引論：我們為您整理了13篇三維仿真論文范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
通用三維仿真引擎的功能是達到圖形渲染、交互控制和網絡通信的目的。它是由資源管理、場景管理和動畫系統三個子系統組成的。通用三維仿真引擎與邏輯操作無關，它主要是為了實現三維虛擬場景的重建和環境渲染。電力仿真系統與通用三維仿真引擎共同組成了一個完整的三維仿真培訓系統。
二、系統實現的主要技術要求
1仿真對象和電氣屬性的同步
在三維虛擬環境下，為了保證虛擬對象和行為的一致性，往往需要借助事件、屬性、對象的三位一體機制來實現。電氣設備的虛擬設計是電力安全三維仿真培訓系統的主要對象，除了顏色、縮放比例等常見的屬性外，還需要對仿真對象的電氣閉合狀態和相關參數等重要的屬性進行邏輯設計。當虛擬操作導致電氣設備的閉合狀態發生變化時，電氣設備的相關屬性就會發生變化，最終使得電氣設備的參數發生變化。當信息傳遞到設備管理器時，就可以重新計算電網的參數來更新事件的狀態。
2邏輯控制與復雜操作的對應關系
電力安全三維仿真培訓系統的操作過程應當全面支持操作者的各種開放式操作行為。簡單來講，虛擬的操作邏輯應當及時地判斷和反饋操作者的操作行為。開放式的操作控制邏輯與封閉式的操作控制邏輯相比，其應變能力和復雜程度都大幅提高了，在這種操作控制邏輯下，用戶可以根據自己的操作習慣靈活操作，避免復雜的操作流程帶來一定的操作壓力。在錯誤的操作下，操作系統也會及時給予警告或提示，這樣便可以更好地實現智能化培訓的目的。
3大規模場景的情境渲染技術
由于電力安全培訓的三維虛擬場景范圍比較大，需要仿真對象根據培訓人員的操作產生動態移動，這就要求在具體的邏輯設計中，不能把全部的仿真對象放置在同一個渲染列表中，以免影響操作過程控制。在實際設計中，可以將仿真對象分為可渲染對象和可移動對象兩種。可渲染的仿真對象一般是指場景對象的模型數據，它只要求有顯示的功能，而可移動仿真對象則需要能夠在三維坐標中來回移動。當場景數量較大時，可以分別優化處理靜態場景和動態場景。只更新動態場景的空間信息而忽略了靜態場景的空間信息，不僅能夠提高渲染速率，還可以有效地節約計算資源。
4三維交互模式的實現
三維交互模式的首要功能是當用戶輕點三維場景中的某一個物體時，系統就可以快速地檢測到該信息的傳送情況，并快速反應，從而實現三維交互模式中的人機交互。三維物體是根據射線相交的原理實現的，當鼠標點擊的位置發射一條平行于視線的射線與場景射線相交計算時，交點即該物體的位置標識。常用的三角形檢測方式往往會占用較多的計算資源，影響定位速率。為了避免這種情況的發生，可以采取包圍球體的檢測方式與三角形檢測方式混合使用的方法，提高檢測速率。
三、三維仿真培訓系統的應用
根據上面的整體架構設計和主要問題分析，可以初步實現包含場景編輯器、邏輯編輯器、地圖編輯器在內的三維仿真培訓系統。場景編輯器可以實現三維場景的構建功能，邏輯編輯器可以將復雜的邏輯語言轉化為可視性的操作過程，實現虛擬設備的響應控制功能，而開發人員則可以通過地圖編輯器實現三維場景的布置功能，并且可以及時查看編輯結果。
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2獎學金額度
在全國高校評選出使用LMS Imagine.Lab AMESim一維仿真平臺和LMS Virtual.Lab三維仿真平臺進行課題研究的優秀在讀研究生各5名，給予每人5 000元的獎學金資助.
3評定條件
（1）必須是國內高校在校全日制研究生（包括碩士研究生和博士研究生），在讀期間的學年平均成績優秀，無不及格科目.
（2）使用LMS Imagine.Lab AMESim一維仿真平臺或LMS Virtual.Lab三維仿真平臺進行研究生畢業論文相關的課題研究，且課題內容具有實際工程背景支持，最好結合實際橫向項目的合作課題.
（3）論文命題能推動行業核心技術進步或具有明顯創新研究價值.
（4）應用領域包含但不限于汽車、航空航天、船舶、兵器、交通、能源、通信、電子、化工、工程機械、家用電器、輕工業、醫藥和IT等.
（5）論文完成后應署名LMS高校獎學金資助支持，并共享論文電子版.
（6）優先考慮LMS Imagine.Lab AMESim或LMS Virtual.Lab軟件的高校正式用戶.
4申請流程
（1）對符合評審條件的申請人，根據申報項目填寫“LMS仿真解決方案高校獎學金申請表”，并必須經負責導師簽字確認和學校認可.
（2）LMS會盡快與申請人確認，并根據書面資料組織評審.
（3）按照評審程序的規定公布評審結果并發放獎學金.
5評審程序
（1）具體評定工作由LMS負責，組織LMS公司專業技術人員和行業專家組成動態評定小組，進行綜合評審.
（2）評審結果將在LMS官方網站公布，并于每年的LMS用戶大會統一發放該獎學金.2013年LMS用戶大會將于6月24-25日在青島舉行.
（3）針對碩士研究生和博士研究生的論文差異進行適度把握，原則上碩士5篇、博士5篇，但暫不做硬性區分，即名額之間可適度調劑.
（4）對所有入選的在讀學生，LMS將采用租或借等形式給予最新版本LMS Imagine.Lab AMESim或LMS Virtual.Lab軟件的友情贊助支持，并歡迎獲獎者畢業后加入LMS公司.
