引论：我们为您整理了13篇三维仿真论文范文，供您借鉴以丰富您的创作。它们是您写作时的宝贵资源，期望它们能够激发您的创作灵感，让您的文章更具深度。
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通用三维仿真引擎的功能是达到图形渲染、交互控制和网络通信的目的。它是由资源管理、场景管理和动画系统三个子系统组成的。通用三维仿真引擎与逻辑操作无关，它主要是为了实现三维虚拟场景的重建和环境渲染。电力仿真系统与通用三维仿真引擎共同组成了一个完整的三维仿真培训系统。
二、系统实现的主要技术要求
1仿真对象和电气属性的同步
在三维虚拟环境下，为了保证虚拟对象和行为的一致性，往往需要借助事件、属性、对象的三位一体机制来实现。电气设备的虚拟设计是电力安全三维仿真培训系统的主要对象，除了颜色、缩放比例等常见的属性外，还需要对仿真对象的电气闭合状态和相关参数等重要的属性进行逻辑设计。当虚拟操作导致电气设备的闭合状态发生变化时，电气设备的相关属性就会发生变化，最终使得电气设备的参数发生变化。当信息传递到设备管理器时，就可以重新计算电网的参数来更新事件的状态。
2逻辑控制与复杂操作的对应关系
电力安全三维仿真培训系统的操作过程应当全面支持操作者的各种开放式操作行为。简单来讲，虚拟的操作逻辑应当及时地判断和反馈操作者的操作行为。开放式的操作控制逻辑与封闭式的操作控制逻辑相比，其应变能力和复杂程度都大幅提高了，在这种操作控制逻辑下，用户可以根据自己的操作习惯灵活操作，避免复杂的操作流程带来一定的操作压力。在错误的操作下，操作系统也会及时给予警告或提示，这样便可以更好地实现智能化培训的目的。
3大规模场景的情境渲染技术
由于电力安全培训的三维虚拟场景范围比较大，需要仿真对象根据培训人员的操作产生动态移动，这就要求在具体的逻辑设计中，不能把全部的仿真对象放置在同一个渲染列表中，以免影响操作过程控制。在实际设计中，可以将仿真对象分为可渲染对象和可移动对象两种。可渲染的仿真对象一般是指场景对象的模型数据，它只要求有显示的功能，而可移动仿真对象则需要能够在三维坐标中来回移动。当场景数量较大时，可以分别优化处理静态场景和动态场景。只更新动态场景的空间信息而忽略了静态场景的空间信息，不仅能够提高渲染速率，还可以有效地节约计算资源。
4三维交互模式的实现
三维交互模式的首要功能是当用户轻点三维场景中的某一个物体时，系统就可以快速地检测到该信息的传送情况，并快速反应，从而实现三维交互模式中的人机交互。三维物体是根据射线相交的原理实现的，当鼠标点击的位置发射一条平行于视线的射线与场景射线相交计算时，交点即该物体的位置标识。常用的三角形检测方式往往会占用较多的计算资源，影响定位速率。为了避免这种情况的发生，可以采取包围球体的检测方式与三角形检测方式混合使用的方法，提高检测速率。
三、三维仿真培训系统的应用
根据上面的整体架构设计和主要问题分析，可以初步实现包含场景编辑器、逻辑编辑器、地图编辑器在内的三维仿真培训系统。场景编辑器可以实现三维场景的构建功能，逻辑编辑器可以将复杂的逻辑语言转化为可视性的操作过程，实现虚拟设备的响应控制功能，而开发人员则可以通过地图编辑器实现三维场景的布置功能，并且可以及时查看编辑结果。
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2奖学金额度
在全国高校评选出使用LMS Imagine.Lab AMESim一维仿真平台和LMS Virtual.Lab三维仿真平台进行课题研究的优秀在读研究生各5名，给予每人5 000元的奖学金资助.
3评定条件
（1）必须是国内高校在校全日制研究生（包括硕士研究生和博士研究生），在读期间的学年平均成绩优秀，无不及格科目.
（2）使用LMS Imagine.Lab AMESim一维仿真平台或LMS Virtual.Lab三维仿真平台进行研究生毕业论文相关的课题研究，且课题内容具有实际工程背景支持，最好结合实际横向项目的合作课题.
（3）论文命题能推动行业核心技术进步或具有明显创新研究价值.
（4）应用领域包含但不限于汽车、航空航天、船舶、兵器、交通、能源、通信、电子、化工、工程机械、家用电器、轻工业、医药和IT等.
