引論：我們?yōu)槟砹?3篇三維仿真論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)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(wǎng)絡(luò)通信的目的。它是由資源管理、場景管理和動畫系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成的。通用三維仿真引擎與邏輯操作無關(guān)，它主要是為了實現(xiàn)三維虛擬場景的重建和環(huán)境渲染。電力仿真系統(tǒng)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(xùn)系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)實現(xiàn)的主要技術(shù)要求
1仿真對象和電氣屬性的同步
在三維虛擬環(huán)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(xiàn)。電氣設(shè)備的虛擬設(shè)計是電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)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(tài)和相關(guān)參數(shù)等重要的屬性進行邏輯設(shè)計。當(dāng)虛擬操作導(dǎo)致電氣設(shè)備的閉合狀態(tài)發(fā)生變化時，電氣設(shè)備的相關(guān)屬性就會發(fā)生變化，最終使得電氣設(shè)備的參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)信息傳遞到設(shè)備管理器時，就可以重新計算電網(wǎng)的參數(shù)來更新事件的狀態(tài)。
2邏輯控制與復(fù)雜操作的對應(yīng)關(guān)系
電力安全三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作過程應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)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(yīng)變能力和復(fù)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(jù)自己的操作習(xí)慣靈活操作，避免復(fù)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(tǒng)也會及時給予警告或提示，這樣便可以更好地實現(xiàn)智能化培訓(xùn)的目的。
3大規(guī)模場景的情境渲染技術(shù)
由于電力安全培訓(xùn)的三維虛擬場景范圍比較大，需要仿真對象根據(jù)培訓(xùn)人員的操作產(chǎn)生動態(tài)移動，這就要求在具體的邏輯設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)，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(biāo)中來回移動。當(dāng)場景數(shù)量較大時，可以分別優(yōu)化處理靜態(tài)場景和動態(tài)場景。只更新動態(tài)場景的空間信息而忽略了靜態(tài)場景的空間信息，不僅能夠提高渲染速率，還可以有效地節(jié)約計算資源。
4三維交互模式的實現(xiàn)
三維交互模式的首要功能是當(dāng)用戶輕點三維場景中的某一個物體時，系統(tǒng)就可以快速地檢測到該信息的傳送情況，并快速反應(yīng)，從而實現(xiàn)三維交互模式中的人機交互。三維物體是根據(jù)射線相交的原理實現(xiàn)的，當(dāng)鼠標(biāo)點擊的位置發(fā)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(biāo)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(fā)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(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用
根據(jù)上面的整體架構(gòu)設(shè)計和主要問題分析，可以初步實現(xiàn)包含場景編輯器、邏輯編輯器、地圖編輯器在內(nèi)的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。場景編輯器可以實現(xiàn)三維場景的構(gòu)建功能，邏輯編輯器可以將復(fù)雜的邏輯語言轉(zhuǎn)化為可視性的操作過程，實現(xiàn)虛擬設(shè)備的響應(yīng)控制功能，而開發(fā)人員則可以通過地圖編輯器實現(xiàn)三維場景的布置功能，并且可以及時查看編輯結(jié)果。
篇2
2獎學(xué)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(yōu)秀在讀研究生各5名，給予每人5 000元的獎學(xué)金資助.
3評定條件
（1）必須是國內(nèi)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(xué)年平均成績優(yōu)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(yè)論文相關(guān)的課題研究，且課題內(nèi)容具有實際工程背景支持，最好結(jié)合實際橫向項目的合作課題.
（3）論文命題能推動行業(yè)核心技術(shù)進步或具有明顯創(chuàng)新研究價值.
（4）應(yīng)用領(lǐng)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(yè)、醫(yī)藥和IT等.
（5）論文完成后應(yīng)署名LMS高校獎學(xué)金資助支持，并共享論文電子版.
（6）優(yōu)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(jù)申報項目填寫“LMS仿真解決方案高校獎學(xué)金申請表”，并必須經(jīng)負責(zé)導(dǎo)師簽字確認和學(xué)校認可.
（2）LMS會盡快與申請人確認，并根據(jù)書面資料組織評審.
（3）按照評審程序的規(guī)定公布評審結(jié)果并發(fā)放獎學(xué)金.
5評審程序
（1）具體評定工作由LMS負責(zé)，組織LMS公司專業(yè)技術(shù)人員和行業(yè)專家組成動態(tài)評定小組，進行綜合評審.
（2）評審結(jié)果將在LMS官方網(wǎng)站公布，并于每年的LMS用戶大會統(tǒng)一發(fā)放該獎學(xué)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(qū)分，即名額之間可適度調(diào)劑.
（4）對所有入選的在讀學(xué)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?wù)弋厴I(yè)后加入LMS公司.