6申請截止時間
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1 引言
《汽車設計》是車輛(汽車)工程專業或方向的一門專業核心課程，也是一門實踐性非常強的課程。該課程任務是使學生學會分析和評價汽車及其各總成的結構和性能，合理選擇結構方案及有關參數，并學到一些汽車主要零部件的設計和計算方法和總體設計的一般方法，為從事汽車技術工作打下良好的基礎。然而《汽車設計》課程因為涉及內容廣泛、概念眾多、公式量大，因此采用傳統的教學模式已經不能適應社會需求的發展[1]。目前我校汽車設計課程在教學中存在教學過于理論化，學生對于其理論知識的學習深度不夠，知識難以接受理解。實踐教學相對理論教學滯后，因此有必要對課程教學方法進行改革。
2教學方法改革
2.1多媒體演示教學
將多媒體教學課件引入到汽車設計理論教學中，具有以下幾個優點：①圖文并茂；它既能通過圖形的講解去理解結構的設計原理，又能通過文字對內容的歸納進行理論教學[2]。②信息量大、滿足教學要求；枯燥的理論教學激發不了學生對課程內容的興趣，通過課件可以引入很多實際設計中的知識從而增強學生的學習激情。③三維動畫能清楚反映總成部件的相互運動情況，從而更好地加深學生對知識的理解。如手動變速器的設計教育論文，由于涉及眾多齒輪的設計公式，教師很難講授清楚，學生理解起來也很吃力。通過計算機課件，把變速器的設計過程通過動畫直觀展示，使學生形成清晰的感官認識，對正確理解和掌握知識點發揮了很大的作用，不僅順利完成了難點教學，也使學生體驗到科學的奧妙和技術的強大動力。④通過課件的聲、圖、文字、動畫有機的融合，能激發學生的興趣，使學生能夠集中注意力進行聽課，從而提高課堂教學質量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先進設計方法引入汽車設計教學中
隨著計算機相關技術的發展,幾何模型的設計從二維轉向三維。在實現CAD/ CAE/ CAM 一體化的過程中,產品的設計、制造、檢測全部實現無紙化,因此在汽車設計的教學中要與時俱進，將現代的設計手段、設計方法引入到汽車設計教學中[3-4]。
在汽車設計的教學中，對于傳統部件的設計，可以采用CAD的設計方法進行教學,教學的重點可以通過使用三維設計軟件進行汽車總成部件的設計。如圖1所示，左圖為變速器設計中所用設計公式的計算小軟件，通過課程教學中的演示學生可以清楚地看出設計的步驟，根據計算后的結果引入CAD設計軟件，最終形成右圖所示的三維總成件，整個變速器的設計清楚可見，同時又通過先進的設計方法使學生掌握了現代汽車設計的相關方法論文格式范文。目前,機械CAD軟件可以實現從概念設計、三維零部件建模到裝配分析等各功能的設計。
圖1 變速器設計實例
CAE設計方法的引入是汽車設計教學中又一個形象的方法。目前汽車制造企業在樣機的制作、實驗和性能評價過程中會充分利用計算機技術進行分析和仿真,這樣無疑可以減少樣機或試制品的制作次數。在三維模型組裝完畢后,可將模型轉化到仿真軟件上進行動態仿真,模擬真實環境進行三維動態和碰撞等的分析,可以發現部件運動以后的問題,還可將關鍵部件或部位放在有限元分析軟件中,對其在各種工況下的受力和變形進行分析,及時發現設計的薄弱環節,避免設計缺陷。CAE設計方法引入汽車設計課程教學中,不僅可以提高學生對課本理論知識的理解，更可以使企業實際需求與學生學習相結合，從而引導學生進行更加有針對性的學生。如圖2所示，為轉向節設計的CAE受力分析結果圖，通過改組圖片對比學生可以容易明白轉向節在設計時應該考慮到三種特殊工況情況下的受力分析。
（a）車輪越過不平路面工況(b)緊急制動工況(c)側滑工況
圖2轉向節設計實例
虛擬樣機技術(VPT)就是在建筑第一臺物理樣機之前，設計師利用計算機技術建立機械系統的數字化模型，進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優化設計方案的技術。虛擬樣機技術利用虛擬環境在可視化方面的優勢以及可交互式探索虛擬物體的功能教育論文，對產品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎上，把虛擬技術與仿真方法相結合，為產品的研發提供了一個全新的設計方法。圖3為引入VPT技術形成的車橋差速器仿真模型，通過該模型的運動仿真可以清楚地分析出部件在運動過程中的受力變化情況。
圖3VPT設計實例
只有這樣才能夠提高學生的動手能力，增加學生對汽車設計理論的直接了解，有利于老師和學生之間的互動水平。
2.3 項目教學法引入到汽車設計教學工作中
項目教學法是一種以項目為導向，將理論與實際相結合的先進教學方法[5]。汽車設計課程因為所涉及實際性較強，教師在教學中可以設立相關小的項目。項目教學法便于用在汽車某個總成或部件的設計項目上,如轉向器的設計、麥弗遜式獨立懸架的性能計算、離合器膜片彈簧的優化設計等。通過項目教學進一步鞏固學過的知識，強調學生的動手能力。
3．結束語
綜上所述，通過對汽車設計課程教學方法的改進，按照新的教學改革思路，經過這幾年的摸索，不斷總結經驗，初步取得了較好的成績，學生對于汽車設計課程的教學測評已經連續2年獲得優秀等級，達到了課程的培養目標。
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0.引言
隨著信息技術的逐步發展和社會要求的逐步提高，虛擬現實的研究領域開始轉向山體、水域等不規則形態的實體。而由于計算機處理能力有限，地形數據獲取困難，可視化處理復雜，三維顯示效果缺乏真實感等問題逐漸顯現。本文以山體為例就不規則形體的可視化過程進行研究，探討一種不需要實體數據，計算機可視化技術與數學分形理論相結合的三維地形可視化的處理方法。
虛擬地形的可視化具有隨機性和復雜性，在對山體的三維建模過程中，首先對山體的實際形態進行研究，針對虛擬地形數據的特點進行參數設置和紋理映射，利用計算機可視化技術，創造性的融入分形技術，實現對山體的建模。同時利用分形理論實現山體表面樹木的覆蓋，達到仿真的效果。
本文探討的山體的三維建模方式，是基于筆者題為《連云港地區虛擬現實研究》的基礎上的，在對其虛擬現實的研究過程中對山體的建模采用的是3Ds MAX與VRML相結合的方式進行的。
1.分形理論概述
隨著社會科技的進步，分形理論從最初的研究自然界和非線性系統中的不光滑和不規則的幾何形體逐漸發展為研究人類社會經濟活動中存在大量的現象。分形理論著重研究自然界和社會活動中普遍存在的無規則而具有自相似性或統計自相似性的系統或現象，如彎彎曲曲的海岸線，起伏不平的山脈，粗糙不堪的斷面等。這類客體不具備特征尺度，用不同倍數的放大鏡去觀察它們，其相貌是相似的，并且這個性質不隨觀察位置的變化而變化。自相似性普遍存在物質系統的多個層次上，物體或幾何圖形的維數的變化可以是連續的，即其維數可以不是整數[2]。
而以山體、河流等不規則幾何形體為主要內容的地球系統，其時空展布具有分形的特點。普通的數理理論中的均勻、連續及光滑邊界條件下的問題求解方法遠不能滿足地學問題的研究需要，分形理論的出現為研究類似地球系統這樣的復雜系統提供了一種新的研究方法。
2.虛擬現實三維山體建模方法初探
在對山體進行三維建模時可以使用強大的三維建模工具3Ds MAX或是虛擬現實建模語言（VRML）進行。對于地形數據，還可以借助VRMAP進行拉伸從而實現三維實體的可視化仿真。