（5）论文完成后应署名LMS高校奖学金资助支持，并共享论文电子版.
（6）优先考虑LMS Imagine.Lab AMESim或LMS Virtual.Lab软件的高校正式用户.
4申请流程
（1）对符合评审条件的申请人，根据申报项目填写“LMS仿真解决方案高校奖学金申请表”，并必须经负责导师签字确认和学校认可.
（2）LMS会尽快与申请人确认，并根据书面资料组织评审.
（3）按照评审程序的规定公布评审结果并发放奖学金.
5评审程序
（1）具体评定工作由LMS负责，组织LMS公司专业技术人员和行业专家组成动态评定小组，进行综合评审.
（2）评审结果将在LMS官方网站公布，并于每年的LMS用户大会统一发放该奖学金.2013年LMS用户大会将于6月24-25日在青岛举行.
（3）针对硕士研究生和博士研究生的论文差异进行适度把握，原则上硕士5篇、博士5篇，但暂不做硬性区分，即名额之间可适度调剂.
（4）对所有入选的在读学生，LMS将采用租或借等形式给予最新版本LMS Imagine.Lab AMESim或LMS Virtual.Lab软件的友情赞助支持，并欢迎获奖者毕业后加入LMS公司.
6申请截止时间
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1 引言
《汽车设计》是车辆(汽车)工程专业或方向的一门专业核心课程，也是一门实践性非常强的课程。该课程任务是使学生学会分析和评价汽车及其各总成的结构和性能，合理选择结构方案及有关参数，并学到一些汽车主要零部件的设计和计算方法和总体设计的一般方法，为从事汽车技术工作打下良好的基础。然而《汽车设计》课程因为涉及内容广泛、概念众多、公式量大，因此采用传统的教学模式已经不能适应社会需求的发展[1]。目前我校汽车设计课程在教学中存在教学过于理论化，学生对于其理论知识的学习深度不够，知识难以接受理解。实践教学相对理论教学滞后，因此有必要对课程教学方法进行改革。
2教学方法改革
2.1多媒体演示教学
将多媒体教学课件引入到汽车设计理论教学中，具有以下几个优点：①图文并茂；它既能通过图形的讲解去理解结构的设计原理，又能通过文字对内容的归纳进行理论教学[2]。②信息量大、满足教学要求；枯燥的理论教学激发不了学生对课程内容的兴趣，通过课件可以引入很多实际设计中的知识从而增强学生的学习激情。③三维动画能清楚反映总成部件的相互运动情况，从而更好地加深学生对知识的理解。如手动变速器的设计教育论文，由于涉及众多齿轮的设计公式，教师很难讲授清楚，学生理解起来也很吃力。通过计算机课件，把变速器的设计过程通过动画直观展示，使学生形成清晰的感官认识，对正确理解和掌握知识点发挥了很大的作用，不仅顺利完成了难点教学，也使学生体验到科学的奥妙和技术的强大动力。④通过课件的声、图、文字、动画有机的融合，能激发学生的兴趣，使学生能够集中注意力进行听课，从而提高课堂教学质量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先进设计方法引入汽车设计教学中
随着计算机相关技术的发展,几何模型的设计从二维转向三维。在实现CAD/ CAE/ CAM 一体化的过程中,产品的设计、制造、检测全部实现无纸化,因此在汽车设计的教学中要与时俱进，将现代的设计手段、设计方法引入到汽车设计教学中[3-4]。
在汽车设计的教学中，对于传统部件的设计，可以采用CAD的设计方法进行教学,教学的重点可以通过使用三维设计软件进行汽车总成部件的设计。如图1所示，左图为变速器设计中所用设计公式的计算小软件，通过课程教学中的演示学生可以清楚地看出设计的步骤，根据计算后的结果引入CAD设计软件，最终形成右图所示的三维总成件，整个变速器的设计清楚可见，同时又通过先进的设计方法使学生掌握了现代汽车设计的相关方法论文格式范文。目前,机械CAD软件可以实现从概念设计、三维零部件建模到装配分析等各功能的设计。
图1 变速器设计实例
CAE设计方法的引入是汽车设计教学中又一个形象的方法。目前汽车制造企业在样机的制作、实验和性能评价过程中会充分利用计算机技术进行分析和仿真,这样无疑可以减少样机或试制品的制作次数。在三维模型组装完毕后,可将模型转化到仿真软件上进行动态仿真,模拟真实环境进行三维动态和碰撞等的分析,可以发现部件运动以后的问题,还可将关键部件或部位放在有限元分析软件中,对其在各种工况下的受力和变形进行分析,及时发现设计的薄弱环节,避免设计缺陷。CAE设计方法引入汽车设计课程教学中,不仅可以提高学生对课本理论知识的理解，更可以使企业实际需求与学生学习相结合，从而引导学生进行更加有针对性的学生。如图2所示，为转向节设计的CAE受力分析结果图，通过改组图片对比学生可以容易明白转向节在设计时应该考虑到三种特殊工况情况下的受力分析。
