关键词：起重机械；虚拟现实技术；仿真实验
引言
随着科学技术的进步和经济建设的发展对起重机安全性能的要求越来越高,起重机械传统的试验砝码评价法、整机工况稳定性等评价方法在实际设计检测中的局限性日趋明显。因此,有必要探索新的起重机械性能评价方法及新的安全性能检测方法。起重机械在机械化、自动化等实际生产过程中具有减轻体力劳动强度,提高劳动生产率等突出作用。因而起重机械的使用范围越来越广,工况也越来越复杂。起重机械作为一种大型、复杂的机械系统,在运行过程中,主梁、部件之间的相互作用可能会造成主梁下挠,部件严重损坏,使用寿命缩短,严重的会造成人身伤亡及设备事故,给企业造成严重损失。
1起重机械与虚拟现实技术
首先是起重机械。在土木工程中大型起重器械塔吊起到了不可或缺的作用，可谓没有大型塔吊万丈高楼平地起谈何容易？简直是不可能。对于塔吊的研究目前已经有所开展，在实景仿真方面、考核与管理方面、数据采集方面、故障再现等方面都在开展研究，但是都处在起步阶段，缺点很多基本没有比较成型的技术。其次是虚拟现实技术。虚拟现实技术（VR）是二十世纪末兴起的一门前沿的综合性信息技术，它综合了系统仿真、通信、计算机图形学等技术，提供给用户一个身临其境的、具有完善交互能力的三维虚拟环境，使用户能够通过直观、自然的感知交互手段，与这个虚拟的环境进行对话和交互，从而使用户与虚拟世界融为一体。目前，虚拟现实技术的应用领域非常广阔，已经被应用到工程建模与仿真、航空航天、科学计算可视化、设计与规划、教育、医学、军事、艺术与游戏娱乐等多个方面。将虚拟现实技术应用在工程建模和仿真中，除能减少工程设计过程中的重复工作外，还可以提高工程设计、生产等过程的可视化程度，使用户可以真正参与到虚拟场景中。
2起重机械的模拟仿真框架设计
2.1起重机械的安保问题及难点
起重机械的安保问题及难点主要是：最近随着房地产市场不断升温，建筑行业特别活跃大型塔吊的事故率也一再攀升，目前已经成为必须进行处理的安全隐患。塔吊的事故在吊装过程中和使用过程中均有发生，以前人们只知道注意吊装过程和施工过程的安全隐患，其实真正的原因往往是在设计阶段。
2.2选取合适的起重机械原型进行试验设计
选取了平头塔吊作为实验平台设计原型来进行开发，一是由于塔吊在建筑领域起重机械中的应用相对比较广泛，较为典型；二是因为塔吊操作相对简单，而应激情况发生却较多，使得实验实施和可行性验证更加简单有效，因此非常适合用作设计原型。以塔吊作为起重机械的原型进行项目开发，首先需要根据塔吊的机械结构制作塔吊的三维模型。以驾驶人员主要工作场所的塔吊室为例，在其三维建模过程中模型要求满足实际机械结构的运行原理和执行特点，除需要具有完整、专业的建模、装配、机构模块外，还需顺利的导出为虚拟现实软件使用；而操作场景再现也要同时对环境、任务所需的场景进行建模。因此，在仅针对机械设计的虚拟现实软件无法满足需求的情况下，为了实现更好的交互性和沉浸性，本项目中采用了unity3D作为虚拟现实软件。在研究前期三维场景的构建过程中，需用Solidworks设计出驾驶室虚拟模型，并将建好的模型以面片的形式导入到Unity3D软件场景中以便后期更方便地搭建虚拟实验平台。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在将模型导入到Unity3D场景的方法选择上，章采用了3DSMAX软件作为中间过渡，其优势在于从Solidworks导入到3DSMAX的过程中，装配体零件之间的装配位置依旧保持，无须重新定位，而且最终不会出现太多的失真和不兼容现象。具体设计方案如下：①选取型号为STT153的塔式起重机作为仿真原型进行设计。首先根据实验要求，在保证仿真效果的前提下将STT153型平头塔吊进行简化设计分解。经过各方案的比较，最终决定将塔体分为驾驶室、塔身、塔臂、吊钩和载重小车五个部分。②对每个部分分别进行数据采集。具体包括驾驶室部分的数据采集，采用实体参观方式参观测量STT153型塔吊的驾驶室，并对驾驶室内的关键数据进行采集和整理；其余部分，通过查阅STT153型平头塔吊的主要参数和零部件CAD图纸取得所需的关键数据。③整理数据后选取相应软件对各部分进行建模。使用Solidworks软件对驾驶室部分建模，选取Pro/E对塔身、塔臂等其余部分的设计进行建模。建模后通过采用3DSMAX软件进行格式转换作为过渡，顺利导入Unity3D引擎进行交互场景的设计和完善。
3虚拟仿真系统开发
3.1仿真模型实现结构
首要工作是必须对问题域进行面向对象的分解，建立仿真软件的建模元素类(ModelingElements);其次根据所采用的仿真建模方法，确定控制运行必须的仿控制类(SimulationControl)，实现外部控制器与起重机对象之间的交互；然后根据三维可视化显示的需求，加上显示接口类(DisplayInterface)，实现起重机数学模型与三维显示部分的数据交互。
3.2面向对象分析
起重机仿真系统的数学模型是对起重机系统的一次建模，它是起重机仿真系统建立的基础，使得仿真模型建立具有理论依据；起重机系统的仿真模型是对起重机系统的二次建模，通过建立系统仿真模型具体实现仿真功能，使得数学模型能够体现在实际仿真过程中，同时高质量的仿真模型可以使得整个仿真系统灵活、可扩展、可维护并作为仿真运行过程稳定、高效的保证。起重机对象各个独立又相互关联的类是基于对象自身结构和功能进行分解、抽象及封装形成的，每个类对象除了实现各自功能行为之外，还需要使用按照需求定义的输入输出接口交互信息、相互通讯，整体实现使得整个起重机对象模型即能够满足内在独立性要求又能体现外在统一性。
3.3三维可视化实现
现在仿真系统更多需要采用三维可视化及动画技术，用于满足对于观察系统动态反应、模型验证、以及一般原理性交流的要求。运动型对象的仿真系统由于需要将运动过程直观反馈给用户，对显示的要求更高，起重机作为一种典型的多维度运动对象，针对起重机的仿真系统需要满足可视化以及三维动画显示才能良好满足使用者的需求。开发虚拟仿真对象需要采用虚拟现实技术，完成起重机数学模型建立与起重机三维模型的建立之后，需要针对实现三维模型的虚拟现实平台开发数据交互接口程序。实现数学模型至三维模型以及三维模型至数学模型的双向数据交互。
结语
总之，虚拟仿真作为一个新兴技术运用在起重机系统上，为大型起重机的吊装和施工提供了虚拟的实验平台，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发，为以后的模拟仿真体统在土木工程中的应用，探索了新路起到了抛砖引玉的作用
参考文献
[1 ]李冉.虚拟现实技术在工程建模和仿真中的应用[D].海河大学，2005.
[2]朱翠兰.塔式起重机视景仿真系统场景建模与驱动[J].山东建筑大学学报，2012（03）.
论文作者:胡立新
论文发表刊物:《城镇建设》2019年2卷17期
论文发表时间:2019/11/29
标签：塔吊论文; 起重机论文; 起重机械论文; 建模论文; 虚拟现实论文; 模型论文; 系统论文; 《城镇建设》2019年2卷17期论文;