筆者在進行《連云港地區虛擬現實研究》時考慮采用強大的三維建模工具和虛擬現實建模語言相結合的方式進行，所收結果不盡如人意（如圖1所示）。為此，探索更加符合地形數據特征的三維建模方式有助于更加清晰地對地理實體進行分析研究，從而真正實現地形數據的三維可視化。在可視化的基礎上借助虛擬現實建模語言VRML強大的擴展性能，結合JavaScript腳本實現三維實體的放大、縮小、漫游、查詢等人機交互功能。
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我校機電設備維修與管理專業有一門重要課程，這就是自動化生產線安裝與調試課程中的仿真實訓軟件開發包含可編程控制技能實訓仿真、電路接線仿真功能，和自主學習搭建線路功能。為了學習者能在一個互動友發的界面上學習，并能根據已有圖表資料能進行自主學習的要求，能讓操作者在計算機上模擬完成各站的電氣線路設計和控制程序的編程，但這些內容的選擇和使用都需要一個窗口和仿問界面。因此本仿真軟件還應滿足以下界面設計要求。
為了使操作者或學習者方便進入這個區域學習和使用這個仿真實訓軟件以達到操作簡單明了，清晰可見。著重于提示信息要詳細、準確、恰當，便于靈活掌握應用。軟件界面應布局合理，顏色得當、菜單按鈕規范、用語簡單明了、畫面美觀。仿真實訓軟件可調整訓練進度，能及時反饋學生的操作、自測情況。
1 軟件組成與設計
自動化生產線安裝與調試課程的仿真軟件的開發平臺主要是在C語言為基礎進行開發設計的，我們在機電仿真控制平臺上共享其數據庫。主要做開發自已工作站的三維模型，并建設電路控制庫和程序代碼，導入其控件中。為了能在我們的仿真軟件開發和設計中能較好實現以上資源的共享和調用，我們從其設計結構四個層面來撰述：
（1）界面表示層：負責處理用戶與應用程序之間的交互過程：它可以是一般的終端設備、桌面應用程序。
（2）電路設計層：定義了用戶界面要顯示的內容，并根據所支持的是庫中已有電路。對于相應的用戶要求可以進行二次制作導入相應的庫中，其各級控制邏輯層會以用戶的要求來定義。
（3）程序設計層：提供應用系統需要的其它功能，如：消息傳送、工件調取、工件顏色的選擇支持所需要程序。
（4）數據庫層：存放用戶應用電路模型圖和控制程序數據和各種可共享模塊。
為實現實時三維控制的性能和各層次結構的控制要求，首先要考慮的是框架如何分層、各層包含何種組件或對象、不同層次之層對象如何通信。
在實際應用中，也可以將邏輯層再分為若干組件集，每一個組件集完成一個相當小的小電路功能，用戶界面層通常需要連接若干個組件集來完成一個單獨的邏輯塊后可以組合成新的控制電路模塊。組件集之間也可以相互調用。本論文的框架圖如圖1所示，分為界面表示層、電路設計層、程序設計層和數據庫四層。
2 軟件的模型設計
仿真自動線教學是實際自動線控制過程在計算機上的本質實現，其系統模型主要有自動線教學設備硬件（或物理）部分和軟件部分組成。硬件部分由自動線運動部件、控制電路零件、執行器等構成，軟件部分則由電氣控制線路、PLC控制程序和機電仿真控制平臺構成。自動線中機械手是一套自動化設備接受指令的過程。對仿真自動化生產線系統模型的建立是仿真實訓的關鍵技術。為此我們要對相關模型進行分析設計，制定出相關數據表，按一定規律導入控件中。
2.1 三層模型
三層模型是一種“界面模型+電路庫+ 程序庫”的邏輯分層模型，界面模型：通過調用控制邏輯層代碼來獲取所需要的數據，按照控制電路的運行要求適當的通過用戶界面的三維動畫顯示出來。當應用程序被修改時，只要對表示層提供的接口不變，就不需要更新每個工作站的用戶界面程序，在運行效率和可維護性上遠遠高于靜態圖分析，如圖2所示。
另外要說明的是，對于不同生產線可以用不同三維模型界面表示出業，前題是設計好相應的模型。通過相應的電路庫和程序庫調用，這也更加方便于教學，實現網絡化管理和網絡化實訓服務，對于教學中不同的生產線中有可擴展性和靈活性。
3 登錄界面的設計
由于我們是在一個已有平臺研究，有許多已知的元器件我們可以直接調用。但我們研究的自動生線是一個相對復雜、元器件比較較多并且型號多。為此我們要有所選擇的進行主菜單設計，方便于教學中調取使用。具體登錄界面如圖3所示自動化生產線仿真軟件登錄界面。
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Keywords: OpenGL, 3 d model, the system simulation
中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：
1、引言
系統仿真是近30 年在系統科學、系統識別、控制理論、計算技術和控制工程等多種技術發展基礎上發展起來的一門綜合性很強的新興技術。計算機系統仿真就是，以計算機為工具，以相似原理、仿真技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。從計算機系統仿真的定義可以看出，計算機系統仿真包含了三個方面的信息（三要素）：系統、模型、計算機，而聯系著它們三者之間的基本活動是：系統模型建立、仿真模型建立、仿真試驗。
“系統”是指被研究的對象，任何事物都不是孤立地存在著的。因此，仿真研究的對象也不可避免地與其周圍的環境之間存在著相互聯系。建立系統模型就是要把待研究的系統從周圍的環境中界定出來，并把它描述成數學模型。建立被研究系統的數學模型， 就是為了能用計算機語言實現。從數學模型到仿真模型的轉換過程，就是仿真模型建立。只有經過轉換后的仿真模型才能為計算機識別并運行。綜上所述，建立仿真模型是系統仿真的關鍵一環，選擇什么工具來建模也顯的由為重要。在這里就我們的課題，工業機器人動態仿真選用的工具OpenGL來探討。
2、 OpenGL 的功能特點
OpenGL 是SGI 公司推出的三維圖形庫（GL），它表現突出，易于使用而且功能強大。利用GL開發出來的三維應用軟件頗受許多專業技術人員的喜愛，隨著計算機技術的繼續發展，GL 已經進一步發展成為OpenGL，OpenGL 已被認為是高性能圖形和交互式視景處理的標準。OpenGL最大的特點首先是與硬件無關，可以在不同的平臺上得于實現，用OpenGL編制的程序，可以隨心所欲的控制三維模型，由于OpenGL同時提供了顏色緩存、模板緩存、深度緩存、累積緩存等基于雙緩存技術的動畫操作函數，因而可以實現實時的虛擬仿真。其次是建模方便，OpenGL不僅提供基本的三維幾何像素生成函數，而且提供了大量的點、線、面以及曲線曲面等基本圖元操作函數，可以構建相當復雜的幾何造型。第三個特點是高度的真實感顯示，由于OpenGL 提供了大量的著色、光照、景深、陰影、混合、消隱、反走樣、明暗處理、圖像處理、紋理映像、深度檢測等功能函數，保證了三維仿真圖形顯示具有高度的真實感。第四OpenGL 具有出色的編程特性，OpenGL 體系結構評審委員會獨立地負責OpenGL規范，使之具有通分的獨立性。程序的通用性和可移植性。由于OpenGL可以集成到各種標準視窗和操作系統中，因此基于OpenGL的三維仿真程序有良好的通用性和可移植性。最后是應用廣泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作為三維圖形標準，許多其它軟件商也紛紛以OpenGL作為基礎來開發自己的產品，目前已成為高質量三維圖形的工業標準 。
3、OpenGL 在仿真中的應用
以上的優點決定了OpenGL在建立仿真模型時的優越性，我們在建立多自由度工業機器人模型時選用了OpenGL。
3.1 工作過程