6申請截止時間
篇3
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篇4
1 引言
《汽車設(shè)計》是車輛(汽車)工程專業(yè)或方向的一門專業(yè)核心課程，也是一門實踐性非常強的課程。該課程任務(wù)是使學(xué)生學(xué)會分析和評價汽車及其各總成的結(jié)構(gòu)和性能，合理選擇結(jié)構(gòu)方案及有關(guān)參數(shù)，并學(xué)到一些汽車主要零部件的設(shè)計和計算方法和總體設(shè)計的一般方法，為從事汽車技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。然而《汽車設(shè)計》課程因為涉及內(nèi)容廣泛、概念眾多、公式量大，因此采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)社會需求的發(fā)展[1]。目前我校汽車設(shè)計課程在教學(xué)中存在教學(xué)過于理論化，學(xué)生對于其理論知識的學(xué)習(xí)深度不夠，知識難以接受理解。實踐教學(xué)相對理論教學(xué)滯后，因此有必要對課程教學(xué)方法進行改革。
2教學(xué)方法改革
2.1多媒體演示教學(xué)
將多媒體教學(xué)課件引入到汽車設(shè)計理論教學(xué)中，具有以下幾個優(yōu)點：①圖文并茂；它既能通過圖形的講解去理解結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，又能通過文字對內(nèi)容的歸納進行理論教學(xué)[2]。②信息量大、滿足教學(xué)要求；枯燥的理論教學(xué)激發(fā)不了學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣，通過課件可以引入很多實際設(shè)計中的知識從而增強學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生對知識的理解。如手動變速器的設(shè)計教育論文，由于涉及眾多齒輪的設(shè)計公式，教師很難講授清楚，學(xué)生理解起來也很吃力。通過計算機課件，把變速器的設(shè)計過程通過動畫直觀展示，使學(xué)生形成清晰的感官認識，對正確理解和掌握知識點發(fā)揮了很大的作用，不僅順利完成了難點教學(xué)，也使學(xué)生體驗到科學(xué)的奧妙和技術(shù)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(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生能夠集中注意力進行聽課，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先進設(shè)計方法引入汽車設(shè)計教學(xué)中
隨著計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,幾何模型的設(shè)計從二維轉(zhuǎn)向三維。在實現(xiàn)CAD/ CAE/ CAM 一體化的過程中,產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢測全部實現(xiàn)無紙化,因此在汽車設(shè)計的教學(xué)中要與時俱進，將現(xiàn)代的設(shè)計手段、設(shè)計方法引入到汽車設(shè)計教學(xué)中[3-4]。
在汽車設(shè)計的教學(xué)中，對于傳統(tǒng)部件的設(shè)計，可以采用CAD的設(shè)計方法進行教學(xué),教學(xué)的重點可以通過使用三維設(shè)計軟件進行汽車總成部件的設(shè)計。如圖1所示，左圖為變速器設(shè)計中所用設(shè)計公式的計算小軟件，通過課程教學(xué)中的演示學(xué)生可以清楚地看出設(shè)計的步驟，根據(jù)計算后的結(jié)果引入CAD設(shè)計軟件，最終形成右圖所示的三維總成件，整個變速器的設(shè)計清楚可見，同時又通過先進的設(shè)計方法使學(xué)生掌握了現(xiàn)代汽車設(shè)計的相關(guān)方法論文格式范文。目前,機械CAD軟件可以實現(xiàn)從概念設(shè)計、三維零部件建模到裝配分析等各功能的設(shè)計。
圖1 變速器設(shè)計實例
CAE設(shè)計方法的引入是汽車設(shè)計教學(xué)中又一個形象的方法。目前汽車制造企業(yè)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(shù)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(shù)。在三維模型組裝完畢后,可將模型轉(zhuǎn)化到仿真軟件上進行動態(tài)仿真,模擬真實環(huán)境進行三維動態(tài)和碰撞等的分析,可以發(fā)現(xiàn)部件運動以后的問題,還可將關(guān)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(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié),避免設(shè)計缺陷。CAE設(shè)計方法引入汽車設(shè)計課程教學(xué)中,不僅可以提高學(xué)生對課本理論知識的理解，更可以使企業(yè)實際需求與學(xué)生學(xué)習(xí)相結(jié)合，從而引導(dǎo)學(xué)生進行更加有針對性的學(xué)生。如圖2所示，為轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計的CAE受力分析結(jié)果圖，通過改組圖片對比學(xué)生可以容易明白轉(zhuǎn)向節(jié)在設(shè)計時應(yīng)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(cè)滑工況
圖2轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計實例
虛擬樣機技術(shù)(VPT)就是在建筑第一臺物理樣機之前，設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)化設(shè)計方案的技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式探索虛擬物體的功能教育論文，對產(chǎn)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(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。圖3為引入VPT技術(shù)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(shè)計實例
只有這樣才能夠提高學(xué)生的動手能力，增加學(xué)生對汽車設(shè)計理論的直接了解，有利于老師和學(xué)生之間的互動水平。
2.3 項目教學(xué)法引入到汽車設(shè)計教學(xué)工作中
項目教學(xué)法是一種以項目為導(dǎo)向，將理論與實際相結(jié)合的先進教學(xué)方法[5]。汽車設(shè)計課程因為所涉及實際性較強，教師在教學(xué)中可以設(shè)立相關(guān)小的項目。項目教學(xué)法便于用在汽車某個總成或部件的設(shè)計項目上,如轉(zhuǎn)向器的設(shè)計、麥弗遜式獨立懸架的性能計算、離合器膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計等。通過項目教學(xué)進一步鞏固學(xué)過的知識，強調(diào)學(xué)生的動手能力。
3．結(jié)束語
綜上所述，通過對汽車設(shè)計課程教學(xué)方法的改進，按照新的教學(xué)改革思路，經(jīng)過這幾年的摸索，不斷總結(jié)經(jīng)驗，初步取得了較好的成績，學(xué)生對于汽車設(shè)計課程的教學(xué)測評已經(jīng)連續(xù)2年獲得優(yōu)秀等級，達到了課程的培養(yǎng)目標(biāo)。
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0.引言
隨著信息技術(shù)的逐步發(fā)展和社會要求的逐步提高，虛擬現(xiàn)實的研究領(lǐng)域開始轉(zhuǎn)向山體、水域等不規(guī)則形態(tài)的實體。而由于計算機處理能力有限，地形數(shù)據(jù)獲取困難，可視化處理復(fù)雜，三維顯示效果缺乏真實感等問題逐漸顯現(xiàn)。本文以山體為例就不規(guī)則形體的可視化過程進行研究，探討一種不需要實體數(shù)據(jù)，計算機可視化技術(shù)與數(shù)學(xué)分形理論相結(jié)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(fù)雜性，在對山體的三維建模過程中，首先對山體的實際形態(tài)進行研究，針對虛擬地形數(shù)據(jù)的特點進行參數(shù)設(shè)置和紋理映射，利用計算機可視化技術(shù)，創(chuàng)造性的融入分形技術(shù)，實現(xiàn)對山體的建模。同時利用分形理論實現(xiàn)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(qū)虛擬現(xiàn)實研究》的基礎(chǔ)上的，在對其虛擬現(xiàn)實的研究過程中對山體的建模采用的是3Ds MAX與VRML相結(jié)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(tǒng)中的不光滑和不規(guī)則的幾何形體逐漸發(fā)展為研究人類社會經(jīng)濟活動中存在大量的現(xiàn)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(guī)則而具有自相似性或統(tǒng)計自相似性的系統(tǒng)或現(xiàn)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(shù)的放大鏡去觀察它們，其相貌是相似的，并且這個性質(zhì)不隨觀察位置的變化而變化。自相似性普遍存在物質(zhì)系統(tǒng)的多個層次上，物體或幾何圖形的維數(shù)的變化可以是連續(xù)的，即其維數(shù)可以不是整數(shù)[2]。
而以山體、河流等不規(guī)則幾何形體為主要內(nèi)容的地球系統(tǒng)，其時空展布具有分形的特點。普通的數(shù)理理論中的均勻、連續(xù)及光滑邊界條件下的問題求解方法遠不能滿足地學(xué)問題的研究需要，分形理論的出現(xiàn)為研究類似地球系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)提供了一種新的研究方法。
