力學(xué)實(shí)驗(yàn)畢業(yè)論文

1、1緒論1.1研究背景伴隨著教育教學(xué)改革的不斷深化及國(guó)家對(duì)教育投入的持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟硬件建設(shè)和裝備條件都有了很大程度的改善，這些變化都為高校帶來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在發(fā)展的同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：1）時(shí)間和空間的約束。不管何種類型的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)都必須在指定的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，否則根本無(wú)法進(jìn)行。現(xiàn)在高校普遍采取與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師商定實(shí)驗(yàn)時(shí)間后，確定每個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)課的時(shí)間范圍，學(xué)生在此范圍內(nèi)預(yù)約實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)以期緩解時(shí)間和空間的約束。2)有效的實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量嚴(yán)重不足。早期的基礎(chǔ)建設(shè)投入不足加之儀器設(shè)備量少、陳舊并且維修周期長(zhǎng)，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展設(shè)置了重重障礙，影響學(xué)習(xí)者動(dòng)手能力的

2、提高。3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)手段比較落后。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大都采取課堂教學(xué)的灌輸方式，學(xué)生的依賴行為比較明顯，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，亦不能達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。進(jìn)入數(shù)字化信息化時(shí)代的二十一世紀(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為許多領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用從基于HMD(Head-Mounted Display)和數(shù)據(jù)手套等硬件的醫(yī)療、教育、藝術(shù)、娛樂(lè)、及軍事等傳統(tǒng)領(lǐng)域到制造業(yè)、機(jī)器人領(lǐng)域及信息可視化的新型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)正不斷地改變著人們的日常學(xué)習(xí)與生活1。1.2問(wèn)題的提出三維建模技術(shù)的崛起以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為生產(chǎn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供了一種非常好的工作平臺(tái)。人們可以直接從

3、三維概念和構(gòu)思入手，通過(guò)模型仿真來(lái)分析和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性。隨著三維建模理論的日趨成熟，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的建模技術(shù)與軟件，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。在教育方面，現(xiàn)階段社會(huì)對(duì)人才的要求升高，各高校對(duì)學(xué)生的教育也作出很大努力。培養(yǎng)專業(yè)理論更扎實(shí)，實(shí)踐能力更強(qiáng)的優(yōu)秀人才，是學(xué)校與社會(huì)的期望。而對(duì)于理工類專業(yè)，尤其是力學(xué)專業(yè)的教學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以把抽象的數(shù)字與理論轉(zhuǎn)換成形象的圖形數(shù)據(jù)，并讓學(xué)生參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，使其親身感受實(shí)驗(yàn)，深化學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，再結(jié)合理論知識(shí)，勤加思考，便能較為輕松而且更扎實(shí)的掌握所學(xué)專業(yè)知識(shí)。但是很多實(shí)驗(yàn)的成本都非常高，很多儀器的購(gòu)置、實(shí)驗(yàn)使用、保養(yǎng)，都

4、需要很多資金。尤其很多破壞性實(shí)驗(yàn)，都需要很多昂貴的試件。學(xué)校在這個(gè)問(wèn)題上一直很矛盾，一方面是學(xué)生的學(xué)習(xí)，一方面是高昂的經(jīng)費(fèi)?；诖耍疚脑谘芯咳S建模技術(shù)同時(shí)利用3dsmax建模軟件，來(lái)對(duì)遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)裝置的虛擬建模。讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)就能輕松了解實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程。1.3論文的主要工作及技術(shù)路線本文在研究三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)三維建模技術(shù)的分類，應(yīng)用領(lǐng)域，未來(lái)發(fā)展等問(wèn)題進(jìn)行研究。并主要使用三維建模軟3dsmax來(lái)對(duì)遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)（包括有理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)）裝置進(jìn)行建模及實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫制作，對(duì)3dsmax三維制作軟件的特點(diǎn)進(jìn)行探討研究。制作前

5、考慮實(shí)驗(yàn)裝置及功能要求，對(duì)力學(xué)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都做簡(jiǎn)要介紹，認(rèn)清重點(diǎn)環(huán)節(jié)，以使得作出的模型及動(dòng)畫更具展示及教學(xué)意義。每個(gè)實(shí)驗(yàn)制作完成后，都進(jìn)行討論，論述其滿足目標(biāo)的什么程度，是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。制作的過(guò)程重點(diǎn)環(huán)節(jié)將詳細(xì)介紹，進(jìn)而在研究三維建模技術(shù)，介紹了3dsmax軟件的同時(shí)，制作出所有力學(xué)實(shí)驗(yàn)所用儀器的模型及實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫。在以后的教學(xué)中做實(shí)驗(yàn)展示。1）具體完成工作：a、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果虛擬建模。b、振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果虛擬建模。2）技術(shù)路線：a、搜集查閱文獻(xiàn)資料，整理國(guó)內(nèi)外研究有關(guān)三維建模的發(fā)展現(xiàn)狀，比較各種建模技術(shù)的特 點(diǎn)。b、對(duì)3dsmax進(jìn)行實(shí)際操作練習(xí)，深入

6、學(xué)習(xí)其建模、材質(zhì)、燈光、渲染、動(dòng)畫等各功能。c、與實(shí)驗(yàn)老師交流學(xué)習(xí)，了解各實(shí)驗(yàn)的主要步驟，并據(jù)此構(gòu)思儀器模型的組裝及動(dòng)畫要點(diǎn)。d、細(xì)化之前的構(gòu)思，來(lái)實(shí)現(xiàn)每一組實(shí)驗(yàn)的儀器建模及動(dòng)畫的完整過(guò)程。2三維虛擬建模技術(shù)本章將詳細(xì)闡述三維建模技術(shù)的分類，虛擬實(shí)驗(yàn)三維建模原則與建模技術(shù)的選擇，建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)三維動(dòng)畫技術(shù)簡(jiǎn)要介紹。2.1三維建模技術(shù)分類三維建模技術(shù)的類別有很多中，這里主要從物體的特性上分，將三維建模分為三維實(shí)體建模與三維動(dòng)畫建模。2.1.1三維實(shí)體建模三維實(shí)體建模和真實(shí)物體類似，不僅有表面物性，且有體積，重心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)體物理屬性，是三維設(shè)計(jì)中最常用和典型的模型。三

7、維實(shí)體可以通過(guò)相互切割、合并、交叉（差、并、交、集）等布爾運(yùn)算，得到復(fù)雜的形體模型，能進(jìn)行消隱。實(shí)體模型不僅具有面和線的特征，而且還具有實(shí)體的特征，如體積塊、重心和慣性矩等。獲得三維模型的方法有很多種，最簡(jiǎn)單的方法是給平面形狀定義一個(gè)厚度，用戶應(yīng)根據(jù)具體情況選擇不同的模型類型和建模方法16。三維實(shí)體造型有許多優(yōu)點(diǎn)，從渲染效果表達(dá)上看：能上色，可通過(guò)材料賦值、設(shè)置燈光和場(chǎng)景得到十分逼真的渲染效果圖；從物理分析上看：三維實(shí)體具有質(zhì)量、重心等物理特性，可用專門軟件進(jìn)行受力、運(yùn)動(dòng)、熱效應(yīng)等分析。目前使用較廣泛的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件有：UG、Pro/E、Catia、Inventor、CAXA Solid2。

