機電產(chǎn)品虛擬設(shè)計與仿真匯編

1、 機電產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(shj)與仿真 姚進 教授(jioshu)共九十一頁 本次課的內(nèi)容(nirng)1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述2 虛擬樣機技術(shù)3 課程教學(xué)與考試共九十一頁1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述1.2虛擬現(xiàn)實體系結(jié)構(gòu)1.3虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用(yngyng)1.5虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來發(fā)展展望1 虛擬(xn)技術(shù)（ (Virtual Reality) ）共九十一頁定義和特征虛擬設(shè)計的結(jié)構(gòu)體系(tx)及支撐技術(shù)虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實的主要應(yīng)用領(lǐng)域1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)(jsh)概述共九十一頁定義(dngy)和特征概念 “虛擬現(xiàn)實”（virtual realit

2、y，簡稱vr）是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺(gnju)世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。共九十一頁共九十一頁桌面虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)沉浸的虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實分布式虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)類別：共九十一頁 桌面虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。桌面(zhumin)虛擬現(xiàn)實共九十一頁 高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種(y zhn)置身于虛擬境界之中的感覺。沉浸(ch

3、njn)的虛擬現(xiàn)實共九十一頁 增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境(hunjng)的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。 增強(zngqing)現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實共九十一頁 如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個(y )虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個(y )更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。 分布式虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)共九十一頁1.2 虛擬設(shè)計技術(shù)(jsh)結(jié)構(gòu)體系虛擬(xn)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共九十一頁虛擬(xn)設(shè)計技術(shù)結(jié)構(gòu)體系虛擬(xn)設(shè)計軟件技術(shù)虛擬環(huán)境中采用的軟

4、件有四類：1)語言類： 如C+、VBML等；2)建模軟件類：如AuoCAD、SolidWorks、ProE、CATIA等。3)應(yīng)用軟件類：指用戶自己的各種需求，選擇或者開發(fā)的自用軟件。4)通用的商用工具軟件包：如：WTK，VRML等。 共九十一頁虛擬(xn)設(shè)計技術(shù)結(jié)構(gòu)體系虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)硬件基礎(chǔ)（1）概論 虛擬現(xiàn)實常用的主要硬件設(shè)備包括：高性能計算機；廣角（寬視野）的立體顯示設(shè)備；觀察者（頭、眼）的跟蹤設(shè)備；人體姿勢的跟蹤設(shè)備；立體聲；觸覺、力學(xué)反饋；語音輸入輸出等硬件設(shè)備。（2）3D位置跟蹤器 在3D空間中移動對象共有三個平移參數(shù)和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。這些參數(shù)可組成一個6維的數(shù)據(jù)

5、集。在早期，人們主要采用機械方式測量上述參數(shù)；當(dāng)今，非接觸3D跟蹤技術(shù)已經(jīng)取代了機械測量。3D非接觸跟蹤技術(shù)包括磁場、超聲波、雷達和攝象機等。（3）傳感手套 數(shù)據(jù)手套可以幫助計算機測試人手的位置與指向，從而可以實時的生成手與物體接近和遠離的圖像。但迄今為止，商品化的數(shù)據(jù)手套都不提供觸覺反饋作用。共九十一頁常見的數(shù)據(jù)(shj)手套共九十一頁虛擬設(shè)計技術(shù)(jsh)結(jié)構(gòu)體系（4）三維鼠標(biāo) 普通(ptng)的鼠標(biāo)只能感受在平面的運動，而立體鼠標(biāo)能夠感受用戶在六個自由度的運動。共九十一頁虛擬設(shè)計技術(shù)(jsh)結(jié)構(gòu)體系（5）數(shù)據(jù)衣 數(shù)據(jù)衣采用與數(shù)據(jù)手套相同的光纖彎曲傳感技術(shù)(jsh)，將大量的光纖安裝在一