2.虛擬現(xiàn)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(xiàn)實建模語言（VRML）進行。對于地形數(shù)據(jù)，還可以借助VRMAP進行拉伸從而實現(xiàn)三維實體的可視化仿真。
筆者在進行《連云港地區(qū)虛擬現(xiàn)實研究》時考慮采用強大的三維建模工具和虛擬現(xiàn)實建模語言相結(jié)合的方式進行，所收結(jié)果不盡如人意（如圖1所示）。為此，探索更加符合地形數(shù)據(jù)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(xiàn)地形數(shù)據(jù)的三維可視化。在可視化的基礎(chǔ)上借助虛擬現(xiàn)實建模語言VRML強大的擴展性能，結(jié)合JavaScript腳本實現(xiàn)三維實體的放大、縮小、漫游、查詢等人機交互功能。
篇6
我校機電設(shè)備維修與管理專業(yè)有一門重要課程，這就是自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試課程中的仿真實訓(xùn)軟件開發(fā)包含可編程控制技能實訓(xùn)仿真、電路接線仿真功能，和自主學(xué)習(xí)搭建線路功能。為了學(xué)習(xí)者能在一個互動友發(fā)的界面上學(xué)習(xí)，并能根據(jù)已有圖表資料能進行自主學(xué)習(xí)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(shè)計和控制程序的編程，但這些內(nèi)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(yīng)滿足以下界面設(shè)計要求。
為了使操作者或?qū)W習(xí)者方便進入這個區(qū)域?qū)W習(xí)和使用這個仿真實訓(xùn)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(zhǔn)確、恰當(dāng)，便于靈活掌握應(yīng)用。軟件界面應(yīng)布局合理，顏色得當(dāng)、菜單按鈕規(guī)范、用語簡單明了、畫面美觀。仿真實訓(xùn)軟件可調(diào)整訓(xùn)練進度，能及時反饋學(xué)生的操作、自測情況。
1 軟件組成與設(shè)計
自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試課程的仿真軟件的開發(fā)平臺主要是在C語言為基礎(chǔ)進行開發(fā)設(shè)計的，我們在機電仿真控制平臺上共享其數(shù)據(jù)庫。主要做開發(fā)自已工作站的三維模型，并建設(shè)電路控制庫和程序代碼，導(dǎo)入其控件中。為了能在我們的仿真軟件開發(fā)和設(shè)計中能較好實現(xiàn)以上資源的共享和調(diào)用，我們從其設(shè)計結(jié)構(gòu)四個層面來撰述：
（1）界面表示層：負責(zé)處理用戶與應(yīng)用程序之間的交互過程：它可以是一般的終端設(shè)備、桌面應(yīng)用程序。
（2）電路設(shè)計層：定義了用戶界面要顯示的內(nèi)容，并根據(jù)所支持的是庫中已有電路。對于相應(yīng)的用戶要求可以進行二次制作導(dǎo)入相應(yīng)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(shè)計層：提供應(yīng)用系統(tǒng)需要的其它功能，如：消息傳送、工件調(diào)取、工件顏色的選擇支持所需要程序。
（4）數(shù)據(jù)庫層：存放用戶應(yīng)用電路模型圖和控制程序數(shù)據(jù)和各種可共享模塊。
為實現(xiàn)實時三維控制的性能和各層次結(jié)構(gòu)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?qū)ο蟆⒉煌瑢哟沃畬訉ο笕绾瓮ㄐ拧?/p>
在實際應(yīng)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(dāng)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(diào)用。本論文的框架圖如圖1所示，分為界面表示層、電路設(shè)計層、程序設(shè)計層和數(shù)據(jù)庫四層。
2 軟件的模型設(shè)計
仿真自動線教學(xué)是實際自動線控制過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，其系統(tǒng)模型主要有自動線教學(xué)設(shè)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(zhí)行器等構(gòu)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(gòu)成。自動線中機械手是一套自動化設(shè)備接受指令的過程。對仿真自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)模型的建立是仿真實訓(xùn)的關(guān)鍵技術(shù)。為此我們要對相關(guān)模型進行分析設(shè)計，制定出相關(guān)數(shù)據(jù)表，按一定規(guī)律導(dǎo)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(diào)用控制邏輯層代碼來獲取所需要的數(shù)據(jù)，按照控制電路的運行要求適當(dāng)?shù)耐ㄟ^用戶界面的三維動畫顯示出來。當(dāng)應(yīng)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(tài)圖分析，如圖2所示。
另外要說明的是，對于不同生產(chǎn)線可以用不同三維模型界面表示出業(yè)，前題是設(shè)計好相應(yīng)的模型。通過相應(yīng)的電路庫和程序庫調(diào)用，這也更加方便于教學(xué)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理和網(wǎng)絡(luò)化實訓(xùn)服務(wù)，對于教學(xué)中不同的生產(chǎn)線中有可擴展性和靈活性。
3 登錄界面的設(shè)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(diào)用。但我們研究的自動生線是一個相對復(fù)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(shè)計，方便于教學(xué)中調(diào)取使用。具體登錄界面如圖3所示自動化生產(chǎn)線仿真軟件登錄界面。
篇7
Keywords: OpenGL, 3 d model, the system simulation
中圖分類號：TU74文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：
1、引言
系統(tǒng)仿真是近30 年在系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)識別、控制理論、計算技術(shù)和控制工程等多種技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門綜合性很強的新興技術(shù)。計算機系統(tǒng)仿真就是，以計算機為工具，以相似原理、仿真技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。從計算機系統(tǒng)仿真的定義可以看出，計算機系統(tǒng)仿真包含了三個方面的信息（三要素）：系統(tǒng)、模型、計算機，而聯(lián)系著它們?nèi)咧g的基本活動是：系統(tǒng)模型建立、仿真模型建立、仿真試驗。
“系統(tǒng)”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(huán)境之間存在著相互聯(lián)系。建立系統(tǒng)模型就是要把待研究的系統(tǒng)從周圍的環(huán)境中界定出來，并把它描述成數(shù)學(xué)模型。建立被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 就是為了能用計算機語言實現(xiàn)。從數(shù)學(xué)模型到仿真模型的轉(zhuǎn)換過程，就是仿真模型建立。只有經(jīng)過轉(zhuǎn)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(tǒng)仿真的關(guān)鍵一環(huán)，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(yè)機器人動態(tài)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(xiàn)突出，易于使用而且功能強大。利用GL開發(fā)出來的三維應(yīng)用軟件頗受許多專業(yè)技術(shù)人員的喜愛，隨著計算機技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，GL 已經(jīng)進一步發(fā)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(biāo)準(zhǔn)。OpenGL最大的特點首先是與硬件無關(guān)，可以在不同的平臺上得于實現(xiàn)，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(shù)的動畫操作函數(shù)，因而可以實現(xiàn)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(shù)，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(shù)，可以構(gòu)建相當(dāng)復(fù)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(shù)，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(jié)構(gòu)評審委員會獨立地負責(zé)OpenGL規(guī)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(biāo)準(zhǔn)視窗和操作系統(tǒng)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(yīng)用廣泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，許多其它軟件商也紛紛以O(shè)penGL作為基礎(chǔ)來開發(fā)自己的產(chǎn)品，目前已成為高質(zhì)量三維圖形的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 。