8、2.1.2三維動(dòng)畫建模與實(shí)體造型建模不同的是三維動(dòng)畫建模。實(shí)體造型建模強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)，而三維動(dòng)畫建模強(qiáng)調(diào)外觀。大多數(shù)實(shí)體設(shè)計(jì)軟件都是基于實(shí)體核心的，而幾乎所有的動(dòng)畫建模軟件都是基于曲面核心的。目前使用較廣泛的三維動(dòng)畫建模軟件有：3dsmax、XSI、C4D、Alias2.2虛擬實(shí)驗(yàn)三維建模原則與建模技術(shù)的選擇2.2.1三維建模的原則建立有效的虛擬環(huán)境，主要集中在兩個(gè)方面：一是用虛擬環(huán)境精確表示物體的狀態(tài)模型；二是環(huán)境的可視化表示即渲染出的景象。強(qiáng)調(diào)影像的原因在于其主要的信息獲取途徑來(lái)自于視覺(jué)。在虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)中，三維模型的精確建立發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高仿真度的三維模型可以真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、儀器外觀

9、甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給學(xué)習(xí)者以良好的沉浸感，獲得如同甚至超過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的學(xué)習(xí)感受和體驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)三維模型的創(chuàng)建過(guò)程中如何把握模型的仿真程度，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)有很大影響，因?yàn)樗婕傲碎_(kāi)發(fā)的軟硬件成本以及現(xiàn)有的運(yùn)行環(huán)境、條件等因素的限制。仿真程度恰當(dāng)?shù)娜S實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀欣谔摂M實(shí)驗(yàn)發(fā)揮出更大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)先天上會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度的影響，所以在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中要充分考慮如何控制網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，亦即盡可能在保證實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的前提下降低整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量。體現(xiàn)在三維建模過(guò)程中，則為控制整個(gè)虛擬場(chǎng)景的多邊形數(shù)量。在三維建模過(guò)程中力圖遵循如下原則： 1）真實(shí)合理原則：建模的過(guò)程實(shí)

10、際上是一個(gè)對(duì)對(duì)象的物理表象的模擬過(guò)程。做完實(shí)驗(yàn)分析后進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)及模型的建立必須符合真實(shí)合理的原則，維持原對(duì)象所固有的空間及物理關(guān)系，如此才能符合建構(gòu)主義創(chuàng)設(shè)情境的思想，達(dá)到同化和順應(yīng)的目的。 2）去除模型的冗余多邊形原則：減少模型的多邊形浪費(fèi)是一個(gè)軟件系統(tǒng)的基本任務(wù)之一。對(duì)于預(yù)先設(shè)定的觀察視點(diǎn)，對(duì)象的背面、被其他對(duì)象阻擋的面以及對(duì)象內(nèi)部的面都屬于無(wú)用的冗余面。三維模型建成后對(duì)多余的面、 看不見(jiàn)的背面應(yīng)直接刪除，盡量減少冗余多邊形，以降低整個(gè)場(chǎng)景的多邊形數(shù)目，做到最優(yōu)化。 3）主次分明原則：依據(jù)心理學(xué)知識(shí)，人的感覺(jué)超過(guò)一定的閥值后，虛擬場(chǎng)景再逼真也沒(méi)有感覺(jué)上的意義了。比如在 3ds

11、max中建立一個(gè)圓柱體模型，當(dāng)周邊的分割段數(shù)超過(guò) 32，視覺(jué)效果不會(huì)隨著分割段數(shù)的增加再有多大的改觀。超過(guò)感覺(jué)閥值后， 再增加精度只會(huì)增加計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)間，降低制作效率。所以在虛擬視覺(jué)場(chǎng)景構(gòu)建中力圖突出主體對(duì)象，保證整個(gè)場(chǎng)景faces總數(shù)適中的情況下令主體對(duì)象模型盡量準(zhǔn)確精細(xì)，可適當(dāng)降低背景等次對(duì)象的精細(xì)程度。 4）盡量使用簡(jiǎn)單建模方式，避免不兼容原則：由于經(jīng)常涉及建模工具間的數(shù)據(jù)交換，建模過(guò)程中應(yīng)少用復(fù)雜命令建模，少用復(fù)雜修改方式修改對(duì)象，盡量避免格式轉(zhuǎn)換時(shí)出錯(cuò)。少用曲面曲線建模，建模工具中對(duì)曲線和曲面的處理一般采用數(shù)學(xué)的方式記錄模型的頂點(diǎn)及其它向量特征，各類建模工具內(nèi)部對(duì)曲線的計(jì)算和記

12、錄方式的差別會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換時(shí)采用大量的三角形面片擬合曲線或曲面，擬合過(guò)程中多邊形數(shù)目會(huì)急劇增加，因此在建模過(guò)程中為降低模型數(shù)據(jù)量，要盡量少用曲面建模。5）精細(xì)程度適度，避免過(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)原則：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的建模是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。為了給使用者創(chuàng)建一個(gè)能使其感受到身臨其境、逼真的環(huán)境，就需要?jiǎng)?chuàng)建盡可能逼真的模型和虛擬場(chǎng)景。因?yàn)樵谝曈X(jué)傳達(dá)領(lǐng)域，要想傳遞信息，表達(dá)感情，首先得借助能喚人們經(jīng)驗(yàn)的視覺(jué)圖像。這個(gè)視覺(jué)圖像必須是人們所經(jīng)驗(yàn)的，準(zhǔn)確認(rèn)知是一切視覺(jué)營(yíng)造手段所必須具備的。數(shù)學(xué)模型建立的好壞直接影響到精度、操作的便利性等。但是，模型和場(chǎng)景過(guò)于精細(xì)，數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，將給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難，

13、尤其是比較復(fù)雜的場(chǎng)景。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中建模，應(yīng)該在保證必須的模型質(zhì)量情況下做到數(shù)據(jù)量盡量小，以保證虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行效率17。 盡量以紋理映射方式來(lái)解決模型數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題：紋理映射一般是指為了顯示表面幾何無(wú)法表示的細(xì)節(jié)特征，而改變對(duì)象表面逐漸變化的屬性的方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，紋理映射技術(shù)就是把位圖貼在多邊形上，給簡(jiǎn)單平坦的多邊形表面增加細(xì)節(jié)表現(xiàn)和梯度暗示?？梢杂成涞轿矬w表面的屬性包括色澤、材質(zhì)、光線跟蹤特征等，從虛擬對(duì)象表面反射的光線方向真實(shí)展現(xiàn)對(duì)象的紋理特征和粗糙質(zhì)感特征。對(duì)虛擬對(duì)象模型的多邊形進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的紋理映射，是減少創(chuàng)建豐富場(chǎng)景所需要的多邊形數(shù)目的最好方法3。 2.2.2三維建模技術(shù)的