6、個緊身衣服上，它能測量肢體的位置，然后用計算機重建出圖像。目前，數(shù)據(jù)衣還不是真正的商品，還在進一步研究之中。共九十一頁虛擬(xn)設(shè)計技術(shù)結(jié)構(gòu)體系（6）觸覺和力反饋的裝置 為了產(chǎn)生虛擬的觸摸感覺(gnju)，研究人員開發(fā)了觸覺和力反饋裝置。雖然它們的樣式和大小各不相同，但它們大致上做相同的事情：推我們的手臂，并把機械或動力信號記錄下來。力反饋的裝置相對于觸覺要容易，國際上已有一些機械的力反饋裝置。（7）立體顯示設(shè)備 頭盔式顯示器HMD；特殊的頭部顯示器BOOM（雙目全方位監(jiān)視器）；立體眼鏡（用戶戴在眼睛上能從顯示器上看到立體的圖像）；立體投影顯示；3D顯示器。共九十一頁頭盔(tu ku)式顯示

7、器HMD共九十一頁虛擬設(shè)計(shj)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系（8）3D聲音生成器 “3D聲音”不是立體聲的概念，它是指由計算機生成的、能由人工設(shè)定聲源在空間(kngjin)中三維位置的一種聲音。3D聲音生成器是利用人類定位聲音的特點生成出3D聲音的一套軟硬件系統(tǒng)。 人類進行聲音的定位依據(jù)兩個要素：兩耳時間差和兩耳強度差 共九十一頁其他(qt)硬件雙筒全方位顯示器(Binocular Omni-Orientation MonitorBOOM）立體(lt)投影顯示立體眼鏡等等共九十一頁1.3 虛擬現(xiàn)實的發(fā)展(fzhn)歷程與現(xiàn)狀發(fā)展(fzhn)歷程 1965年Sutherland提出1966年開始HDM的研究

8、1968年研制出第一臺HMD1975年Myron Krueger提出AR的思想1985年研制出數(shù)據(jù)手套1986年VIEW系統(tǒng)研制成功1990年Siggraph會議確定VR技術(shù)的發(fā)展方向20世紀(jì)90年代以來VR應(yīng)用到眾多領(lǐng)域共九十一頁國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀美國宇航局(NASA) 美國宇航局(NASA)的Ames實驗室完善了HMD，并將VPL的數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品。 NASA完成的一項著名的工作是對哈勃太空望遠鏡的仿真?，F(xiàn)在NASA已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓(xùn)練(xnlin)系統(tǒng)、空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。ASA的Ames現(xiàn)在正在致力于

9、一個叫“虛擬行星探索(VPE)”的實驗計劃，這一項目能使“虛擬探索者(Virtual Explorer)”利用虛擬環(huán)境來考察遙遠的行星，他們的第一個目標(biāo)是火星。 虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀共九十一頁北卡羅來納大學(xué)(UNC)的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學(xué)。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。在顯示技術(shù)上 UNC開發(fā)了一個幫助用戶在復(fù)雜(fz)視景中建立實時動態(tài)顯示的并行處理系統(tǒng)叫做像素飛機(Pixel Planes)。麻省理工學(xué)院(MIT)是一個一直走在最新技術(shù)前沿的科學(xué)研究機構(gòu)。1985年M1T成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。此外，M1T還在

10、進行“路徑規(guī)劃”與“運動計劃”等研究。 SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”，研究現(xiàn)有VR技術(shù)的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術(shù)對軍用飛機或車輛駕駛的訓(xùn)練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。此外，SRI還利用遙控技術(shù)進行外科手術(shù)仿真的研究。虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀共九十一頁華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室(HIT Lab)在新概念的研究中起著領(lǐng)先作用，同時也在進行感知、知覺、認知和運動控制能力的研究。 HIT將VR研究引人了教育、設(shè)計、娛樂和制造領(lǐng)域。例如(lr)，波音公司的V22運輸機就是先在實驗室中造出虛擬機后再投人生產(chǎn)的。歐共體(CEC)認為VR是