OpenGL的指令的解釋模型是客戶/服務器模式，既客戶(試圖用 OpenGL進行繪制工作的應用程序)向服務器(OpenGL的內核)命令，這些OpenGL命令由服務器來解釋。基于客戶/服務器模式，在網絡環境下很容易使用OpenGL，且在不同計算機上的多個客戶可以得到在其它計算機上服務器的服務。這樣OpenGL就具有網絡透明性。
OpenGL的庫函數被封裝在Openg132.dll動態鏈接庫中，從客戶應用程序的對OpenGL函數的調用首先被Opengl32處理，在傳給服務器后，被Winsrv.dll進一步進行處理，然后傳遞給DDI(Divice Driver Interface)，最后傳遞給視屏驅動程序。
3.2建立的仿真模型
由于機器人是一個復雜的物體，為了建模的方便，有必要把它分解為一個個圖形模塊。然后把模塊集成起來，組成整個機器人模型，同時我們知道工業機器人大體上是由機座，關節和桿件聯接組成，據于此我們設置了如下三個圖形
模塊函數：
（1）基座模塊函數
（2）桿件模塊函數
（3）關節模塊函數
各個模塊按不同的順序進行組合,經過大量的平移和旋轉，然后渲染就能得到效果圖。
我們可以進行多自由度工業機器人的運動分析和動力分析，相對簡化了工業機器人的開發過程，降低開發費用，縮短開發周期。
參考文獻
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1 引言
電磁場的教學向來是高校電子類專業教學改革的重點和難點。在電磁場理論中，波導的特性和模式分布是重要的教學內容，學生們普遍認為學習難度較大。特別是很多高校不具備實驗條件，學習波導理論就顯得非常抽象。這嚴重影響了教學質量和學生的學習積極性。為了解決這些矛盾，筆者使用有限元分析軟件HFSS進行形象化教學，取得了較好的教學成果。
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是原美國Ansoft公司開發并推出的三維電磁仿真軟件，2008年7月被ANSYS公司收購，是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件[1]。HFSS提供了簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器，并擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場[2]。HFSS軟件采用的是有限元法（Finite Element Method，FEM），計算結果準確可靠，是業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準。
2 基本教學問題描述
2.1 基本波導理論
2.1.1 矩形波導簡介
通常將由金屬材料制成的、矩形截面的、內充空氣介質的規則金屬波導稱為矩形波導，它在電磁兼容測試[3]和微波技術[4]中最常用的傳輸系統之一。
由于矩形波導不僅具有結構簡單、機械強度大的優點，而且由于它是封閉結構，可以避免外界干擾和輻射損耗；因為它無內導體，所以導體損耗低，而功率容量大。在目前大中功率的微波系統中常采用矩形波導作為傳輸線和構成微波元器件。利用麥克斯韋方程和矢量恒等式，可得到波導中電場和磁場的波動方程如下所示：
方程式中E和H不僅有橫向分量，還有縱向（z方向）分量，而且E和H不僅是z的函數（e-rz），還是x和y的函數。Kc為矩形波導TM波的截止波數，顯然它與波導尺寸、傳輸波型有關，其表達式如下：
m是電、磁場量沿x軸[0，a]出現的半周期（半個純駐波）的數目，n是電、磁場量沿y軸[0，b]出現的半周期的數目。對于TE波，m和n中任意一個可以為0，但是不可以同時為0；而對于TM波中任一個都不可以為0，否則全為0。在波導內壁處電力線垂直于邊壁，且波導壁的內表面上只能存在磁場的切向分量，法向分量為零，電力線與磁力線相互正交[5]。
2.1.2 矩形波導的傳輸特性
（1）截止波數、截止波長、截止頻率。
如前所述，矩形波導TEmn和TMmn模的截止波數均為：
對應的截至波長和截至頻率為：
在導行波中截止波長λc最長的導行模稱為該導波系統的主模，波導能夠進行主模的單模傳輸。
（2）波導波長和相移常數。
矩形波導TEmn和TMmn模的波導波長和相移常數表達式相同，式中？姿是工作波長：
（3）相速和群速。
矩形波導TEmn和TMmn模的相速和群速表達式相同：
（4）波形阻抗。
矩形波導TEmn和TMmn模的波形阻抗表達式分別為：
2.2 HFSS數值求解
在HFSS中建立如下圖1所示矩形波導，其在x、y和z軸尺寸分別為4in、0.8in和0.5in。結構圖如圖2所示。
按照已知參數，帶入（6）式可計算出此波導模型的截止頻率fc約為7.3GHz。下面利用HFSS仿真計算此矩形波導的截止頻率，仿真結果如圖2所示。可以看出，矩形波導的S21參數在7.35GHz，與理論計算誤差不到1%，說明HFSS在仿真矩形波導的教學中具有很高的可靠性。
在日常教學中電磁波是怎么樣在矩形波導中傳輸的，理論知識不易理解，這里我們可以結合HFSS軟件來仿真電磁波在矩形波導中的傳輸，尤其是在HFSS中我們還可以看到動態的電磁波傳輸過程[6]，并且HFSS中的仿真數據還可以和Matlab兼容，互相可以導入。
由矩形波導的截至頻率fc定義可知：當入射波的頻率小于矩形波導的截止頻率時，電磁波是不能夠通過矩形波導來傳輸的；當入射波的頻率大于矩形波導的截止頻率時，電磁波是完全能夠通過矩形波導傳輸的。
下面我們就通過HFSS仿真演示入射波頻率分別小于和大于矩形波導截至頻率時，電磁波在矩形波導中的傳輸過程。在HFSS中，上述所建模型截至頻率為fc=7.35GHz，這里我們分別設定入射波頻率為7GHz和9GHz，仿真結果如圖3和圖4所示。
由圖3和圖4可知，當入射波的頻率為7GHz（7.35GHz）時，電磁波是完全能夠以其特有的傳輸方式不斷向前傳輸到波導的另一端。
3 結論
本文利用HFSS的有限元求解法，以矩形波導為例，對矩形波導三維矢量靜電場問題進行了求解，并使用三維圖形進行可視化，仿真矩形波導的參數。通過本文的工作，可以更加直觀地理解電磁波在矩形波導中的傳輸過程以及波導的各參數，相對于傳統解析學習方法而言，計算量大大減少且更直觀形象。本文對矩形波導三維矢量靜電場利用HFSS仿真求解的計算方法可以推廣應用在天線仿真設計、大學電磁教學和低頻電磁干擾分析等領域。
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車輛模擬器具有工況設置方便、試驗重復性好、安全性高等優點,在駕駛培訓、車輛新產品的研究和開發、人—車—環境試驗中有著重要作用,良好的車輛運動模擬技術是車輛模擬器質量的保障。本文以“車輛人—機—環境模擬器”項目為依托,圍繞車輛模擬器運動模擬技術中三維虛擬道路建模、車輛動力學建模與仿真、動感模擬算法等展開研究。提出了隨機激勵路面輪廓三維高程數據生成方法;對Vortex車輛動力學建模特別是車輛懸架參數的設置進行闡述,并給出了車輛動力學仿真的實例;提出了基于六自由度平臺桿長的模糊自適應動感模擬算法,最后建立了車輛動力學、動感模擬算法與六自由度平臺虛擬樣機組成的車輛模擬器開發綜合仿真平臺。 論文闡述了項目中車輛模擬器的組成及工作原理,闡述了模擬器運動感覺模擬的機制,對模擬器運動系統做了詳細的介紹,為車輛模擬器運動模擬技術奠定基礎。