14、選擇運(yùn)用對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的重要意義 選擇合適的三維建模工具，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)具有重大意義。作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，虛擬場(chǎng)景的精確模型的建立至關(guān)重要。按照情境學(xué)習(xí)理論，虛擬場(chǎng)景必須同現(xiàn)實(shí)相接近，將學(xué)習(xí)者置于虛擬的社會(huì)和物理環(huán)境中學(xué)習(xí)。采用適當(dāng)?shù)慕９ぞ撸軠?zhǔn)確再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景和對(duì)象的真實(shí)材質(zhì)、合理表現(xiàn)自然光照特征，真實(shí)合理的模型能保證虛擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)的有效4。對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)運(yùn)行的速度直接影響到系統(tǒng)的推廣程度。對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景，多邊形的數(shù)量決定了場(chǎng)景的載入和呈現(xiàn)速度，選用合適的建模工具可以精簡(jiǎn)和優(yōu)化場(chǎng)景中模型的多邊形數(shù)量，簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的模型、準(zhǔn)確的紋理映射、強(qiáng)大的多邊形修改工具對(duì)模型冗

15、余面的手動(dòng)修改等，能有效提高系統(tǒng)運(yùn)行速度18。選用合適的三維模型開(kāi)發(fā)工具，還可以大幅降低開(kāi)發(fā)成本。對(duì)硬件配置要求低、用戶眾多的三維建模工具可以節(jié)省大量的硬件平臺(tái)成本，節(jié)省對(duì)開(kāi)發(fā)成員的培訓(xùn)費(fèi)用，能有效提高虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)速度。開(kāi)發(fā)成員間的相互交流也能令其技術(shù)水平得到提高，從而對(duì)開(kāi)發(fā)速度起到一定的促進(jìn)作用。2.3建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)三維建模技術(shù)現(xiàn)階段被廣泛的用于虛擬仿真技術(shù)之中，它是虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段建模技術(shù)已發(fā)展到“行為建模”階段。所謂“行為建模”就是可以描述物體運(yùn)動(dòng)及行為特征，是虛擬現(xiàn)實(shí)的自主性特性的體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的自主性特性，簡(jiǎn)單的說(shuō)是指動(dòng)態(tài)形體的活動(dòng)、變化以及與周圍環(huán)境

16、和其它動(dòng)態(tài)形體之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，他們不受用戶的輸入控制。例如戰(zhàn)場(chǎng)仿真環(huán)境虛擬環(huán)境中，直升機(jī)螺旋槳的不停旋轉(zhuǎn)；虛擬場(chǎng)景中鳥(niǎo)在空中自由的飛翔，當(dāng)人接近它們時(shí)，他們要飛遠(yuǎn)等行為。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅創(chuàng)造出虛擬場(chǎng)景，而且還創(chuàng)造出虛擬主持人、虛擬歌星、虛擬演員。日本電視臺(tái)推出的歌星DiKi，不僅歌聲迷人而且風(fēng)采翩翩，引得無(wú)數(shù)歌迷紛紛傾倒，許多追星族欲親睹其芳容，迫使電視臺(tái)只好說(shuō)明她不過(guò)是虛擬的歌星。在教育方面，現(xiàn)階段虛擬實(shí)驗(yàn)的研究受到很多人的關(guān)注。虛擬實(shí)驗(yàn)是指依托相關(guān)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，借助于硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化和延伸，它是實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的重要方向,是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與

17、虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合5。黃海林在虛擬實(shí)驗(yàn)三維建模技術(shù)研究一文中以虛擬實(shí)驗(yàn)平面度誤差測(cè)量中虛擬對(duì)象建模為例，研選用3dsmax進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的簡(jiǎn)易流程、模型動(dòng)作的設(shè)置技巧、模型的視覺(jué)表現(xiàn)手法以及建模原則等關(guān)鍵問(wèn)題，以提高網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)效率及質(zhì)量。我國(guó)目前的虛擬實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐雖已取得較大程度的發(fā)展,但仍存在虛擬化程度不高、開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用的建模技術(shù)不合理等問(wèn)題6。2.4三維動(dòng)畫技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)又稱3D動(dòng)畫，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一新興技術(shù)。三維動(dòng)畫作為電腦美術(shù)的一個(gè)分支，是建立在動(dòng)畫藝術(shù)和電腦軟硬件技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上而形成的一種相對(duì)的獨(dú)立新型的藝術(shù)形式。三維動(dòng)畫

18、軟件在計(jì)算機(jī)中首先建立一個(gè)虛擬的世界，設(shè)計(jì)師在這個(gè)虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)的對(duì)象的形狀尺寸建立模型以及場(chǎng)景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其它動(dòng)畫參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)，并打上燈光。當(dāng)這一切完成后就可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的畫面7。2.4.1三維動(dòng)畫技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域三維動(dòng)畫技術(shù)模擬真實(shí)物體的方式使其成為一個(gè)有用的工具。由于其精確性、真實(shí)性和無(wú)限的可操作性，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域。在影視廣告制作方面，這項(xiàng)新技術(shù)能夠給人耳目一新的感覺(jué)，因此受到了眾多客戶的歡迎。三維動(dòng)畫可以用于廣告和電影電視劇的特效制作（如爆炸、煙霧、下雨、光效等）、

19、特技（撞車、變形、虛幻場(chǎng)景或角色等）、廣告產(chǎn)品展示、片頭飛字等等。2.4.2三維動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展過(guò)程早期主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。直到70年代后期，隨著PC機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)才逐步拓展到諸如平面設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、建筑裝潢等領(lǐng)域。80年代，隨著電腦軟硬件的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，電腦美術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科真正開(kāi)走上了迅猛發(fā)展之路。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)制作動(dòng)畫的探索始于80年代初期，當(dāng)時(shí)三維動(dòng)畫的制作主要是在一些大型的工作站上完成的。在DOS操作系統(tǒng)下的PC機(jī)上，3D Studio軟件處于絕對(duì)的壟斷地位。1994年，微軟推出Windows操作系統(tǒng)，并將工作站上的Softimag

20、e移植到PC機(jī)上。1995年，Win95出現(xiàn)，3DS出現(xiàn)了超強(qiáng)升級(jí)版本3dsmax1.0。1998年，Maya的出現(xiàn)可以說(shuō)是3D發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑。一個(gè)個(gè)超強(qiáng)工具的出現(xiàn)，也推動(dòng)著三維動(dòng)畫應(yīng)用領(lǐng)域不斷的拓寬與發(fā)展。，從建筑裝潢、影視廣告片頭、MTV、電視欄目，直到全數(shù)字化電影的制作。在各類動(dòng)畫當(dāng)中，最有魅力并動(dòng)用最廣的當(dāng)屬三維動(dòng)畫。二維動(dòng)畫可以看成三維動(dòng)畫的一個(gè)分支，三維動(dòng)畫軟件功能愈來(lái)愈強(qiáng)大，操作起來(lái)也是愈來(lái)愈容易，這使得三維有更廣泛的運(yùn)用。假如你喜歡訪問(wèn)個(gè)人主頁(yè)，會(huì)很容易看到一些簡(jiǎn)單的三維動(dòng)畫，制作人也許剛剛學(xué)會(huì)用電腦，畢竟我們的世界是立體的，只有三維才讓我們感到更真實(shí)。1995年，由迪