11、一門新興技術(shù)，已經(jīng)組織了幾次評價VR的專題活動。虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Windustries位于Leicester，是國際VR界的著名開發(fā)機構(gòu)，正在開發(fā)一系列 VR產(chǎn)品，主要是娛樂業(yè)方面(fngmin)的。正在計劃推出新型輕量顯示頭盔和功能強大的圖形引擎(Graphics Engine)。British Aerospace(BAE)的許多部門參與了VR，其中最有成效是在Roy Kalawsky教授領(lǐng)導(dǎo)下，利用VR技術(shù)設(shè)計高級戰(zhàn)斗機座艙，BAE開發(fā)的大項目VECTA(Virtual Environment Con

12、figurable Training Aid)是一個高級測試平臺，用于研究VR技術(shù)以及考察用VR代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬器方法的潛力。VECTA的子項目RAVE(Real And Virtual Environment)就是專門為在座艙內(nèi)訓(xùn)練飛行員而研制的，已在1992年的Famborough航空展示會上進行了首次演示。 共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Dimension International是桌面VR的先驅(qū)，盡管桌面VR是非沉浸式的，但是與那些可視效果和動態(tài)質(zhì)量差的沉浸式(Immersive)系統(tǒng)相比，許多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的用戶更喜歡該公司基于PC486系統(tǒng)提供的優(yōu)質(zhì)圖像和

13、實時交互特性，該公司已生產(chǎn)了一系列商用VR軟件包，都命名為Superseape。Dimension還與電視公司合作開發(fā)Cyberzone(宣稱是世界上第一個VR電視游戲節(jié)目)。英國的高級機器人研究有限公司(ARRL)關(guān)于遠程呈現(xiàn)的實驗研究主要包括VR技術(shù)重構(gòu)問題。ARRL與Overview公司合作開發(fā)了一系列頭控立體攝像系統(tǒng)，同時ARRL還與Airmuscle公司合作首先在手套和3D6D鼠標(biāo)上使用了觸覺反饋。ARBL在VR方面的工作仍在繼續(xù)，除了高級機器人和遙現(xiàn)場領(lǐng)域外還包括發(fā)動機設(shè)計、CAD軟件包轉(zhuǎn)換、煙霧和爆炸的建模與可視化、VR多媒體集成系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)(yxu)可視化以及納米技術(shù)(Nanot

14、echnology)。共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在德國有大約50個Fraunhofer研究所，Darmstadt的Fraunhofer計算機圖形研究所(IGD-FHG)就是(jish)其中之一。其中大多數(shù)研究所已著手VR項目研究，如斯圖加特的IPA-FHG的遙機器人測試平臺。IGD的研究開發(fā)工作集中在計算機圖形學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域，如可視模擬、可視化、圖像處理和VR等，并對那些需要復(fù)雜底層結(jié)構(gòu)、技術(shù)支持和專業(yè)性的中長期項目實現(xiàn)承包管理方法。IGD-FHG在1992年建立了一個VR演示中心，用于評估VR對未來系統(tǒng)和界面的影響，該中心的任務(wù)是在測試平臺環(huán)境中給用戶和生產(chǎn)者提

15、供通向先進的可視化、模擬技術(shù)和VR技術(shù)的途徑。共九十一頁虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀：北京航天航空大學(xué)計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究的單位之一，他們首先進行了一些基礎(chǔ)研究，并著重研究虛擬環(huán)境中物體(wt)物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現(xiàn)與有關(guān)單位的遠程連接。 共九十一頁虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀浙江大學(xué)CA

16、D&CG國家重點實驗室在基于圖像的虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬環(huán)境的建立、多細節(jié)層次模型、真實感三維重建、基于幾何和圖像的混合式圖形實時繪制算法等領(lǐng)域開展了深入的研究，在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛(gungfn)的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機系已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題，并正在研究人說話時頭勢和手勢動作，語音和語調(diào)的同步等。清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究，例如球面屏幕顯示和圖像隨動、克服立體圖閃爍的措施和深度感試驗等方面都有不少獨特的方法。共九十一頁虛擬現(xiàn)實的國內(nèi)外研究(ynji)現(xiàn)狀西安交通大學(xué)信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關(guān)