給出了車輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數據和路形數據建模和生成方法,為車輛動力學仿真提供路面激勵數據。利用路面不平度二維功率譜密度的表達式,通過二維傅里葉逆變換法得到了路面輪廓不平度三維路面高程數據生成方法,生成的高程數據的功率譜特性和各向同性特性均優于已有方法。推導了路面輪廓中包含的隨機瞬態成分的空間位移特征與路面等級的關系,提出了三維空間內隨機瞬態成分生成方法。根據道路路形特征給出了三維空間曲線道路建模方法,并采用線切割方法將道路與地形進行了融合。
闡述了Vortex車輛動力學建模的方法和流程,針對Vortex車輛動力學參數化建模的特點,設置不同的懸架參數,進行車輛行駛平順性和穩定性仿真,然后進行結果分析對比。對不同路面類型以及各種車輛運動的典型工況進行了動力學仿真,為動感模擬算法的設計和優化提供數據支持。 針對經典動感模擬算法參數不能在線實時調整而導致平臺空間利用率低的問題,在經典動感模擬算法和基于平臺單自由度約束的模糊自適應動感模擬算法的基礎上,提出了基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法。
首先解決了動感模擬算法中輸入信號預處理、傾斜角速度限制環節處理以及自由度解耦等幾個問題,然后提出了模糊自適應算法的原理與模糊自適應規則,并對幾種動感模擬算法進行了仿真分析對比,結果顯示基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法具有參數調節簡單意義明確、調節作用平滑無沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優點,能充分利用平臺的運動空間而提高動感模擬逼真度。
建立了車輛動力學、動感模擬算法、六自由度平臺虛擬樣機的Vortex、Simulink、 ADAMS聯合仿真系統。首先闡述了聯合仿真系統的組成、原理及作用,然后建立了六自由度平臺ADAMS虛擬樣機模型,并將其與Simulink相聯接。以動感模擬運動的可視化與數據監控以及蛇形試驗專用動感模擬算法為例,對聯合仿真系統的應用進行了舉例說明。
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1CAD技術的發展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制造技術（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產品數據管理技術（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現代設計技術、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術在機械設計中的優點
通過實際應用三維CAD系統軟件,筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢,具體表現在以下幾點:
2.1零件設計更加方便
使用三維CAD系統,可以裝配環境中設計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設計進行更改,避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術,機械設計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時,只需對其中部分零部件進行重新設計和制造,而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息,使機械設計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統具有高度變型設計能力,能夠通過快速重構,得到一種全新的機械產品。
2.4提高機械產品的技術含量和質量
由于機械產品與信息技術相融合,同時采用CADCIMS組織生產,機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法,如優化、有限元受力分析、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等,保證了產品的設計質量。同時,大型企業數控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產品的質量。
3CAD技術在機械設計中的應用
3.1零件與裝配圖的實體生成
3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結構分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產生的基本體過多,導致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發展,制造行業的生產技術不斷提高,從普通機床到數控機床和加工中心,從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時,模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎,進行統一管理,而實體造型是工程數據的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應用
機械CAE系統的主要功能是:工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后,才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。
4CAD前沿技術與發展趨勢
4.1圖形交互技術
CAD軟件是產品創新的工具,務求易學好用,得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此,智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。
4.2智能CAD技術
CAD/CAM系統應用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫,及時準確地向設計師提品開發所需的知識和幫助,智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設計新手也能做出好的設計來,現代設計的核心是創新設計,人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中,用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造,這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。
4.3虛擬現實技術