21、斯尼發(fā)行的玩具總動(dòng)員上映，這部純?nèi)S制作的動(dòng)畫片取得了巨大的成功。三維動(dòng)畫迅速取代傳統(tǒng)動(dòng)畫成為最賣座的動(dòng)畫片種。迪斯尼公司在其后發(fā)行的玩具總動(dòng)員2、恐龍、怪物公司、蟲蟲特工隊(duì)都取得了巨大成功。另外,夢(mèng)工廠發(fā)行的蟻哥雄兵怪物史瑞克等三維動(dòng)畫片，也獲得了巨大的商業(yè)成功。三維動(dòng)畫在電影中的運(yùn)用更是神乎其技：蜘蛛俠、泰坦尼克號(hào)、終結(jié)者、魔界的成功都離不開(kāi)其中絢三維動(dòng)畫場(chǎng)面?，F(xiàn)今三維動(dòng)畫的運(yùn)用可以說(shuō)無(wú)處不在，網(wǎng)頁(yè)、建筑效果圖、建筑瀏覽、影視片頭、MTV、電視欄目、電影、科研、電腦游戲等等?，F(xiàn)階段，無(wú)論是3dsmax軟件，還是三維建模技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，都在快速的發(fā)展。發(fā)展的趨勢(shì)是系統(tǒng)化、真實(shí)化、人性化。

22、各種虛擬技術(shù)發(fā)展給人門的生活及學(xué)習(xí)都帶來(lái)了極大的方便8。3三維建模工具3.1三維建模工具比較三維建模工具有很多，這里舉出幾個(gè)較普及的軟件，如3dsmax、Maya、AutoCAD/Mechanical Desktop (Mechanical v2008)、Pro/E (Pro/Engineer)、Catia。3dsmax作為目前使用頻率最高、擁有最大用戶群的三維建模軟件，3dsmax幾乎擁有所有3D類軟件所應(yīng)該具有的強(qiáng)大功能：靈活多樣的建模方式，如多邊形建模、細(xì)分建模、NURBS 曲面建模、角色建模等；豐富的材質(zhì)質(zhì)感表現(xiàn)；高級(jí)曲線動(dòng)畫編輯等。易學(xué)易用，適合作為開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的三維建模軟件。同時(shí)，

23、Cult3D、Viewpoint、Virtools都為3dsmax開(kāi)發(fā)了專門的Export導(dǎo)出插件，Java3D甚至能直接識(shí)別3dsmax的傳統(tǒng)格式3ds，應(yīng)用亦不受限制9。3dsmax的優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在：相對(duì)低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。3dsmax有非常好的性能價(jià)格比，它所提供的強(qiáng)大的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它自身低廉的價(jià)格，這樣就可以使作品的制作成本大大降低，而且它對(duì)個(gè)人電腦硬件系統(tǒng)的要求相對(duì)來(lái)說(shuō)也很低，一般普通的硬件配置已經(jīng)可以滿足學(xué)習(xí)的需要。易用性強(qiáng)。3dsmax的制作流程十分簡(jiǎn)潔高效，可以讓初學(xué)者很快上手，比較適合初學(xué)者開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)。使用者眾多，便于交流。網(wǎng)絡(luò)資訊的發(fā)達(dá)令陌生學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作學(xué)習(xí)和交流變得更

24、加容易10。Maya與其它的三維軟件有明顯的區(qū)別，首先，Maya繼承了Alias所有的工作站級(jí)優(yōu)秀軟件的特性：靈活、快捷、準(zhǔn)確、專業(yè)、可擴(kuò)展、可調(diào)性。Maya的操作平臺(tái)基于Windows NT，操作更簡(jiǎn)便。同時(shí)，Maya 獨(dú)一無(wú)二的工作界面使操作更直觀，利用了窗口的所有空間并將其發(fā)揮到極至，快捷鍵的合理組合使動(dòng)畫制作事半功倍。Maya不僅有普通建模功能，同時(shí)更具備了其它軟件少有的NURBS建模功能。Maya在燈光、攝像機(jī)、材質(zhì)等方面的表現(xiàn)也不俗，模擬燈光更加真實(shí)，可調(diào)參數(shù)更突出；特技燈光種類更豐富更具有吸引力。攝像機(jī)的功能和參數(shù)更加專業(yè)，如鏡頭、焦距、景深等特殊功能是其他軟件不具備的。矢量材質(zhì)

25、可模仿木紋、毛石、水等，節(jié)省了貼圖的制作，同時(shí)在折射、反射等效果上更加獨(dú)特。在動(dòng)畫設(shè)置上，粒子、動(dòng)力學(xué)、反向動(dòng)力學(xué)等高級(jí)動(dòng)畫設(shè)置都由軟件自行計(jì)算，提高動(dòng)畫的真實(shí)程度，渲染精度可與電影級(jí)媲美。但是Maya的學(xué)習(xí)復(fù)雜困難、周期長(zhǎng)，如復(fù)雜的菜單、大量的隱藏節(jié)點(diǎn)命令、CG圖形學(xué)的知識(shí)如渲染細(xì)分、UV理論等，嚴(yán)重阻礙了開(kāi)發(fā)效率的提高。而且由于移植自傳統(tǒng)工作站，Maya 對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高，高速的中央處理器、大容量?jī)?nèi)存和支持 OpenGL 的高端顯示卡都對(duì)其廣泛應(yīng)用形成障礙。AutoCAD/Mechanical Desktop (Mechanical v2008)作為傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)，AutoCAD

26、已經(jīng)成為了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從概念設(shè)計(jì)到草圖和局部詳圖，AutoCAD提供了創(chuàng)建、展示、記錄和共享構(gòu)想所需的所有功能。Mechanical Desktop (Mechanical v2008)是一種專門為機(jī)械類設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，并且Mechanical Desktop構(gòu)建于AutoCAD平臺(tái)這一全球最暢銷的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序之上，并使用原始DWG格式，通過(guò)該軟件可以與世界上最大的設(shè)計(jì)團(tuán)體進(jìn)行交流。其具有的精準(zhǔn)快捷的基于零部的建模方式是3dsmax和Maya所不及的。由于不具備Cult3D等Web3D技術(shù)的輸出插件，Mechanical Desktop在進(jìn)行三維模型輸出時(shí)需要使用。3ds的中間格式

27、，依賴3dsmax重新導(dǎo)出為可用格式，過(guò)程稍嫌繁瑣；復(fù)雜模型數(shù)據(jù)交換過(guò)程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；另外模型中的面(Faces)的數(shù)量也不能得到很好的控制。 Pro/E (Pro/Engineer)PTC 公司出品的基于尺寸驅(qū)動(dòng)的主要應(yīng)用于模具及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，具有強(qiáng)大的功能和易用性，適用于模具開(kāi)發(fā)和有限元分析。但是也需要中間格式來(lái)同 Web3D技術(shù)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)交換。 Catia是由法國(guó)著名飛機(jī)制造公司Dassau1t開(kāi)發(fā)并由IBM公司負(fù)責(zé)銷的世界上一種主流的CAD/CAE/CAM一體化軟件。其應(yīng)用范圍主要有三維建模，可以進(jìn)行模具、自由曲面等建模，可以進(jìn)行有限元分析，可以生成數(shù)控代碼等，功能