3、OpenGL 在仿真中的應(yīng)用
以上的優(yōu)點決定了OpenGL在建立仿真模型時的優(yōu)越性，我們在建立多自由度工業(yè)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(wù)器模式，既客戶(試圖用 OpenGL進行繪制工作的應(yīng)用程序)向服務(wù)器(OpenGL的內(nèi)核)命令，這些OpenGL命令由服務(wù)器來解釋。基于客戶/服務(wù)器模式，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(wù)器的服務(wù)。這樣OpenGL就具有網(wǎng)絡(luò)透明性。
OpenGL的庫函數(shù)被封裝在Openg132.dll動態(tài)鏈接庫中，從客戶應(yīng)用程序的對OpenGL函數(shù)的調(diào)用首先被Opengl32處理，在傳給服務(wù)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(qū)動程序。
3.2建立的仿真模型
由于機器人是一個復(fù)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(yè)機器人大體上是由機座，關(guān)節(jié)和桿件聯(lián)接組成，據(jù)于此我們設(shè)置了如下三個圖形
模塊函數(shù)：
（1）基座模塊函數(shù)
（2）桿件模塊函數(shù)
（3）關(guān)節(jié)模塊函數(shù)
各個模塊按不同的順序進行組合,經(jīng)過大量的平移和旋轉(zhuǎn)，然后渲染就能得到效果圖。
我們可以進行多自由度工業(yè)機器人的運動分析和動力分析，相對簡化了工業(yè)機器人的開發(fā)過程，降低開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期。
參考文獻
[1]吳重光主編.仿真技術(shù)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2000,5.
篇8
1 引言
電磁場的教學(xué)向來是高校電子類專業(yè)教學(xué)改革的重點和難點。在電磁場理論中，波導(dǎo)的特性和模式分布是重要的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生們普遍認為學(xué)習(xí)難度較大。特別是很多高校不具備實驗條件，學(xué)習(xí)波導(dǎo)理論就顯得非常抽象。這嚴重影響了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)，取得了較好的教學(xué)成果。
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是原美國Ansoft公司開發(fā)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(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件[1]。HFSS提供了簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)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(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場[2]。HFSS軟件采用的是有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM），計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
2 基本教學(xué)問題描述
2.1 基本波導(dǎo)理論
2.1.1 矩形波導(dǎo)簡介
通常將由金屬材料制成的、矩形截面的、內(nèi)充空氣介質(zhì)的規(guī)則金屬波導(dǎo)稱為矩形波導(dǎo)，它在電磁兼容測試[3]和微波技術(shù)[4]中最常用的傳輸系統(tǒng)之一。
由于矩形波導(dǎo)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、機械強度大的優(yōu)點，而且由于它是封閉結(jié)構(gòu)，可以避免外界干擾和輻射損耗；因為它無內(nèi)導(dǎo)體，所以導(dǎo)體損耗低，而功率容量大。在目前大中功率的微波系統(tǒng)中常采用矩形波導(dǎo)作為傳輸線和構(gòu)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(dǎo)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(shù)（e-rz），還是x和y的函數(shù)。Kc為矩形波導(dǎo)TM波的截止波數(shù)，顯然它與波導(dǎo)尺寸、傳輸波型有關(guān)，其表達式如下：
m是電、磁場量沿x軸[0，a]出現(xiàn)的半周期（半個純駐波）的數(shù)目，n是電、磁場量沿y軸[0，b]出現(xiàn)的半周期的數(shù)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(dǎo)內(nèi)壁處電力線垂直于邊壁，且波導(dǎo)壁的內(nèi)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(dǎo)的傳輸特性
（1）截止波數(shù)、截止波長、截止頻率。
如前所述，矩形波導(dǎo)TEmn和TMmn模的截止波數(shù)均為：
對應(yīng)的截至波長和截至頻率為：
在導(dǎo)行波中截止波長λc最長的導(dǎo)行模稱為該導(dǎo)波系統(tǒng)的主模，波導(dǎo)能夠進行主模的單模傳輸。
（2）波導(dǎo)波長和相移常數(shù)。
矩形波導(dǎo)TEmn和TMmn模的波導(dǎo)波長和相移常數(shù)表達式相同，式中？姿是工作波長：
（3）相速和群速。
矩形波導(dǎo)TEmn和TMmn模的相速和群速表達式相同：
（4）波形阻抗。
矩形波導(dǎo)TEmn和TMmn模的波形阻抗表達式分別為：
2.2 HFSS數(shù)值求解
在HFSS中建立如下圖1所示矩形波導(dǎo)，其在x、y和z軸尺寸分別為4in、0.8in和0.5in。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
按照已知參數(shù)，帶入（6）式可計算出此波導(dǎo)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(dǎo)的截止頻率，仿真結(jié)果如圖2所示。可以看出，矩形波導(dǎo)的S21參數(shù)在7.35GHz，與理論計算誤差不到1%，說明HFSS在仿真矩形波導(dǎo)的教學(xué)中具有很高的可靠性。
在日常教學(xué)中電磁波是怎么樣在矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)模碚撝R不易理解，這里我們可以結(jié)合HFSS軟件來仿真電磁波在矩形波導(dǎo)中的傳輸，尤其是在HFSS中我們還可以看到動態(tài)的電磁波傳輸過程[6]，并且HFSS中的仿真數(shù)據(jù)還可以和Matlab兼容，互相可以導(dǎo)入。
由矩形波導(dǎo)的截至頻率fc定義可知：當(dāng)入射波的頻率小于矩形波導(dǎo)的截止頻率時，電磁波是不能夠通過矩形波導(dǎo)來傳輸?shù)模划?dāng)入射波的頻率大于矩形波導(dǎo)的截止頻率時，電磁波是完全能夠通過矩形波導(dǎo)傳輸?shù)摹?/p>
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(dǎo)截至頻率時，電磁波在矩形波導(dǎo)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(shè)定入射波頻率為7GHz和9GHz，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
由圖3和圖4可知，當(dāng)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?shù)讲▽?dǎo)的另一端。
3 結(jié)論
本文利用HFSS的有限元求解法，以矩形波導(dǎo)為例，對矩形波導(dǎo)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(dǎo)的參數(shù)。通過本文的工作，可以更加直觀地理解電磁波在矩形波導(dǎo)中的傳輸過程以及波導(dǎo)的各參數(shù)，相對于傳統(tǒng)解析學(xué)習(xí)方法而言，計算量大大減少且更直觀形象。本文對矩形波導(dǎo)三維矢量靜電場利用HFSS仿真求解的計算方法可以推廣應(yīng)用在天線仿真設(shè)計、大學(xué)電磁教學(xué)和低頻電磁干擾分析等領(lǐng)域。
參考文獻：
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[4]劉國強.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
篇9
車輛模擬器具有工況設(shè)置方便、試驗重復(fù)性好、安全性高等優(yōu)點,在駕駛培訓(xùn)、車輛新產(chǎn)品的研究和開發(fā)、人—車—環(huán)境試驗中有著重要作用,良好的車輛運動模擬技術(shù)是車輛模擬器質(zhì)量的保障。本文以“車輛人—機—環(huán)境模擬器”項目為依托,圍繞車輛模擬器運動模擬技術(shù)中三維虛擬道路建模、車輛動力學(xué)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(shù)據(jù)生成方法;對Vortex車輛動力學(xué)建模特別是車輛懸架參數(shù)的設(shè)置進行闡述,并給出了車輛動力學(xué)仿真的實例;提出了基于六自由度平臺桿長的模糊自適應(yīng)動感模擬算法,最后建立了車輛動力學(xué)、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(fā)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(tǒng)做了詳細的介紹,為車輛模擬器運動模擬技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