17、鍵技術(shù)立體顯示技術(shù)進行了研究。他們在借鑒(jijin)人類視覺特性的基礎(chǔ)上提出了一種基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼新方案，并獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度。中國科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實中視覺接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實中的體視圖像對算法回顯及軟件接口。在硬件開發(fā)上已經(jīng)完成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經(jīng)實現(xiàn)商品化。北方工業(yè)大學(xué)CAD研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動畫技術(shù)制作的科教片相似就出自該中心。 共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀西北工業(yè)大學(xué)CADCAM研究中心、上海交通大學(xué)CIM研究所、上海交通大學(xué)圖像處理及模式識別研

18、究所、國防科技大學(xué)計算機研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計算機系、華中科技大學(xué)CADCAM中心、華中科技大學(xué)仿真中心、武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所及汽車學(xué)院、廣東工業(yè)大學(xué)等單位都進行了一些有成效的研究工作和成功嘗試。其中，上海交通大學(xué)CIM研究所承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重點項目“虛擬(xn)制造的理論與技術(shù)基礎(chǔ)”，在有關(guān)理論與方法、系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用、虛擬(xn)環(huán)境建設(shè)方面做了很好的工作。共九十一頁1.4虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域工程應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車制造業(yè)的廣泛應(yīng)用。美國通用汽車公司的CAVE福特公司的虛擬工廠 英國航空實驗室的虛擬轎車(jioch)客艙 雷諾汽車公司的“ci

19、ty Fleet”共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域工程應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在飛行仿真領(lǐng)域的應(yīng)用 飛行員的操縱艙系統(tǒng)顯示外部圖像的視覺(shju)系統(tǒng)產(chǎn)生運動感的運動系統(tǒng)計算和控制飛行運動的計算機系統(tǒng)。 共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域工程應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(jsh)在虛擬實驗的應(yīng)用虛擬風(fēng)洞 虛擬物理實驗室 虛擬電力控制室 共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用“虛擬現(xiàn)實”裝置 虛擬現(xiàn)實技術(shù)分析(fnx)神經(jīng)系統(tǒng)分子造型共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用(yngyng)建筑工程學(xué)考古

20、學(xué)醫(yī)學(xué)教育導(dǎo)游培訓(xùn)生物教育歷史教育化學(xué)和物理教育社會科學(xué)共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)的主要應(yīng)用領(lǐng)域軍事應(yīng)用步兵訓(xùn)練(xnlin)系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)共九十一頁虛擬現(xiàn)實(x n xin sh)技術(shù)的應(yīng)用實例網(wǎng)上虛擬(xn)商城共九十一頁共九十一頁共九十一頁山城(shnchng)自駕游共九十一頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用(yngyng)實例虛擬工人進入飛機內(nèi)部檢查管道(gundo)的場景 共九十一頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)(jsh)的應(yīng)用實例美國國家航空航天局(NASA)就建立了這樣一個虛擬風(fēng)洞系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用三維工作站產(chǎn)生空氣流動場的可視化圖象，用戶通過BOOM顯示器和數(shù)據(jù)手套與虛擬場景進行交互。數(shù)據(jù)手套

21、用作煙的生成器，以便用戶能觀察到局部(jb)氣流的流動情況。共九十一頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用(yngyng)實例美國Navstar公司是一家卡車制造商，它利用虛擬油漆車間來安排噴漆機械手的位置，使其發(fā)揮最高功效。這套UltraPaint軟件是Deneb公司提供的，它能對多個機械手和噴漆槍的運動(yndng)軌跡和動作以及噴漆工藝參數(shù)進行仿真，如圖示。 共九十一頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)(jsh)的應(yīng)用實例共九十一頁1.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)(jsh)未來發(fā)展展望( 1) 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。 虛擬環(huán)境的建立是VR 技術(shù)的核心內(nèi)容, 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的(md)是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù), 并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境