28、強(qiáng)大，與 Solidworks、Pro/E、UG等有異曲同工之妙11。 3.2三維建模軟件3dsmax3.2.1 3dsmax軟件特點(diǎn)3dsmax軟件發(fā)展至今已是功能強(qiáng)大，博大精深，奧妙無(wú)窮，命令繁雜，建模方法靈活、多樣，如有創(chuàng)建、修改、層次、運(yùn)動(dòng)、顯示工具等六個(gè)面板，每個(gè)命令面板又有多個(gè)命令及參數(shù)設(shè)置。如創(chuàng)建命令面板，可以創(chuàng)建幾何體、二維圖型、燈光、攝像機(jī)、輔助對(duì)象、空間扭曲、系統(tǒng)等類型。每一種創(chuàng)建類型又有多個(gè)創(chuàng)建命令，如創(chuàng)建幾何體類型又可以分為標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體、復(fù)合對(duì)象、粒子系統(tǒng)、面片柵格、NURBS、門窗、AEC擴(kuò)展、動(dòng)力學(xué)對(duì)象、樓梯、Vray等；修改命令面板里有90多個(gè)修改命令可

29、供使用，每個(gè)修改命令又有多個(gè)卷展欄，不同的卷展欄又包含許多命令與參數(shù)設(shè)置；再加上材質(zhì)、貼圖、渲染、環(huán)境與效果、動(dòng)畫技術(shù)、粒子與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等等12。3.2.2 3dsmax建模方法3dsMAX的建模方法現(xiàn)實(shí)世界事物林林總總，它們?cè)?dsmax中的建模方法各有不同，并且它依個(gè)人的觀察能力和操作習(xí)慣而大不相同，應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)旨在說(shuō)明對(duì)不同事物一般和常規(guī)的建模方法，其分類主要根據(jù)目標(biāo)形體的形狀。1）旋轉(zhuǎn)建模：用于具有中心軸對(duì)稱的物體如各種陶器，以及大部分的水果。這類造型比較簡(jiǎn)單，用line工具繪出對(duì)稱截面，加入lathe(旋轉(zhuǎn))修改器可得到三維實(shí)體，有些還需加入特殊變形，以更加真實(shí)地表

30、現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的效果。2）loft放樣建模：用于在一段路徑上具有一致截面或有少數(shù)截面的情況。在繪制這類模型時(shí)要求繪出截面形狀和截面的走樣路徑(即z軸的)的二維線形，進(jìn)行l(wèi)oft放樣可得到最終目標(biāo)。3）Boolean 建模方法：用來(lái)將兩個(gè)造型物體進(jìn)行Boolean 合成。合成方法有 u2nion， subtraction，intersection和cut 四種，前三種相當(dāng)于數(shù)學(xué)中的并、差、交，后一種方法對(duì)造型本身不會(huì)有大的影響，只是會(huì)形成子物體的重定義，以便做進(jìn)一步的修改。面上挖孔等的造型設(shè)計(jì)多用此。4）細(xì)分建模：主要用于具有較為規(guī)則的平面或光滑曲面的物體。這是一種十分有用的造型方法,一般較為復(fù)雜的直面

31、物體如樓宇或簡(jiǎn)單的曲面物如沙發(fā)等都可化歸此類。5）復(fù)制、 堆積建模：用于具有不規(guī)則形態(tài)的形體陣或堆積如樹(shù)木，石塊。這種物體需對(duì)單個(gè)的物體進(jìn)行詳細(xì)繪制。6）依附建模：用于帶有空間扭曲或變形的物體建模?，F(xiàn)實(shí)中有些物體不是孤立存在的，它們的存在形式與所附物體形態(tài)有關(guān) 7）生物建模：稱為面片建模用于左右對(duì)稱的生物。這種方法只要加工出一半,通過(guò)對(duì)稱復(fù)制整個(gè)生物就成形了。8）NURBUS曲面建模：用于大部分的曲面物體。NURBUS建模方法是曲面造型的最常用的方法,也是造型中最為復(fù)雜的一類建模方法?，F(xiàn)實(shí)中大部分具有精細(xì)曲面的物體都需由它來(lái)完成,如顯示器、汽車等,9）材質(zhì)建模：這類建模方法的實(shí)現(xiàn)主要由材質(zhì)來(lái)完

32、成，如 displace 修改器和opacity透明貼圖。10）組合建模：用于工業(yè)中的復(fù)雜零件，大部的家用電器、交通工具等。這些物體由多個(gè)或相同或不同的部分組成，要完全最終的目標(biāo)物體，需要利用各種不同的坐標(biāo)軸，經(jīng)常還需要改變一些部分的軸心，使用旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、放縮、對(duì)齊、陣列等各種常用工具，通過(guò)切換各個(gè)視圖來(lái)方便地進(jìn)行操作，最后成組完成一個(gè)完整的有機(jī)部分13。4力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理和理論基礎(chǔ)4.1矩形截面純彎曲梁應(yīng)力分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，中間區(qū)段為純彎曲段，其彎矩為M=1/2Pa,由理論可知橫截面上各點(diǎn)的正應(yīng)力為： （4-1）式中 M直梁彎矩I橫截面對(duì)中性軸的慣性矩 Y該截面到中性軸的距

33、離對(duì)于矩形截面其慣性矩為：I= （4-2）由于所研究部分處于純彎曲狀態(tài)，縱向各纖維之間不擠壓，只有伸長(zhǎng)或縮短，所以各縱向纖維為單向應(yīng)力狀態(tài)，只要測(cè)出各點(diǎn)的應(yīng)變值，即可按胡克定律算出正應(yīng)力=E （4-3）式中E為彈性模量常數(shù)，而為應(yīng)變，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，從而也可以求出，如果在同一狀態(tài)下在同一測(cè)量點(diǎn)上應(yīng)有= （4-4）則公式（4-1）可得到驗(yàn)證。為了達(dá)到上述目的，在直梁的純彎曲段內(nèi)，沿截面高度的六個(gè)等分處沿軸向貼七組應(yīng)變片，在在支點(diǎn)外端貼一組溫度補(bǔ)償片，然后測(cè)出各點(diǎn)的正應(yīng)變后，即可按（4-3）式計(jì)算出正應(yīng)力；并畫出應(yīng)力沿截面高度分布規(guī)律圖線，與（4-1）式算出的理論值進(jìn)行比較。4.2測(cè)量電橋應(yīng)用實(shí)