給出了車輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數(shù)據(jù)和路形數(shù)據(jù)建模和生成方法,為車輛動力學(xué)仿真提供路面激勵數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)生成方法,生成的高程數(shù)據(jù)的功率譜特性和各向同性特性均優(yōu)于已有方法。推導(dǎo)了路面輪廓中包含的隨機瞬態(tài)成分的空間位移特征與路面等級的關(guān)系,提出了三維空間內(nèi)隨機瞬態(tài)成分生成方法。根據(jù)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(xué)建模的方法和流程,針對Vortex車輛動力學(xué)參數(shù)化建模的特點,設(shè)置不同的懸架參數(shù),進行車輛行駛平順性和穩(wěn)定性仿真,然后進行結(jié)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(xué)仿真,為動感模擬算法的設(shè)計和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。 針對經(jīng)典動感模擬算法參數(shù)不能在線實時調(diào)整而導(dǎo)致平臺空間利用率低的問題,在經(jīng)典動感模擬算法和基于平臺單自由度約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法的基礎(chǔ)上,提出了基于平臺桿長約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法。
首先解決了動感模擬算法中輸入信號預(yù)處理、傾斜角速度限制環(huán)節(jié)處理以及自由度解耦等幾個問題,然后提出了模糊自適應(yīng)算法的原理與模糊自適應(yīng)規(guī)則,并對幾種動感模擬算法進行了仿真分析對比,結(jié)果顯示基于平臺桿長約束的模糊自適應(yīng)動感模擬算法具有參數(shù)調(diào)節(jié)簡單意義明確、調(diào)節(jié)作用平滑無沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優(yōu)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(xué)、動感模擬算法、六自由度平臺虛擬樣機的Vortex、Simulink、 ADAMS聯(lián)合仿真系統(tǒng)。首先闡述了聯(lián)合仿真系統(tǒng)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(lián)接。以動感模擬運動的可視化與數(shù)據(jù)監(jiān)控以及蛇形試驗專用動感模擬算法為例,對聯(lián)合仿真系統(tǒng)的應(yīng)用進行了舉例說明。
篇10
1CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設(shè)計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數(shù)值計算能力，輔助工程技術(shù)人員進行工程或產(chǎn)品的設(shè)計與分析，達到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計效率飛速地提高。現(xiàn)已將計算機輔助制造技術(shù)（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品命運的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、智能活動是由設(shè)計專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計的過程，采用單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計算機繪圖等技術(shù)結(jié)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(guī)設(shè)計過程，借助計算機的支持，設(shè)計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點
通過實際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設(shè)計過程中具有更大的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在以下幾點:
2.1零件設(shè)計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)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(guān)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(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。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(shè)計進行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設(shè)計周期
采用三維CAD技術(shù),機械設(shè)計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設(shè)計時,只需對其中部分零部件進行重新設(shè)計和制造,而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息,使機械設(shè)計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力,能夠通過快速重構(gòu),得到一種全新的機械產(chǎn)品。
2.4提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時采用CADCIMS組織生產(chǎn),機械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進的設(shè)計方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動方針和優(yōu)化設(shè)計等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時,大型企業(yè)數(shù)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(chǎn)品的質(zhì)量。
3CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)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(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結(jié)構(gòu)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(fù)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(chǎn)生的基本體過多,導(dǎo)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(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(biāo)進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從普通機床到數(shù)控機床和加工中心,從人工設(shè)計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時,模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術(shù)。
一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)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(shù)控加工、有限元分析、動態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),進行統(tǒng)一管理,而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應(yīng)用
機械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)/運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后,才能由CAE解決設(shè)計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。
4CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢
4.1圖形交互技術(shù)
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設(shè)計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)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(shù)也正在研究之中。
4.2智能CAD技術(shù)
CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計在運用知識化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計倉庫,及時準(zhǔn)確地向設(shè)計師提品開發(fā)所需的知識和幫助,智能地支持設(shè)計人員，同時捕獲和理解設(shè)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(shè)計新手也能做出好的設(shè)計來,現(xiàn)代設(shè)計的核心是創(chuàng)新設(shè)計,人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。