22、模型。( 2) 實時三維圖形生成和顯示技術(shù)。 三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟, 而關(guān)鍵是怎樣“實時生成”, 在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上, 如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外, VR 還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要, 有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。共九十一頁( 3) 新型交互設(shè)備的研制。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)人能夠自由與虛擬世界對象進行交互, 猶如(yur)身臨其境, 借助的輸入輸出設(shè)備主要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此, 新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。共

23、九十一頁( 4) 智能化語音虛擬現(xiàn)實建模。 虛擬現(xiàn)實建模是一個比較繁復(fù)的過程, 需要大量的時間和精力。如果(rgu)將VR 技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起來, 可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù), 然后利用計算機的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進行設(shè)計、導(dǎo)航以及評價, 將模型用對象表示出來, 并且將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來, 最終形成系統(tǒng)模型。人工智能一直是業(yè)界的難題, 人工智能在各個領(lǐng)域十分有用, 在虛擬世界也大有用武之地, 良好的人工智能系統(tǒng)對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。共九十一頁( 5) 分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)

24、的展望。 分布式虛擬現(xiàn)實是今后虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著眾多DVE 開發(fā)工具及其系統(tǒng)的出現(xiàn), DVE 本身的應(yīng)用也滲透到各行各業(yè), 包括醫(yī)療、工程、訓(xùn)練與教學(xué)以及協(xié)同設(shè)計。仿真訓(xùn)練和教學(xué)訓(xùn)練是DVE 的又一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域, 包括虛擬戰(zhàn)場、輔助教學(xué)等。另外, 研究人員還用DVE 系統(tǒng)來支持協(xié)同設(shè)計工作。近年來, 隨著Internet 應(yīng)用的普及, 一些面向Internet 的DVE 應(yīng)用使得位于(wiy)世界各地多個用戶可以進行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來,采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫, 形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環(huán)境, 參與者可自由地進

25、行交互作用。特別是在航空航天中應(yīng)用價值極為明顯, 因為國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域, 分布式VR 訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng), 這樣不僅減少了研制費和設(shè)備費用, 減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。共九十一頁2. 虛擬樣機(yn j)技術(shù)2.1虛擬樣機與物理原型及其不足2.2 虛擬樣機定義2.3 VP工具(gngj)分類2.4原型機所起的作用與Vp方法2.5虛擬樣機軟件的原理分析2.6 ADAMS例子共九十一頁 2.1虛擬(xn)樣機（Virtual Prototype)機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，以產(chǎn)品的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在計算機中對模型的各種動態(tài)性能進行分析、測試和評估，并根據(jù)

26、分析結(jié)果改進(gijn)設(shè)計方案，從而達到以虛擬產(chǎn)品模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機試驗的目的涉及技術(shù)：產(chǎn)品三維建模技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、有限元分析技術(shù)、機電液控制技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)分析理論等。共九十一頁物理原型(yunxng)及其不足傳統(tǒng)原型(yunxng)-材料去除法手工手工+機加工完全自動化加工快速原型-材料添加法混合原型-包括材料去除和添加物理原型的不足共九十一頁2.2虛擬樣機(yn j)定義Michigan州立大學(xué)的Gowda提出：“VP是一種利用虛擬現(xiàn)實和其他信息技術(shù)建立的數(shù)字原型。Pennsylvania大學(xué)的Song提出：”VP是指通過軟件，在產(chǎn)品設(shè)計、定量性能分析

27、等不同階段對產(chǎn)品與用戶之間交互的仿真，其中特別強調(diào)人和產(chǎn)品間的交互作用以及虛擬原型在產(chǎn)品設(shè)計和分析中的作用。BMW公司的Antonino等認為VP采用軟件原型取代物理原型，并對原型的各種幾何特性和功能特性進行仿真。虛擬樣機技術(shù)上一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型(mxng)的數(shù)數(shù)字化設(shè)計方法，其在產(chǎn)品全生命周期的各個階段，如設(shè)計、加工、銷售以及報廢等均可在功能、性能和行為上模擬真實產(chǎn)品。共九十一頁2.3 VP工具(gngj)分類機械設(shè)計，如二維/三維繪圖，以及實體建模形狀設(shè)計和樣式的革新，以及根據(jù)自由曲線進行復(fù)雜形狀的設(shè)計分析和仿真求解，包括壓力分析，根據(jù)質(zhì)量分布(fnb)和載荷分布(fnb)進行的