虛擬現實技術在CAD中已開始應用,設計人員在虛擬世界中創造新產品,可以從人機工程學角度檢查設計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題,及早看到新產品的外形,從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產品制造之前發現并解決問題,從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外,隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展,利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術,實現真正的全數字化設計和制造,已成為機械設計制造業的發展趨勢。
參考文獻
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〔正文〕
機械設計是機械類各專業的專業基礎課。同時，該課程也是工科類專業的基礎必修課。本課程在教學內容方面，著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養實踐能力方面，著重設計構思和設計技能的基本訓練。在本課程學習中，綜合運用先修課程中所學的有關知識和技能，結合各種教學實踐環節及課程設計的基本鍛煉，為順利地過渡到學習有關專業課程及進行專業畢業設計打下良好的基礎。
機械設計課程設計是機械類專業和近機類專業學生在學完機械設計及同類課程以后所設置的一個重要的教學實踐環節，也是學生第一次較全面、規范地進行設計訓練機械設計教學的一個重要實踐環節。其主要目的是培養學生的理論聯系實際的設計能力，訓練學生綜合運用機械設計課程和其他先修課程的基礎理論并結合生產實際進行分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、深化和擴展學生有關機械設計方面的知識；通過對通用機械傳動或簡單機械的設計，使學生掌握一般機械設計的程序和方法，樹立正確的工程設計思想，培養獨立、全面、科學的工程設計能力等；在課程設計實踐中，對學生進行設計基本技能的訓練，培養學生查閱和使用標準、規范、手冊、圖冊及相關技術資料的能力以及計算、繪圖、數據處理和計算機輔助設計等方面的能力等。
基于以上認識，結合近年我校機械設計課程體系、課程內容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設，在學生機械設計課程設計和畢業設計實踐中，主要從機械設計課程設計的設計方法和手段的改進等方面進行了大膽的改革與實踐，逐步實施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應用最終到三維 CAD的過渡，在提高學生的設計能力和綜合素質方面得到了較好的效果。
一. 機械設計實踐的現狀
幾個世紀以來，人們用手工繪圖來表達自己的設計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設計技術人員之間進行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學技術的發展，特別是計算機技術的廣泛應用，手工繪圖已不能滿足機械設計的要求。現在，機械設計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質量。
目前，CAD技術主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設計實踐中只是教會學生操作和繪制簡單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進行有關的工程分析是非常不便的且很難實現。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設計實踐教學和畢業設計中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設計。 當前，我國制造業已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術的普及結束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術的發展，CAD技術正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分CAD應用較早的企業已完成了從二維CAD向三維CAD轉換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。企業需要掌握三維CAD技術的專業人才，掌握三維CAD技術已成為工科院校畢業生最基本的要求。因此，在機械設計實踐教學中采用三維 CAD技術，已成為我們現在機械設計實踐教學改革的重要內容和亟待解決的問題。
二. 三維CAD關鍵技術
三維CAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。從20世紀60年代至今，三維建模技術的發展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模，以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等發展過程。三維CAD以三維造型設計為基礎，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術在產品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態干涉檢驗、機構運動分析和動態仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設計效率和設計質量。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作。
三維CAD技術主要包括以下內容：三維造型/三維設計、計算機輔助工程分析、機構運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉二維、圖樣檔案管理等。科技論文。科技論文。利用這種全過程的三維CAD系統完成設計以后，不僅使設計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態，這是計算機輔助設計和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設計者的思維習慣，可以充分發揮設計者創造力和想象力。三維 CAD技術不僅解決了產品設計和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術實現產品的虛擬設計、運動仿真和優化設計，所生產的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術進行數據交換和銜接，是將來實現無圖樣生產的關鍵技術之一，是實現虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術的使用，已經逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產品開發、設計人員的一種基本技能。
三、CAD技術的發展趨勢
隨著計算機性能的提高，網絡通訊的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術正向規范化、智能化、集成化的方向發展。