4.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用,設(shè)計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機工程學(xué)角度檢查設(shè)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(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運動機構(gòu)的碰撞等問題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評價所設(shè)計的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)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(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計面向產(chǎn)品的整個生命周期設(shè)計理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計和制造,已成為機械設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
參考文獻
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[2]榮涵銳.新編機械設(shè)計CAD技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕.北京:機械工業(yè)出版社,2002.
篇11
〔正文〕
機械設(shè)計是機械類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時，該課程也是工科類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。本課程在教學(xué)內(nèi)容方面，著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實踐能力方面，著重設(shè)計構(gòu)思和設(shè)計技能的基本訓(xùn)練。在本課程學(xué)習(xí)中，綜合運用先修課程中所學(xué)的有關(guān)知識和技能，結(jié)合各種教學(xué)實踐環(huán)節(jié)及課程設(shè)計的基本鍛煉，為順利地過渡到學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程及進行專業(yè)畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。
機械設(shè)計課程設(shè)計是機械類專業(yè)和近機類專業(yè)學(xué)生在學(xué)完機械設(shè)計及同類課程以后所設(shè)置的一個重要的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，也是學(xué)生第一次較全面、規(guī)范地進行設(shè)計訓(xùn)練機械設(shè)計教學(xué)的一個重要實踐環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實際的設(shè)計能力，訓(xùn)練學(xué)生綜合運用機械設(shè)計課程和其他先修課程的基礎(chǔ)理論并結(jié)合生產(chǎn)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(xué)生有關(guān)機械設(shè)計方面的知識；通過對通用機械傳動或簡單機械的設(shè)計，使學(xué)生掌握一般機械設(shè)計的程序和方法，樹立正確的工程設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學(xué)的工程設(shè)計能力等；在課程設(shè)計實踐中，對學(xué)生進行設(shè)計基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊及相關(guān)技術(shù)資料的能力以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理和計算機輔助設(shè)計等方面的能力等。
基于以上認識，結(jié)合近年我校機械設(shè)計課程體系、課程內(nèi)容以及立體化教學(xué)模式的改革和重點課程建設(shè)，在學(xué)生機械設(shè)計課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計實踐中，主要從機械設(shè)計課程設(shè)計的設(shè)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(yīng)用最終到三維 CAD的過渡，在提高學(xué)生的設(shè)計能力和綜合素質(zhì)方面得到了較好的效果。
一. 機械設(shè)計實踐的現(xiàn)狀
幾個世紀以來，人們用手工繪圖來表達自己的設(shè)計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設(shè)計技術(shù)人員之間進行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，手工繪圖已不能滿足機械設(shè)計的要求。現(xiàn)在，機械設(shè)計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉(zhuǎn)向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質(zhì)量。
目前，CAD技術(shù)主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設(shè)計實踐中只是教會學(xué)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(guān)的工程分析是非常不便的且很難實現(xiàn)。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設(shè)計實踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)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(shè)計。 當(dāng)前，我國制造業(yè)已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術(shù)的普及結(jié)束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經(jīng)濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當(dāng)一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。企業(yè)需要掌握三維CAD技術(shù)的專業(yè)人才，掌握三維CAD技術(shù)已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機械設(shè)計實踐教學(xué)中采用三維 CAD技術(shù)，已成為我們現(xiàn)在機械設(shè)計實踐教學(xué)改革的重要內(nèi)容和亟待解決的問題。
二. 三維CAD關(guān)鍵技術(shù)
三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。從20世紀60年代至今，三維建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及當(dāng)今正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。三維CAD以三維造型設(shè)計為基礎(chǔ)，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構(gòu)運動分析和動態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。三維設(shè)計的真正意義不僅僅在于設(shè)計模型本身，而是設(shè)計出模型的后處理工作。
三維CAD技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：三維造型/三維設(shè)計、計算機輔助工程分析、機構(gòu)運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉(zhuǎn)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(tǒng)完成設(shè)計以后，不僅使設(shè)計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態(tài)，這是計算機輔助設(shè)計和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設(shè)計者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD技術(shù)不僅解決了產(chǎn)品設(shè)計和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動仿真和優(yōu)化設(shè)計，所生產(chǎn)的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術(shù)進行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術(shù)的使用，已經(jīng)逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計人員的一種基本技能。
三、CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著計算機性能的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術(shù)正向規(guī)范化、智能化、集成化的方向發(fā)展。