28、設(shè)計優(yōu)化以及運動學(xué)、動力學(xué)仿真共九十一頁2.4 原型機所起的作用(zuyng)與方法結(jié)構(gòu)原型（主要用于評估外觀、形式(xngsh)和匹配關(guān)系）功能原型結(jié)構(gòu)和功能原型，以預(yù)測試制的產(chǎn)品或最終的產(chǎn)品可能發(fā)生的問題共九十一頁Vp方法(fngf)根據(jù)建模方法和目的，VP方法可以分為5個大類可視化機械結(jié)構(gòu)組合(zh)的匹配性和干涉性功能和性能的測試和驗證加工以及組裝操作的評估人自身因素的分析共九十一頁可視化模型(mxng)用于檢查產(chǎn)品的形式以及外觀信息交流（不同用戶，如市場銷售、用戶、管理者、產(chǎn)品開發(fā)團隊、工程師、維修人員等）提供真實感的產(chǎn)品外觀，還可提供對任何尺寸的復(fù)雜組裝體動態(tài)導(dǎo)航(dohng)的能

29、力（變速行走或飛行），是其能對模型進行更加有效的觀察。共九十一頁匹配(ppi)性和干涉性原因：由于不可能加工零部件完全達到精確(jngqu)的尺寸，在設(shè)計時必須考慮尺寸的公差，以適應(yīng)加工過程中固有的不確定因素。匹配性和干涉性檢查可以減少不合理的匹配帶來的打磨或再加工的費用VP可以能以很高的精度和速度進行匹配性和干涉性的自動檢查，并列出所有的干涉情況?？梢赃M行動態(tài)干涉檢查共九十一頁功能和性能(xngnng)驗證實物測試與虛擬測試混合的方法結(jié)構(gòu)和物理現(xiàn)象分析有限元分析-通過分析材料與結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系來預(yù)測結(jié)構(gòu)的行為（結(jié)構(gòu)完整性分析、聲學(xué)分析、電磁分析等）計算流體力學(xué)-模擬流體的流動和熱傳遞。運動

30、分析-二維、三維機構(gòu)組合的運動運動學(xué)性能-在不考慮質(zhì)量和力特性的情況下，決定速度、加速度、位置、分布以及旋轉(zhuǎn)(xunzhun)等。動力學(xué)-需要額外考慮組合件中組成單元之間質(zhì)量和力。共九十一頁可制造性的評估可加工性過程規(guī)劃驗證加工過程仿真組裝分析組裝規(guī)劃生成組裝系統(tǒng)的設(shè)計加工的管理-經(jīng)濟型和邏輯性以及產(chǎn)品控制需求人為因素分析采用全尺寸(ch cun)產(chǎn)品樣機和真人大小模型進行產(chǎn)品安全性、人機工程、可視性和操控性評估。共九十一頁2.5虛擬樣機軟件的原理(yunl)分析機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析(fnx)是其研究的重要內(nèi)容。機械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析：外力作用下各構(gòu)件的受力和強度問題。機械系統(tǒng)的運動學(xué)分

31、析：系統(tǒng)中一個或多個構(gòu)件的絕對或相對位置與時間存在給定的關(guān)系，通過求解位置、速度和加速度的非線性方程組求得其余構(gòu)件的位置、速度和加速度與時間的關(guān)系。機械系統(tǒng)的動力學(xué)分析：分析外力作用下的系統(tǒng)運動。一般可以確定與時間無關(guān)的力作用下的平衡位置。共九十一頁虛擬樣機(yn j)軟件包含的功能運動學(xué)和動力學(xué)基本理論及算法產(chǎn)品造型(zoxng)與顯示技術(shù)有限元分析技術(shù)軟件編程及接口技術(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計及分析技術(shù)優(yōu)化分析技術(shù)共九十一頁虛擬(xn)樣機軟件ADAMSADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system）由美國Mechanical Dynami