34、驗(yàn)原理電測(cè)法就是將物理量、力學(xué)量、機(jī)械量等非電量通過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換成電量后，用電學(xué)儀器進(jìn)行測(cè)量的一種實(shí)驗(yàn)方法，其原理框圖如下所示。圖4-1電測(cè)技術(shù)原理框圖Figure 4-1 Block diagram of electrical measurement technology測(cè)量對(duì)象為一等強(qiáng)度梁，如圖 1 所示，在等強(qiáng)度梁的各截面處的上下表面分別鐵電阻應(yīng)變片，在實(shí)驗(yàn)裝置附近有一個(gè)溫度補(bǔ)償塊，作為單臂半橋測(cè)量時(shí)的溫度補(bǔ)償片，當(dāng)試件加載荷時(shí)，等強(qiáng)度梁發(fā)生變形，其上下表面所貼的電阻應(yīng)變片隨產(chǎn)生拉伸或壓縮變形，按電測(cè)法原理，可選則不同的接橋方式測(cè)出貼片截面處的應(yīng)變值。1.單臂半橋：其組成形式見(jiàn)圖4-2（

35、a），AB橋臂為測(cè)量片，BC橋臂為溫度補(bǔ)償片，CD、DA橋臂R為應(yīng)變儀內(nèi)部提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻，應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變值與真實(shí)值之間的關(guān)系為2.雙臂半橋：其組成形式見(jiàn)圖4-2（b），AB橋臂為測(cè)量片，BC橋臂應(yīng)為，R為應(yīng)變儀內(nèi)部提供的準(zhǔn)確電阻，應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變值與真實(shí)值關(guān)系為：3.全橋鏈接：組成形式見(jiàn)圖4-2（c），AB、BC、CD、DA四個(gè)橋臂分別為測(cè)量片，應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變值與真實(shí)值之間關(guān)系為：圖4-2（a）單臂半橋 圖4-2（b）雙臂半橋 圖4-2（c）全橋Figure 4-2 (a) Half-bridge arm Figure 4-2 (b) Half-bridge arms Figure 4-2

36、 (c) Full-bridge4.3復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力測(cè)定薄壁鋼管承受彎曲和扭轉(zhuǎn)組合作用時(shí)，鋼管表面上任意一點(diǎn)可以認(rèn)為處于平面應(yīng)力狀態(tài)，如圖所示。圖4-3平面應(yīng)力狀態(tài)Figure 4-3 Plane stress state1）理論上分析圓筒上某一點(diǎn)的主應(yīng)力大小及方向：圓筒上面A點(diǎn)（或下面B點(diǎn)）橫截面上的應(yīng)力為 (4-5) (4-6)其中： 式中：彎矩扭矩抗彎截面模量抗扭截面模量鋼管外徑鋼管內(nèi)徑該點(diǎn)主應(yīng)力大小和方向分別為： （4-7） （4-8）2）由實(shí)驗(yàn)確定圓筒的主應(yīng)力大小及方向：為了測(cè)量圓筒上A點(diǎn)主應(yīng)力的大小及方向，在薄壁鋼管的上表面A點(diǎn)處粘貼4枚電阻應(yīng)變片（與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)處也粘

37、貼4枚電阻應(yīng)變片），電阻應(yīng)變片的布片方案為應(yīng)變花。可以按順序選擇不同角度的三枚電阻應(yīng)變片為一組，測(cè)得三個(gè)不同方向的應(yīng)變值，則該點(diǎn)的主應(yīng)力大小及方向可算出。三枚電阻應(yīng)變片的組成分別為： 圖4-4電阻應(yīng)變片的布片方案Figure 4-4 Pieces of cloth resistance strain gauge program則主應(yīng)力的大小及方向的測(cè)試值為： （4-9）3）接橋方法：采用單臂半橋接橋方法：采用、組成一組電阻應(yīng)變花，為溫度補(bǔ)償片，見(jiàn)圖4-5（a）；也可采用、組成一組電阻應(yīng)變花，為溫度補(bǔ)償片，見(jiàn)圖4-5（b）。圖4-5（a）接橋方式1 圖4-5（b）接橋方式2Figure 4-5

38、(a) Bridging mode 1 Figure 4-5 (b) Bridging mode 2也可以采用雙臂半橋接橋方法：采用A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片組成應(yīng)變花，接成雙臂半橋14。4.4拉伸與壓縮試驗(yàn)原理自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由輸入、放大、轉(zhuǎn)換、處理、顯示、輸出結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。輸入部分用來(lái)感知被測(cè)量的變化形成輸入信號(hào)，放大部分將信號(hào)放大提供必要的起動(dòng)電壓。轉(zhuǎn)換部分將模擬量轉(zhuǎn)換成處理器能夠識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字量送給處理器進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)。顯示與輸出部分用來(lái)顯示測(cè)試信號(hào)、打印測(cè)試結(jié)果。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作原理:電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械性能能測(cè)試方法的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展、完善，是電子技術(shù)與基礎(chǔ)物理知

39、識(shí)的綜合應(yīng)用。該測(cè)試系統(tǒng)，用位移傳感器和力傳感器取代了老式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用線傳動(dòng)和測(cè)力油缸來(lái)反映試件的變形與受力大小的方法。用計(jì)算機(jī)代替了人工計(jì)算，并用顯示器、打印機(jī)取代了示力盤和繪圖儀，工作原理框圖如圖3所示。當(dāng)試件受力發(fā)生變形時(shí)，力合位移傳感器將力與位移（變形）信號(hào)輸入放大器，放大器信號(hào)放大，以達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)能夠工作的最低啟動(dòng)電壓，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。由于力與位移信號(hào)時(shí)連續(xù)變化的模擬量，而計(jì)算機(jī)只能識(shí)別非連續(xù)變化的二進(jìn)制數(shù)字量，因此，信號(hào)在進(jìn)入計(jì)算機(jī)值錢必須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制數(shù)的形式存儲(chǔ)、計(jì)算、描繪曲線等，并以十進(jìn)制的形式反映在顯示器上。實(shí)驗(yàn)

40、結(jié)果后計(jì)算機(jī)根據(jù)程序的指令將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線打印輸出15。4.5被動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)原理被動(dòng)隔振是為了防止周圍環(huán)境的振動(dòng)通過(guò)機(jī)腳、支座傳至需要保護(hù)的精密儀器和設(shè)備，故又稱為防護(hù)隔振，其目的在于隔離或減小振動(dòng)的傳遞，也就是隔離響應(yīng)，使精密儀器和設(shè)備不受基座運(yùn)動(dòng)而引起的振動(dòng)的影響。被動(dòng)隔振的力學(xué)模型如圖6-2所示，被隔振的設(shè)備置于減震器上，將設(shè)備與振動(dòng)的地基隔離開(kāi)。設(shè)備的質(zhì)量為m，減震器的剛度為K、阻尼系數(shù)為C。 （4-10） （4-11）若振源為地基的垂直簡(jiǎn)諧振動(dòng)，由振動(dòng)理論可知： （4-12）式中：阻尼比 頻率比5力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)5.1力學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置建模的意義遼寧