1. 規(guī)范化。ス娣痘(標(biāo)準(zhǔn)化)的趨勢體現(xiàn)在幾個方面：數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化(標(biāo)準(zhǔn)化)、數(shù)據(jù)交換格式的標(biāo)準(zhǔn)化和CAD資源的規(guī)范化等。數(shù)據(jù)模型應(yīng)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步完善，它對于幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型的思想將作為新一代CAD系統(tǒng)的開發(fā)指南。靠以前的一些標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)無法完全滿足CAD數(shù)據(jù)交換的要求。目前，參數(shù)化特征模型的傳輸還是一個世界難題，在STEP標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，相信這一點能有所突破。
2.智能化。ヌ卣髟煨禿筒問設(shè)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?nèi)ナ褂茫膊辉賹⒄季€面數(shù)據(jù)存儲在一起，而忽略其內(nèi)在聯(lián)系。特征和參數(shù)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(yīng)該更大限度地將工程數(shù)據(jù)概念集成到數(shù)據(jù)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(xù)分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。
3.集成化。ゼ成化是當(dāng)今CAD技術(shù)發(fā)展的又一大趨勢。CAD技術(shù)不是孤立的。首先，它集成了計算機軟硬件、數(shù)據(jù)庫、外圍設(shè)備、圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及各個應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)。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(guī)劃)、MIS（管理信息系統(tǒng))、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)以及MRP(制造資源管理)等系統(tǒng)相集成。由于Internet的發(fā)展，使得這些設(shè)想得以實現(xiàn)。如何構(gòu)造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統(tǒng)將會是人們追蹤的熱點。特別是在全球經(jīng)濟一體化的背景下，并行工程、異地設(shè)計制造等概念的發(fā)展和應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)、基于WEB的協(xié)同設(shè)計制造系統(tǒng)大受青睞。現(xiàn)在已有一些標(biāo)準(zhǔn)，如解決異構(gòu)系統(tǒng)平臺的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸共享的VRML標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，已經(jīng)為我們在互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架下，建立協(xié)同設(shè)計和協(xié)同工作的環(huán)境打下了基礎(chǔ)。
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篇12
建模，是早期三維地形生成的方法。由于其數(shù)學(xué)計算的復(fù)雜性，對于復(fù)
雜場景來說，計算量大而且要采用較復(fù)雜的曲面拼接技術(shù)。只適合中小 規(guī)模的數(shù)據(jù)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(guī)則形狀，物體的形狀可由方程 來描述。利用常用的參數(shù)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(guī)則和復(fù)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(shù)生成三維地形1973 年，曼德勃羅(B.B.Mandelbrot) 在法蘭西學(xué)院講課時，首次提出了分維和分形幾何的設(shè)想。分形幾何學(xué) 是一門以非規(guī)則幾何形態(tài)為研究對象的幾何學(xué)。由于不規(guī)則現(xiàn)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(xué)。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(tǒng)計自相似性的規(guī) 律，用遞歸算法使復(fù)雜的景物可用簡單的規(guī)則來生成，可以生成任意水 平的細節(jié)，為我們提供了一個很好的描述一般地面形狀的數(shù)學(xué)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(shù)產(chǎn)生以來，人 們就開始探討用分形技術(shù)來生成三維地形，地景生成技術(shù)也達到了一個 新的階段。采用分形技術(shù)來生成三維地形是目前地景生成的主要方法。 (3)基于數(shù)字地形模型的地形可視化。這種方法就是運用數(shù)字高程數(shù) 據(jù)構(gòu)造多邊形面，用多邊形網(wǎng)格逼近。數(shù)字高程模型是針對地球表面實 際地形地貌的數(shù)字建模的結(jié)果。MilIerC.L 于20 世紀50 年代中期提出了 數(shù)字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)的概念，后來把基于高程或海 拔分布的數(shù)字地形模型稱為數(shù)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(guān)注，在測 繪、地質(zhì)、景觀建筑、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、軍事工程、飛行器與戰(zhàn)場仿真等諸 多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)特別是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展， 在DEM 的數(shù)據(jù)獲取方法、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理速度等方面取得了一些突 破性的進展。現(xiàn)在，隨著各種精度級別的DEM 的普遍獲取，過去許多潛 在的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在已變成十分重要的方面。
在三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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?shù)姆€(wěn)健算法；龔健雅提出了面 向?qū)ο蟮氖噶繓鸥窦蓴?shù)據(jù)模型：還有鄧念東，侯恩科提出了一種顧及 維數(shù)的三維空間拓撲關(guān)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(zhì)建模中的應(yīng)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(guān)的TIN 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來 表示交互中的集合信息，當(dāng)視點改變時，采用Delaunav 三角剖分法重構(gòu) 側(cè)TIN；Luebke 等提出了一種基于頂點數(shù)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(wǎng)格模型也應(yīng)用到地形當(dāng)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(guān)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(yù)先分成大 小相等的若干塊，在塊內(nèi)進行漸進式網(wǎng)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(nèi)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(shù)制作動態(tài)地圖，可用于涉及時空變化的現(xiàn)象或概念的 可視性分析； 2.運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行地形環(huán)境仿真，真實再現(xiàn)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(nèi) 外空間信息三維可視化方面的研究雖然取得了長足的發(fā)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(xiàn)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(fā)與研制，其專業(yè)覆蓋面窄，因此涉及領(lǐng)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(xiàn)出一些新的
算法，但僅能作為一些初步的嘗試，距離應(yīng)用其編制出成型的計算程序