32、cs Inc.開發(fā)核心模塊：用戶界面（view)，求解器（solver）和后處理（PostProcessor）功能擴展模塊：試驗設(shè)計與分析，振動分析，耐用性分析，液壓系統(tǒng)(xtng)，高速動畫，系統(tǒng)(xtng)模態(tài)分析，數(shù)字化裝配回放專業(yè)模塊：轎車模塊，概念化懸架模塊，動力傳動系統(tǒng)模塊，駕駛員模塊，經(jīng)驗動力學(xué)模型，柔性體生成器模塊，輪胎模塊，配氣機構(gòu)模塊，鐵道模塊工具箱：虛擬試驗工具箱，鋼板彈簧工具箱，軟件開發(fā)工具包，履帶/輪胎式車輛工具箱，模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)與疲勞工具包，齒輪傳動工具箱，飛機起落架工具箱接口模塊：Pro/e接口，圖形接口模塊，CATIA專業(yè)接口模塊，控制模塊，柔性分析模塊共九十一頁

33、用戶界面(yn h ji min)ADAMS/view 交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、X-Y曲線圖處理、結(jié)果(ji gu)分析、數(shù)據(jù)打印等。分層建模，具有零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，支持布爾運算，parosolid作為實體建模的核心。具有自定義的高級編程語言，支持命令行輸入命令和C+語言。重點學(xué)習(xí)部分共九十一頁ADAMS/Solver可以自動生成機械系統(tǒng)結(jié)算模型及方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。存在各種建模和求解選項，以便精確有效(yuxio)地解決各種工程應(yīng)用問題?？奢敵鲇脩糇远x的數(shù)據(jù)可以通過運動副、運動激勵、高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束可求解運動服

34、之間的作用力和反作用力共九十一頁ADAMS/Postprocessor輸出各種動畫、數(shù)據(jù)、曲線可進行曲線編輯及數(shù)字信號處理完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：均值，極值、斜率(xil)具有豐富的數(shù)據(jù)處理能力：曲線的代數(shù)運算、反向、偏置、縮放、編輯、濾波等共九十一頁ADAMS/Insight 基于網(wǎng)頁技術(shù)，將仿真試驗結(jié)果放在網(wǎng)上用戶通過仿真試驗及專業(yè)的試驗結(jié)果分析工具(gngj)，精確地預(yù)測所設(shè)計的復(fù)雜機械系統(tǒng)中各種工作條件下的性能。提供全參數(shù)、部分參數(shù)法、對角線法等試驗設(shè)計方法。最佳的試驗方案取決于以下因素：試驗參數(shù)的數(shù)量、參數(shù)的特性、預(yù)期的產(chǎn)品性能和工作過程、試驗的總體目標(biāo)等。共九十一頁ADAMS/Vi

35、bration 在模型的不同測試點進行受迫響應(yīng)的頻域分析將ADAMS的線性模型轉(zhuǎn)入Vibration模塊中，為振動分析開辟輸入/輸出通道定義頻域輸入函數(shù)產(chǎn)生用戶定義的力頻譜求解頻帶范圍評價頻響函數(shù)的幅值大小及相位特征(tzhng)動畫演示受迫響應(yīng)及各模態(tài)響應(yīng)共九十一頁ADAMS/Durablility解決(jiju)“產(chǎn)品何時報廢或零部件何時失效”問題支持耐久性的相關(guān)國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，支持兩種時間歷程文件格式nSoft和MTS的RPC3?？芍苯幼x入其文件數(shù)據(jù)，也可寫入nSoft耐用性分析軟件可以進行應(yīng)力壽命、局部應(yīng)變壽命、裂隙擴展?fàn)顩r、多軸向疲勞及熱疲勞特征、振動響應(yīng)、各種焊接結(jié)構(gòu)強度等分析