41、工程技術(shù)大學(xué)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室是省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程中起著重要作用。其中各種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了優(yōu)越的平臺(tái)。但是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)階段仍然存在：實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、實(shí)驗(yàn)成本大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類不全等問(wèn)題。該虛擬實(shí)驗(yàn)建模的實(shí)現(xiàn)既可以減少資金的投入，豐富了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，又拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主導(dǎo)地位，它創(chuàng)設(shè)的虛擬情景的實(shí)驗(yàn)氛圍可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和求知欲，部分虛擬實(shí)驗(yàn)還可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的一些危險(xiǎn)。學(xué)生通過(guò)觀察現(xiàn)象、測(cè)得數(shù)據(jù)與誤差，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難于實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)都可以重復(fù)觀看學(xué)習(xí)，達(dá)到學(xué)會(huì)、學(xué)牢、學(xué)精的程度。5.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)虛擬建模5.2.1 矩形截面純彎

42、曲梁應(yīng)力分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、建模過(guò)程1）實(shí)驗(yàn)裝置：a、YD88便攜式超級(jí)應(yīng)變儀 b、游標(biāo)卡尺，直尺2)實(shí)驗(yàn)步驟：a、用游標(biāo)卡尺量取直梁的壁厚、高度等，用直尺量取計(jì)算所需尺寸。b、將直梁純彎曲段內(nèi)的電阻應(yīng)變片按順序分別接到應(yīng)變儀的各通道A、B插孔，將溫度補(bǔ)償片接到公共補(bǔ)償片的B、C插孔。c、調(diào)試好應(yīng)變儀及實(shí)驗(yàn)裝置，先將選點(diǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)到中性層上的應(yīng)變片所接的通道，將該通道的顯示數(shù)字調(diào)到零，然后加載荷，看儀器輸出應(yīng)變值是否有變化，若沒(méi)有變化，說(shuō)明直梁CD段處于純彎曲狀態(tài)，若有變化，說(shuō)明直梁沒(méi)有處于純彎曲狀態(tài)，此時(shí)卸掉載荷，調(diào)節(jié)一下梁的位置，然后再加載荷測(cè)試，反復(fù)幾次，直至中性軸上的應(yīng)變片的應(yīng)變值

43、加載荷和不加載荷時(shí)都沒(méi)有應(yīng)變值產(chǎn)生為止。d、按順序依次測(cè)得各應(yīng)變片的應(yīng)變值，填入表中，每級(jí)載荷為1kg，共加5級(jí)，每加一級(jí)記錄一次應(yīng)變度數(shù)，直到預(yù)定的最大載荷為止，卸載后，每一橋路應(yīng)變值再重復(fù)兩次。e、測(cè)試結(jié)束后，將儀器及實(shí)驗(yàn)裝置整理好。3)實(shí)驗(yàn)裝置建模過(guò)程：a、實(shí)驗(yàn)臺(tái)建模：圖5-1實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型Figure 5-1 Modeling benchb、傳感器建模：圖5-2傳感器模型Figure 5-2 Sensor modelingc、應(yīng)變儀建模：圖5-3應(yīng)變儀模型Figure 5-3 Strain gauge modeld、加載裝置建模：圖5-4加載裝置模型Figure 5-5 Add devic

44、e modele、實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-6實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-6 Experimental setup renderings5.2.2 測(cè)量電橋應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、建模過(guò)程1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備幾裝置：a、YD88便攜式超級(jí)應(yīng)變儀b、實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5-7圖5-7實(shí)驗(yàn)裝置Figure 5-7 Experimental setup2）實(shí)驗(yàn)步驟：a、熟悉應(yīng)變儀面板，將電源線接到儀器電源插孔，另一端暫時(shí)不通電。b、按要求將被測(cè)點(diǎn)的電阻片接入電橋插孔并將螺絲擰緊。單臂半橋連接時(shí)，將測(cè)量片接入某通道的A、B插孔，將溫度補(bǔ)償片接入同一通道的B、C插孔，面板上的“半橋、全橋”開(kāi)關(guān)放置半橋位置。雙臂半橋

45、連接時(shí)，將測(cè)量片接入某通道的A、B插孔，測(cè)量片接入同一通道的B、C插孔，面板上的“半橋、全橋”開(kāi)關(guān)放置板橋位置。全橋連接時(shí)，將測(cè)量片R，R，R，R分別接入某一通道的AB、BC、CD、DA插孔，面板上的“半橋、全橋”開(kāi)關(guān)放置全橋位置。c、已知電阻片的靈敏系數(shù)K=2.10，調(diào)整應(yīng)變儀后面面板上的系數(shù)為2.10。d、將應(yīng)變儀接通電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，指示燈亮，切換通道用LED顯示。將切換開(kāi)關(guān)擰到接有測(cè)量電橋的通道，該通道的指示燈亮，顯示屏幕上視為精密電位器，直到數(shù)碼顯示為零。e、給試件加載荷，每加一次，記錄一次應(yīng)讀讀數(shù)。直到預(yù)定載荷為止（上次測(cè)量重復(fù)三遍），將不同接橋方式的測(cè)量應(yīng)變讀數(shù)填入表中。f、測(cè)

46、試完畢后關(guān)電源，拆下接線，使儀器和實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)初始狀態(tài)。3）實(shí)驗(yàn)裝置建模過(guò)程a、實(shí)驗(yàn)臺(tái)建模：見(jiàn)圖5-1。b、傳感器建模：見(jiàn)圖5-2。c、應(yīng)變儀建模：見(jiàn)圖5-3。d、加載裝置建模：見(jiàn)圖5-4。e、試件建模：圖5-8試件模型Figure 5-8 Modeling specimenf、實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-9實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-9 Effect picture experimental device5.2.3 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、建模過(guò)程1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置：a、YD88便攜式超級(jí)應(yīng)變儀。b、游標(biāo)卡尺，直尺。2）實(shí)驗(yàn)步驟：a、用游標(biāo)卡尺和直尺分別量取計(jì)算時(shí)所需試件

47、尺寸。b、熟悉應(yīng)變儀面板各旋鈕功能，將電源線接到儀器電源插孔，另一端暫時(shí)不通電。c、接橋方式選用單臂半橋。將電阻應(yīng)變片按順序分別接入四個(gè)電橋通道的A、B插孔，將溫度補(bǔ)償片接入B、C公共補(bǔ)償插孔，并將螺絲擰緊。d、將應(yīng)變儀面板上“全橋”、“半橋”選擇開(kāi)關(guān)放在“半橋”位置。e、電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K=2.15，調(diào)整應(yīng)變儀后面面板上的靈敏系數(shù)為2.15。f、將應(yīng)變儀接通電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，指示燈，切換電橋通道用指示燈顯示。g、將測(cè)點(diǎn)選擇開(kāi)關(guān)分別擰緊到接有電阻應(yīng)變片電橋的通道，用小螺絲刀分別調(diào)節(jié)各指示燈對(duì)應(yīng)下方的電位器，直到顯示屏幕上的數(shù)碼顯示調(diào)為零。說(shuō)明此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。h、給試件加載荷，每次加