來解決工程問題，還有相當(dāng)漫長的道路。 （3）核心算法創(chuàng)新能力不足。算法是一個程序或軟件的核心，但國 內(nèi)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(xué)者提出了一種新的算法，國內(nèi)再跟蹤 研究，原始創(chuàng)新能力不足，這也是我國軟件領(lǐng)域5 甚至整個科技領(lǐng)域普 遍存在的問題。 （4）商業(yè)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(yè)軟件，在具體使用時， 不可避免的要出現(xiàn)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(nèi)部去進行調(diào)試和加入自己的應(yīng)用模塊。因此，開發(fā)編寫具 有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間信息三維可視化方面的研究具有非常重要的學(xué)術(shù) 價值和很強的國防應(yīng)用前景。 國內(nèi)外空間信息三維可視化方面的研究的發(fā)展趨勢。近年來，隨著 計算機軟、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，空間信息三維可視化方面的研究內(nèi)涵 也不斷拓展，其發(fā)展趨勢是： （1）駕馭式計算功能(computationalsteering)：即以交互的方式監(jiān)視 和干預(yù)計算過程，通過實時的可視化處理將計算結(jié)果圖像提供給用戶， 用戶通過判斷可隨時更改計算參數(shù)，從而干預(yù)整個計算過程。 （2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)：通過虛擬現(xiàn)實軟件及設(shè)備將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成3D 立體圖像，使用戶更加直觀地了解發(fā)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(fā)展，對計算能力提出了更高的要求，由此，多CPU 的分布式網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)將逐漸成為主流。 在數(shù)值方法方面，近年來，一些新的計算方法不斷涌現(xiàn)，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(jù)了計算流體力學(xué)發(fā)展的主流。近年來，數(shù)值 方法研究又有新的突破，一些新型算法已經(jīng)出現(xiàn)，其中有代表性的算法 有美國學(xué)者S.C.Chang 提出的時空守恒元解元（CE/SE）方法、日本學(xué)者
篇13
自 20世紀 9O年代以來,以計算機仿真技術(shù) 、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現(xiàn),并逐步滲透到教學(xué)領(lǐng)域。作為一種新型的實驗教學(xué)手段,虛擬仿真教學(xué)對傳統(tǒng)的教學(xué)手段產(chǎn)生了強烈沖擊,并引發(fā)了教學(xué)領(lǐng)域一系列深刻的變化。種種跡象表明,虛擬仿真教學(xué)將是今后實驗教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向。本文結(jié)合多年來在航空電子裝備教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的經(jīng)驗,探索在航空電子裝備教學(xué)軟件中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的方法和心得。
2.虛擬仿真技術(shù)簡介
虛擬仿真技術(shù)是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的合稱。
2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用三維建模技術(shù),構(gòu)建一個和現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景,并能響應(yīng)用戶的輸進,根據(jù)用戶的不同動作做出相應(yīng)的反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形 天生技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要側(cè)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(chǎn)品設(shè)計和展示、貿(mào)易廣告、游戲設(shè)計等。
在航空電子裝備教學(xué)中,大量用 到對裝備的外觀 、結(jié)構(gòu) 、組成 、連接 、機安裝位置的展示 ,傳統(tǒng)教學(xué)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?lián)Q代,因受經(jīng) 費、場地及使用壽命等因素的限制 ,傳統(tǒng)教學(xué)方法 已遠遠不能滿足要求 ,而采 用虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(yīng)用。
目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿 真的開發(fā),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(xiàn)實數(shù)據(jù)庫 OPENFLIGHT已經(jīng)成為 了產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,在軍事 、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發(fā)的技術(shù)平臺 ,解決物理模型的創(chuàng)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(shù)來解決物理模型 的交互新題目。
2.2系統(tǒng)仿真技術(shù)
系統(tǒng)仿真技術(shù)是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科 .它通過建立實際系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模 型 ,利用計算機運算來達到對被仿真系統(tǒng)的分析、探究、設(shè)計等目的。系統(tǒng)仿真技術(shù)主要側(cè)重于對真實系統(tǒng)的內(nèi)在機理、運動方式 的仿真,也稱為行為仿真。系統(tǒng)仿真技術(shù)最初主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)等少數(shù)領(lǐng)域,后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要產(chǎn)業(yè)部分,并進一步擴大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領(lǐng)域。 在航空電子裝備教學(xué)中,對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要通過教員的講述,配合一些靜態(tài)的圖形幫助學(xué)員理解 .教學(xué)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(tǒng)仿 真技術(shù)應(yīng)用到航空電子裝備教學(xué)中,根據(jù)被仿真裝備的工作原理,建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)裝備的不同工作狀態(tài),對模型進行動態(tài)運行.結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的逼真場景.較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術(shù)開發(fā)、研制的教學(xué)軟件不但可供教員教學(xué)使用.也可供學(xué)員自學(xué),并達到了較好的教學(xué)效果。
目前,有很多成熟的系統(tǒng)仿真開發(fā)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(shù)據(jù)接口.仿真系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當(dāng)然也可自行開發(fā)適用 的仿真開發(fā)平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用的是自行開發(fā)的系統(tǒng)仿真平臺軟件。
3.虛擬仿真技術(shù)在航空電子裝備教學(xué)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的三維物理模型 ,也包括揭示其內(nèi)在工作機理及行為的數(shù) 學(xué)模 型。對三維物理模型的建立,主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài),其原則就是在盡量減小面數(shù)的同時進步逼真度。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立,則需要視系統(tǒng)的復(fù)雜程度進行取舍和優(yōu)化,本著夠用為度的原則 ,以盡量減小運算量。建立數(shù)學(xué)模型時 ,還應(yīng)考慮到系統(tǒng)運行時的參數(shù)調(diào)整。
3.2創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動
對于虛擬場景的驅(qū)動,根據(jù)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(jié)構(gòu)的展示,可使用EON進行動作的編輯和驅(qū)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(qū)動以實現(xiàn)更復(fù)雜的交互操縱。
3.3系統(tǒng)集成
系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學(xué)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(guī)范的教學(xué)軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現(xiàn)實驅(qū)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(fā)平臺的運行插件,因此,系統(tǒng)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。