1. 規范化。ス娣痘(標準化)的趨勢體現在幾個方面：數據模型的規范化(標準化)、數據交換格式的標準化和CAD資源的規范化等。數據模型應采用STEP標準體系。隨著STEP標準體系的逐步完善，它對于幾何數據、工程數據模型的思想將作為新一代CAD系統的開發指南。靠以前的一些標準接口已經無法完全滿足CAD數據交換的要求。目前，參數化特征模型的傳輸還是一個世界難題，在STEP標準基礎上，相信這一點能有所突破。
2.智能化。ヌ卣髟煨禿筒問設計的采用即是智能化方面的進步。軟件不僅僅是提供一些繪制的工具由人們去使用，也不再將占線面數據存儲在一起，而忽略其內在聯系。特征和參數的引入使得軟件似乎成為人類(用戶)一個更聰明的助手。科技論文。CAD軟件應該更大限度地將工程數據概念集成到數據模型中，例如目前，CAD軟件的特征模型主要是解決零件幾何造型的問題，而對于后續分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。
3.集成化。ゼ成化是當今CAD技術發展的又一大趨勢。CAD技術不是孤立的。首先，它集成了計算機軟硬件、數據庫、外圍設備、圖形學、網絡及各個應用領域的技術。同時，它又不斷和CAM(計算機輔助制造)、CAPP(計算機輔助工藝流程規劃)、MIS（管理信息系統)、PDM(產品數據管理)以及MRP(制造資源管理)等系統相集成。由于Internet的發展，使得這些設想得以實現。如何構造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統將會是人們追蹤的熱點。特別是在全球經濟一體化的背景下，并行工程、異地設計制造等概念的發展和應用，基于網絡、基于WEB的協同設計制造系統大受青睞。現在已有一些標準，如解決異構系統平臺的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯網上傳輸共享的VRML標準相繼出臺，已經為我們在互聯網的構架下，建立協同設計和協同工作的環境打下了基礎。
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篇12
建模，是早期三維地形生成的方法。由于其數學計算的復雜性，對于復
雜場景來說，計算量大而且要采用較復雜的曲面拼接技術。只適合中小 規模的數據處理。另外，這種方法實際上是采用了歐式幾何方法，而歐 式幾何所描述的物體具有光滑的表面和規則形狀，物體的形狀可由方程 來描述。利用常用的參數曲面，通過插值、擬合來生成三維地形，也是 采用方程來對地形建模。但由于地形的不規則和復雜性，用這種方法得 到的地形真實感效果常不能令人滿意。 (2)利用分形技術生成三維地形1973 年，曼德勃羅(B.B.Mandelbrot) 在法蘭西學院講課時，首次提出了分維和分形幾何的設想。分形幾何學 是一門以非規則幾何形態為研究對象的幾何學。由于不規則現象在自然 界是普遍存在的，因此分形幾何又稱為描述大自然的幾何學。歐式方法 不能真實地描述這些物體，但可以用分形幾何來真實地描述，是使用過 程而不是方程來對物體建模。分形幾何具有無限以及統計自相似性的規 律，用遞歸算法使復雜的景物可用簡單的規則來生成，可以生成任意水 平的細節，為我們提供了一個很好的描述一般地面形狀的數學模型。由 于分形顯示自然景物具有非常逼真的特點，自從分形技術產生以來，人 們就開始探討用分形技術來生成三維地形，地景生成技術也達到了一個 新的階段。采用分形技術來生成三維地形是目前地景生成的主要方法。 (3)基于數字地形模型的地形可視化。這種方法就是運用數字高程數 據構造多邊形面，用多邊形網格逼近。數字高程模型是針對地球表面實 際地形地貌的數字建模的結果。MilIerC.L 于20 世紀50 年代中期提出了 數字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)的概念，后來把基于高程或海 拔分布的數字地形模型稱為數字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)， DEM 自20 世紀50 年代后期開始被采用以來，受到了極大的關注，在測 繪、地質、景觀建筑、農業、規劃、軍事工程、飛行器與戰場仿真等諸 多領域得到了廣泛的應用。隨著科學技術特別是計算機技術的迅速發展， 在DEM 的數據獲取方法、數據存儲和數據處理速度等方面取得了一些突 破性的進展。現在，隨著各種精度級別的DEM 的普遍獲取，過去許多潛 在的應用領域現在已變成十分重要的方面。
在三維空間數據結構算法方面，楊必勝、李清泉、史文中提出了一
種用于多分辨率三維模型快速生成和傳輸的穩健算法；龔健雅提出了面 向對象的矢量柵格集成數據模型：還有鄧念東，侯恩科提出了一種顧及 維數的三維空間拓撲關系描述框架；齊安文，吳立新等重點研究了基于 三棱柱體體元在三維地質建模中的應用；曹彤，李穎研究用于三維GIS 的八叉樹和四叉樹算法等；Klein 采用一種與視點相關的TIN 數據結構來 表示交互中的集合信息，當視點改變時，采用Delaunav 三角剖分法重構 側TIN；Luebke 等提出了一種基于頂點數的簡化算法，它可以對任意幾何 模型進行簡化；Hoppe 將他提出的漸進式網格模型也應用到地形當基于 OpenGL 三維分形地形的可視化研究4 中，并且提供了與視點相關的支 持，為了避免三角剖分給全局帶來影響，他在算法中將地形預先分成大 小相等的若干塊，在塊內進行漸進式網格剖分。由于不能解決拼接問題， 塊與塊沒有簡化，這在一定程度上影響了模型簡化的效率。 近年來，國內外在空間信息三維可視化方面的研究工作主要集中在 以下兩個方面： 1.運用動畫技術制作動態地圖，可用于涉及時空變化的現象或概念的 可視性分析； 2.運用虛擬現實技術進行地形環境仿真，真實再現地景，進行交互 觀察和分析[15]。 空間信息三維可視化方面的研究存在的主要問題和解決途徑。國內 外空間信息三維可視化方面的研究雖然取得了長足的發展和進步，但或 多或少都存在著不同程度的缺陷。其原因是多方面的，有客觀因素，也 有主觀因素，主要表現在： （1）研究團隊過小。空間信息三維可視化方面的研究往往是由一個 單位、幾個人開發與研制，其專業覆蓋面窄，因此涉及領域非常有限， 所能投入的財力、物力等也非常有限。 （2）軟件專用性較強，適用范圍有限，通用性差。嚴格意義上來說， 空間信息三維可視化方面的研究軟件還不能稱之為軟件，只能算是一個 針對特定問題的可視化計算程序。近幾年，雖然不斷的涌現出一些新的
算法，但僅能作為一些初步的嘗試，距離應用其編制出成型的計算程序
來解決工程問題，還有相當漫長的道路。 （3）核心算法創新能力不足。算法是一個程序或軟件的核心，但國 內外目前在空間信息三維可視化方面的算法研究方面，還停留在相互跟 蹤國外研究的階段，往往是國外學者提出了一種新的算法，國內再跟蹤 研究，原始創新能力不足，這也是我國軟件領域5 甚至整個科技領域普 遍存在的問題。 （4）商業化程度落后。 由于空間信息三維可視化方面的研究存在 著上述諸多問題，而對于從國外引進的一些商業軟件，在具體使用時， 不可避免的要出現這樣那樣的問題。由于其代碼的保密性，使我們不可 能進入程序內部去進行調試和加入自己的應用模塊。因此，開發編寫具 有自主知識產權的空間信息三維可視化方面的研究具有非常重要的學術 價值和很強的國防應用前景。 國內外空間信息三維可視化方面的研究的發展趨勢。近年來，隨著 計算機軟、硬件技術的不斷發展，空間信息三維可視化方面的研究內涵 也不斷拓展，其發展趨勢是： （1）駕馭式計算功能(computationalsteering)：即以交互的方式監視 和干預計算過程，通過實時的可視化處理將計算結果圖像提供給用戶， 用戶通過判斷可隨時更改計算參數，從而干預整個計算過程。 （2）虛擬現實技術：通過虛擬現實軟件及設備將計算結果轉換成3D 立體圖像，使用戶更加直觀地了解發展過程。 （3）并行計算：由于基于微觀、細觀、宏觀的多尺度計算方法的不 斷發展，對計算能力提出了更高的要求，由此，多CPU 的分布式網絡系 統將逐漸成為主流。 在數值方法方面，近年來，一些新的計算方法不斷涌現，主要概括 如下： （1）高精度算法：上世紀80 年代以來，以TVD、ENO、WENO 為代表的高分辨率方法占據了計算流體力學發展的主流。近年來，數值 方法研究又有新的突破，一些新型算法已經出現，其中有代表性的算法 有美國學者S.C.Chang 提出的時空守恒元解元（CE/SE）方法、日本學者