48、1kg，共加5kg。每加一級(jí)，分別記錄四個(gè)電橋的應(yīng)變度數(shù)，直到預(yù)定載荷為止。（上述測(cè)量過(guò)程重復(fù)三遍）。i、測(cè)試完畢后關(guān)掉電源，拆下接線，使儀器和實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)初始狀態(tài)。3）實(shí)驗(yàn)裝置建模過(guò)程：a、實(shí)驗(yàn)臺(tái)建模：見(jiàn)圖5-1。b、傳感器建模：見(jiàn)圖5-2。c、應(yīng)變儀建模：見(jiàn)圖5-3。d、加載裝置建模：見(jiàn)圖5-4。e、試件建模：圖5-10試件模型Figure 5-10 Specimen modelf、實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-11實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-11 Effect picture experimental device5.2.4 拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、建模過(guò)程1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試件：a、WD

49、S-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺。b、試件：低碳鋼與灰口鑄鐵。2）實(shí)驗(yàn)操作步驟：a、記錄實(shí)驗(yàn)前原始數(shù)據(jù)b、安裝試件、調(diào)試儀器、選擇實(shí)驗(yàn)方案、輸入原始數(shù)據(jù)、試驗(yàn)加載。c、測(cè)量斷后數(shù)據(jù)3）實(shí)驗(yàn)裝置建模過(guò)程a、傳感器建模：圖5-12傳感器模型Figure 5-12 Sensor modelb、數(shù)控電機(jī)及整體框架：圖5-13數(shù)控電機(jī)及整體框架模型Figure 5-13 Motor and the overall framework of the model of NCc、低碳鋼試件建模：圖5-14低碳鋼試件模型Figure 5-14 Model of low-carbon steel specime

50、nd、夾頭建模：圖5-15夾頭模型Figure 5-15 Chuck modele、壓縮試件建模：圖5-16壓縮試件模型Figure 5-16 Model of compression specimensf、拉伸實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-17拉伸實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-17 Effect picture tensile test device g、壓縮實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-18壓縮實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-18 Effect picture compression test device5.2.5 被動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、建模過(guò)程1）實(shí)驗(yàn)裝置：a、激振器b、傳感器c、空氣隔振器2

51、）實(shí)驗(yàn)步驟：a、實(shí)驗(yàn)將傳感器I、II分別置于簡(jiǎn)以梁和質(zhì)量塊上，用來(lái)側(cè)來(lái)弄個(gè)簡(jiǎn)支梁振幅和質(zhì)量塊振幅。并將I、II的輸出分別接入電荷放大器的輸入端，將電荷放大器出端與數(shù)據(jù)采集儀輸入端連接。b、采集儀通電前，“功率調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)針旋到頭，開(kāi)啟采集儀電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱五分鐘。c、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面上的“Vib，SYS”，點(diǎn)擊“振動(dòng)教學(xué)（E）”，點(diǎn)擊“振動(dòng)教學(xué)模塊”，點(diǎn)擊“被動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)”。d、在程控信號(hào)發(fā)生器上定額率區(qū)域和間隔，然后點(diǎn)擊“”，點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”。e、激振信號(hào)源輸出正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)式激振器，對(duì)簡(jiǎn)支梁激振。將激振頻率由低向高調(diào)節(jié)，分別測(cè)出簡(jiǎn)支梁振幅和質(zhì)量塊振幅，將數(shù)據(jù)記錄下。在剛度出現(xiàn)時(shí)，說(shuō)明剛滿足

52、時(shí)，這時(shí)的激振頻率就是隔振器能起到隔振作用的最低頻率。3）實(shí)驗(yàn)裝置建模過(guò)程：a、實(shí)驗(yàn)臺(tái)建模：圖5-19試驗(yàn)臺(tái)模型Figure 5-19 Model testb、傳感器建模：圖5-20傳感器模型Figure 5-20 Sensor modelc、激振器建模：圖5-21激振器模型Figure 5-21 Exciter model d、非接觸激振器建模：圖5-22非接觸激振器模型Figure 5-22 Non-contact vibration exciter modele、一體式計(jì)算機(jī)建模：圖5-23一體式計(jì)算機(jī)模型Figure 5-23 Integrated computer modelf、功率

53、放大器建模：圖5-24功率放大器模型Figure 5-24 Power amplifier model g、實(shí)驗(yàn)裝置效果圖：圖5-25實(shí)驗(yàn)裝置效果圖Figure 5-25 Effect picture experimental device6結(jié)論通過(guò)對(duì)三維建模技術(shù)及虛擬實(shí)驗(yàn)的闡述，明確了虛擬實(shí)驗(yàn)的重要性，力學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)現(xiàn)將成為今后力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段改革的重要發(fā)展方向。利用3dsmax三維建模軟件，完成了力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置虛擬建模及實(shí)驗(yàn)規(guī)律的動(dòng)畫模擬。實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的虛擬建模、材質(zhì)賦予、燈光、渲染及動(dòng)畫制作。每個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫都從三個(gè)不同的視角分別突出表現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)流程、操作步驟和所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所制作的

54、模型滿足虛擬實(shí)驗(yàn)的操作要求，實(shí)驗(yàn)規(guī)律動(dòng)畫效果逼真。此外，除了拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)具有顯著的實(shí)驗(yàn)規(guī)律動(dòng)畫外，本文中所涉及的其它實(shí)驗(yàn)，如彎曲、扭轉(zhuǎn)都通過(guò)3d建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)規(guī)律動(dòng)畫，能夠讓學(xué)生深刻的理解實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)的重要因素就是場(chǎng)景的真實(shí)度，一個(gè)好的場(chǎng)景會(huì)是學(xué)生有種身臨其境的感覺(jué)。利用3dsmax中的vray插件，接近真實(shí)的實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象場(chǎng)景動(dòng)畫的渲染效果。致謝論文的最終完成，也意味著我的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束?；厥? 年的時(shí)光，心里充滿了無(wú)限的感激之情。 感謝我的班主任劉杰老師，謝謝老師4 年來(lái)的關(guān)懷與教導(dǎo)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、生活中謙和的品質(zhì)與樂(lè)觀向上的人生態(tài)度讓我受益終身。今后必然謹(jǐn)記恩師的教導(dǎo)，在工作與生活中不斷完善自我。感謝我的論文指導(dǎo)教師肖曉春，謝謝您在我畢業(yè)設(shè)計(jì)期間對(duì)我的細(xì)心指導(dǎo)。論文的完成離不開(kāi)您認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)講解。感謝傳授我知識(shí)的各位老師，是你們讓我對(duì)教育技術(shù)學(xué)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，這讓我在今后的工作中必將受益匪淺。感謝各位審閱過(guò)我論文的老師，謝謝您對(duì)我的指導(dǎo)。感謝研究實(shí)踐中各位同學(xué)的協(xié)作及大力支持，感謝本文列出的和由于各種原因未列出的參考資料的作者，正是你們的慷慨幫助，我才能得以完成此文。感謝我的家人和朋友們，謝謝你們?cè)谖覍W(xué)業(yè)與生活上的支持和鼓勵(lì)。 參考文獻(xiàn)1楊磊.虛擬實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)管理平臺(tái)