（a）车轮越过不平路面工况(b)紧急制动工况(c)侧滑工况
图2转向节设计实例
虚拟样机技术(VPT)就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优化设计方案的技术。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能教育论文，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。图3为引入VPT技术形成的车桥差速器仿真模型，通过该模型的运动仿真可以清楚地分析出部件在运动过程中的受力变化情况。
图3VPT设计实例
只有这样才能够提高学生的动手能力，增加学生对汽车设计理论的直接了解，有利于老师和学生之间的互动水平。
2.3 项目教学法引入到汽车设计教学工作中
项目教学法是一种以项目为导向，将理论与实际相结合的先进教学方法[5]。汽车设计课程因为所涉及实际性较强，教师在教学中可以设立相关小的项目。项目教学法便于用在汽车某个总成或部件的设计项目上,如转向器的设计、麦弗逊式独立悬架的性能计算、离合器膜片弹簧的优化设计等。通过项目教学进一步巩固学过的知识，强调学生的动手能力。
3．结束语
综上所述，通过对汽车设计课程教学方法的改进，按照新的教学改革思路，经过这几年的摸索，不断总结经验，初步取得了较好的成绩，学生对于汽车设计课程的教学测评已经连续2年获得优秀等级，达到了课程的培养目标。
参考文献：
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0.引言
随着信息技术的逐步发展和社会要求的逐步提高，虚拟现实的研究领域开始转向山体、水域等不规则形态的实体。而由于计算机处理能力有限，地形数据获取困难，可视化处理复杂，三维显示效果缺乏真实感等问题逐渐显现。本文以山体为例就不规则形体的可视化过程进行研究，探讨一种不需要实体数据，计算机可视化技术与数学分形理论相结合的三维地形可视化的处理方法。
虚拟地形的可视化具有随机性和复杂性，在对山体的三维建模过程中，首先对山体的实际形态进行研究，针对虚拟地形数据的特点进行参数设置和纹理映射，利用计算机可视化技术，创造性的融入分形技术，实现对山体的建模。同时利用分形理论实现山体表面树木的覆盖，达到仿真的效果。
本文探讨的山体的三维建模方式，是基于笔者题为《连云港地区虚拟现实研究》的基础上的，在对其虚拟现实的研究过程中对山体的建模采用的是3Ds MAX与VRML相结合的方式进行的。
1.分形理论概述
随着社会科技的进步，分形理论从最初的研究自然界和非线性系统中的不光滑和不规则的几何形体逐渐发展为研究人类社会经济活动中存在大量的现象。分形理论着重研究自然界和社会活动中普遍存在的无规则而具有自相似性或统计自相似性的系统或现象，如弯弯曲曲的海岸线，起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面等。这类客体不具备特征尺度，用不同倍数的放大镜去观察它们，其相貌是相似的，并且这个性质不随观察位置的变化而变化。自相似性普遍存在物质系统的多个层次上，物体或几何图形的维数的变化可以是连续的，即其维数可以不是整数[2]。
而以山体、河流等不规则几何形体为主要内容的地球系统，其时空展布具有分形的特点。普通的数理理论中的均匀、连续及光滑边界条件下的问题求解方法远不能满足地学问题的研究需要，分形理论的出现为研究类似地球系统这样的复杂系统提供了一种新的研究方法。
2.虚拟现实三维山体建模方法初探
在对山体进行三维建模时可以使用强大的三维建模工具3Ds MAX或是虚拟现实建模语言（VRML）进行。对于地形数据，还可以借助VRMAP进行拉伸从而实现三维实体的可视化仿真。
笔者在进行《连云港地区虚拟现实研究》时考虑采用强大的三维建模工具和虚拟现实建模语言相结合的方式进行，所收结果不尽如人意（如图1所示）。为此，探索更加符合地形数据特征的三维建模方式有助于更加清晰地对地理实体进行分析研究，从而真正实现地形数据的三维可视化。在可视化的基础上借助虚拟现实建模语言VRML强大的扩展性能，结合JavaScript脚本实现三维实体的放大、缩小、漫游、查询等人机交互功能。