篇13
自 20世紀 9O年代以來,以計算機仿真技術 、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現,并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段,虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊,并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明,虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗,探索在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和心得。
2.虛擬仿真技術簡介
虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。
2.1虛擬現實技術
虛擬現實技術就是利用三維建模技術,構建一個和現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景,并能響應用戶的輸進,根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形 天生技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真,也稱為視景仿真,它主要用于產品設計和展示、貿易廣告、游戲設計等。
在航空電子裝備教學中,大量用 到對裝備的外觀 、結構 、組成 、連接 、機安裝位置的展示 ,傳統教學大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新換代,因受經 費、場地及使用壽命等因素的限制 ,傳統教學方法 已遠遠不能滿足要求 ,而采 用虛擬現實技術的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應用。
目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿 真的開發,主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫 OPENFLIGHT已經成為 了產業標準 ,在軍事 、航空航天等領域應用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發的技術平臺 ,解決物理模型的創建、場景顯示等新題目。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 .同時采用嵌進 OPENGL技術來解決物理模型 的交互新題目。
2.2系統仿真技術
系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科 .它通過建立實際系統 的數學模 型 ,利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、探究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式 的仿真,也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域,后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要產業部分,并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。 在航空電子裝備教學中,對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述,配合一些靜態的圖形幫助學員理解 .教學效果主要依靠于教員的授課水平和技巧 。近年來.我們嘗試將系統仿 真技術應用到航空電子裝備教學中,根據被仿真裝備的工作原理,建立系統的數學模型,并根據裝備的不同工作狀態,對模型進行動態運行.結合虛擬現實技術實現的逼真場景.較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用.也可供學員自學,并達到了較好的教學效果。
目前,有很多成熟的系統仿真開發平臺軟件.如 Simulink、SystemView等,這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎.但價格較為昂貴,且大多未提供對外的仿真數據接口.仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用 的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。
3.虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟
3.1建立仿真模型
這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型 ,也包括揭示其內在工作機理及行為的數 學模 型。對三維物理模型的建立,主要依據裝備本身的物理狀態,其原則就是在盡量減小面數的同時進步逼真度。對系統數學模型的建立,則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化,本著夠用為度的原則 ,以盡量減小運算量。建立數學模型時 ,還應考慮到系統運行時的參數調整。
3.2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動
對于虛擬場景的驅動,根據使用方式的不同采用了不同的方式假如進行的僅是裝備外觀、結構的展示,可使用EON進行動作的編輯和驅動;假如需要對裝備進行虛擬操縱仿真,則使用 GLStudio軟件先進行操縱面板、虛擬儀表的編輯和制作,然后再利用 Vega Prime驅動以實現更復雜的交互操縱。
3.3系統集成
系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起,使之成為_個完整的 、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發平臺的運行插件,因此,系統集成變得十分方便。編寫程序時,只需考慮軟件功能的布置,注重程序間的兼容性即可。
