC++环境下,以开源软件OpenSceneGraph (OSG)为驱动平台,对内河船舶航行环境视景模块三维模型进行了数据融合,同时以细致的渲染来加强模拟的真实感.仿真显示:所构建的内河船舶航行环境三维模型具有较高的精度,场景驱动具有逼真的效果,能够满足航海仿真的要求并应用于大型船舶操纵模拟器建设.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P115-120)【关键词】航海工程;内河航行;视景仿真;OpenSceneGraph (OSG)【作者】田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【作者单位】武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U675.790 引言随着计算机硬件和计算机图形学的发展,科学计算可视化已成为一门独立的新型学科。
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动态水域仿真技术的研究和实现
摘要:在图形学领域,人们一直试图利用计算机再现周围的真实世
界,然而现实世界虽然看上去简单,却极其复杂。对于一些自然现象,人
们可以采用过程描述的方式来获得某种特定的效果,但是对于有些现
象人们无法找到一个简单的模型来描述它,这个时候只有去追溯该现
象本身的物理根源,只有借助其本身较为精确的物理描述才能真实再
现其外在的视觉现象。
关键词:虚拟现实 仿真 OpenGL 正弦波 水波模拟
在PC机上实时生成海水动画在过去几乎是不可思议的事。但是
在NVIDIA公司1999年发布显卡Geforce 256之后,一切都变得可
能,PC机上实时渲染功能越来越强。Geforce 256是世界上第一款被叫
做图形处理单元(graphics processing unit,GPU)的显卡,最革命性的改
进在于将光影转换引擎(Transform and Lighting,T&L)集成到了
GPU中,从而大大降低了CPU的负担,GPU的并行处理功能一举突破
了以往在复杂的几何计算过程中,CPU速度过慢所引发的瓶颈。
1 水波运动特征
水的表面运动其实是由一系列的波组成的,当风作用于水面时,水
面会产生主方向与风同向的波族。为了渲染海面,通常使用一系列波
长,振幅和频率都不相同的正弦波作用于一个M×N的顶点序列,每个
顶点的高度根据通过该点的所有正弦波在时刻t的偏移进行叠加。这
种技术能够生成外观上比较真实的海面,而且性能的损耗可以控制在
合理的范围内。
2 水波动画生成
本文采用的是正弦波的叠加来模拟水波动画。利用正弦波的叠加
不仅可以很逼真的模拟水波动画,还可以根据需要改变正弦波的参数
和其它随机参数,以期达到希望的效果。适用于对视觉效果要求很高
的场合。对图像的纹理数据进行动态变换虽然可以获得比较真实的视
觉效果,但其缺乏灵活性,不能和用户进行交互,只适用于一些对辅助
场景的绘制。
2.1 动画原理
到目前为止,我们所绘制出来的水面还只是一个二维平面。我们
可以通过实时改变各个顶点的Z坐标值进行曲面的绘制,进而模拟水
波的效果,如图1。
2.2 算法
仅仅能绘制出简单的曲面还是远远不够的,要逼真的模拟水波动
画,必须要有一个数学模型为基础。本文采用多个正弦波叠加来实时
绘制各个顶点的坐标值,进而模拟出具有动态水波效果的曲面。
建立水面模型,使用FFT算法,生成动态的水面高度场,并将高度
场存入到顶点坐标当中,然后通过取顶点坐标值对水面模拟网格进行
扰动,形成动态的WAVE效果,如图2。
运用正弦波叠加技术的波纹函数定义为:
其中:Ai为第i个正弦波的振幅;
t为传播时间;
d为第i个正弦波的传播距离;
v为第i个正弦波的前进速度;
k为时间衰减系数;
m为传播距离衰减系数;
exp(kt)表示波的振幅在时间上呈指数形式衰减;
exp(md)表示波的振幅在距离上呈指数形式衰减。
这个波是从波源位置以横波方式在 x,y平面内传播。本函数可以
计算,时间为 t,在位置pPos处的波的波高。波的振幅在距离上呈指数
形式衰减,同时在时间上也呈指数形式衰减。
3 光照模型
由于真实感图形是通过景物表面的颜色和明暗色调来表现景物
的几何形状、空间位置以及表面材料的,而一个物体表面所呈现的颜
色是由表面向视线方向辐射的光能决定的。
3.1 法向量计算
在光照开启后,水面的颜色单一,没有立体感,这与我们所期望的
效果有很大差异。究其原因,是法线的缘故。
本文所采用的方法是平均平面法向法,如图3所示。在图中,曲面
顶点P的法向就等于其相邻的四个平面的法向平均值,即:
法向量计算公式如下:
P=(n1+n2+n3+n4)/4; (2)
效果见图4。
4 纹理映射
在三维图形中,纹理映射(Texture Mapping)的方法运用得很广,尤
其描述具有真实感的物体。
本文采用的是二维纹里,纹里颜色与曲面颜色混合。图5是本文
引用的一幅水的纹里图片,图6。
5 结语
本文所采用的技术是正弦波叠加,其优点是算法简单直观,实时性
相对较好,能满足对真实性要求不是很高的情况,可以与用户进行很好
的交互。但也有其一定的局限性。此方法并不能真正完全的模拟水面,
它无法根据水面所受到的力的变换来反映出真实的交互,不能够实时
的根据海面所受力的变化改变海面的状态,比如当风向改变时,水面所
产生的波浪也会相应的改变方向和大小。此种方法也不能模拟较大的
波浪,一旦波浪较大,模拟出来的效果就很不真实,甚至出现网格撕裂
的情况。
参考文献
[1] 韦有双,杨湘龙,王飞.虚拟现实与系统仿真[M].北京.国防工
业出版社,2004:前言、41～98、170～177.
[2] 5Richard S.Wright,Jr.Michael Sweet. OpenGL Supper
Bible[M].人民邮电出版社,2001:3～20.