36、。共九十一頁ADAMS/Hydraulics仿真(fn zhn)包括液壓回路在內(nèi)的復(fù)雜機械系統(tǒng)的動力學(xué)性能可精確地對由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的復(fù)雜機械系統(tǒng)，如工程機械、汽車制動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機起落架?？梢越⒁簤合到y(tǒng)回路的框圖，通過液壓驅(qū)動元件將其連接到機械系統(tǒng)模型中，最后選取適當(dāng)?shù)那蠼馄鞣治鱿到y(tǒng)的性能。利用該模塊，可以建立機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間相互作用的模型，設(shè)置系統(tǒng)的運行特性，進行各種靜態(tài)、模態(tài)、動態(tài)分析。共九十一頁ADAMS/Animation可選模塊，能使用戶借助于增強透視、半透明、彩色編輯及背景透視等方法，對生成的動畫進行精加工。用戶可選擇(xunz)不同的光源，交互移動、對準(zhǔn)和改變光源強度，還

37、可將攝像機置于不同的位置、角度同時觀察仿真過程，從而得到更完善的運動圖像。提供干涉檢測工具，可以動態(tài)顯示仿真過程中運動部件之間的接觸干涉，幫助用戶觀察整個機械系統(tǒng)的干涉狀況，也可以動態(tài)測試兩個選定的運動部件在仿真過程中距離的變化。共九十一頁ADAMS/DMU Replay針對CATIA推出的模塊?？蓪DA,MS的分析結(jié)果導(dǎo)入到CATIA中，調(diào)整ADAMS部件名稱使之與CATIA幾何體相一致，以便(ybin)于顯示用裝配的CATIA幾何體動畫顯示仿真結(jié)果在運動情況下，產(chǎn)生幾何體部件的包絡(luò)線，執(zhí)行動態(tài)干涉檢查共九十一頁ADAMS/CarMDI與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合

38、作開發(fā)的整車設(shè)計軟件包。可以快速構(gòu)造高精度的整車虛擬樣機（車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動系統(tǒng)等）并進行仿真，通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗工況下（如天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗等）整車動力學(xué)相應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對物理樣機的依賴。模塊包括：整車動力學(xué)軟件包、懸架設(shè)計軟件包以及概念化懸架設(shè)計模塊。仿真工況包括：方向盤階躍、斜坡和脈沖輸入(shr)、蛇形穿越試驗、漂移使用、加速、制動、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向等。共九十一頁Suspension Design包括以特征參數(shù)（前束、定位參數(shù)、速度）表示的概念式懸架模型，定義在任意載荷和輪胎條件下的輪心位置

39、和方向，從而快速建立包括橡膠襯套等在內(nèi)的柔體懸架模型。全參數(shù)的面板建模方式，借助懸架面板，設(shè)計師可以完成原始(yunsh)的懸架設(shè)計方案，再通過調(diào)整懸架參數(shù)（如連接點位置、襯套參數(shù)等）就可以快速確定懸架方案。可以進行的懸架實驗包括：單輪激振試驗、雙輪同向激振試驗、轉(zhuǎn)向試驗和靜載試驗等。共九十一頁CSM:概念化懸架模塊(m kui)通過預(yù)先定義懸架運動時或受外力作用時車橋的軌跡，可以(ky)實現(xiàn)懸架的運動分析。利用CSM，不需要建立詳細的多體懸架模型，就可以研究系統(tǒng)級的車輛動力學(xué)性能不需要建立詳細的多體懸架模型，就可以研究系統(tǒng)級的車輛動力學(xué)性能。共九十一頁接口(ji ku)模塊與Pro/e的接口

40、模塊MECHANISM/Pro。圖形接口模塊ADAMS/Exchange，利用IGES,STEP, STL, DWG/DXF等產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式實現(xiàn)ADAMS與其他數(shù)字化軟件(run jin)之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。與CATIA的接口模塊CAT/ADAMS，將虛擬樣機技術(shù)有機地融入到CATIA中。共九十一頁 ADAMS是世界上應(yīng)用最廣泛且最具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件。工程師、設(shè)計人員利用ADAMS軟件能夠建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)性能。 利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型。該模型既可以是在ADAMS軟件中直接建造的幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中傳過來的造型逼真的