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我校机电设备维修与管理专业有一门重要课程，这就是自动化生产线安装与调试课程中的仿真实训软件开发包含可编程控制技能实训仿真、电路接线仿真功能，和自主学习搭建线路功能。为了学习者能在一个互动友发的界面上学习，并能根据已有图表资料能进行自主学习的要求，能让操作者在计算机上模拟完成各站的电气线路设计和控制程序的编程，但这些内容的选择和使用都需要一个窗口和仿问界面。因此本仿真软件还应满足以下界面设计要求。
为了使操作者或学习者方便进入这个区域学习和使用这个仿真实训软件以达到操作简单明了，清晰可见。着重于提示信息要详细、准确、恰当，便于灵活掌握应用。软件界面应布局合理，颜色得当、菜单按钮规范、用语简单明了、画面美观。仿真实训软件可调整训练进度，能及时反馈学生的操作、自测情况。
1 软件组成与设计
自动化生产线安装与调试课程的仿真软件的开发平台主要是在C语言为基础进行开发设计的，我们在机电仿真控制平台上共享其数据库。主要做开发自已工作站的三维模型，并建设电路控制库和程序代码，导入其控件中。为了能在我们的仿真软件开发和设计中能较好实现以上资源的共享和调用，我们从其设计结构四个层面来撰述：
（1）界面表示层：负责处理用户与应用程序之间的交互过程：它可以是一般的终端设备、桌面应用程序。
（2）电路设计层：定义了用户界面要显示的内容，并根据所支持的是库中已有电路。对于相应的用户要求可以进行二次制作导入相应的库中，其各级控制逻辑层会以用户的要求来定义。
（3）程序设计层：提供应用系统需要的其它功能，如：消息传送、工件调取、工件颜色的选择支持所需要程序。
（4）数据库层：存放用户应用电路模型图和控制程序数据和各种可共享模块。
为实现实时三维控制的性能和各层次结构的控制要求，首先要考虑的是框架如何分层、各层包含何种组件或对象、不同层次之层对象如何通信。
在实际应用中，也可以将逻辑层再分为若干组件集，每一个组件集完成一个相当小的小电路功能，用户界面层通常需要连接若干个组件集来完成一个单独的逻辑块后可以组合成新的控制电路模块。组件集之间也可以相互调用。本论文的框架图如图1所示，分为界面表示层、电路设计层、程序设计层和数据库四层。
2 软件的模型设计
仿真自动线教学是实际自动线控制过程在计算机上的本质实现，其系统模型主要有自动线教学设备硬件（或物理）部分和软件部分组成。硬件部分由自动线运动部件、控制电路零件、执行器等构成，软件部分则由电气控制线路、PLC控制程序和机电仿真控制平台构成。自动线中机械手是一套自动化设备接受指令的过程。对仿真自动化生产线系统模型的建立是仿真实训的关键技术。为此我们要对相关模型进行分析设计，制定出相关数据表，按一定规律导入控件中。
2.1 三层模型
三层模型是一种“界面模型+电路库+ 程序库”的逻辑分层模型，界面模型：通过调用控制逻辑层代码来获取所需要的数据，按照控制电路的运行要求适当的通过用户界面的三维动画显示出来。当应用程序被修改时，只要对表示层提供的接口不变，就不需要更新每个工作站的用户界面程序，在运行效率和可维护性上远远高于静态图分析，如图2所示。
另外要说明的是，对于不同生产线可以用不同三维模型界面表示出业，前题是设计好相应的模型。通过相应的电路库和程序库调用，这也更加方便于教学，实现网络化管理和网络化实训服务，对于教学中不同的生产线中有可扩展性和灵活性。
3 登录界面的设计
由于我们是在一个已有平台研究，有许多已知的元器件我们可以直接调用。但我们研究的自动生线是一个相对复杂、元器件比较较多并且型号多。为此我们要有所选择的进行主菜单设计，方便于教学中调取使用。具体登录界面如图3所示自动化生产线仿真软件登录界面。
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Keywords: OpenGL, 3 d model, the system simulation
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1、引言
系统仿真是近30 年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等多种技术发展基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。计算机系统仿真就是，以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。从计算机系统仿真的定义可以看出，计算机系统仿真包含了三个方面的信息（三要素）：系统、模型、计算机，而联系着它们三者之间的基本活动是：系统模型建立、仿真模型建立、仿真试验。
“系统”是指被研究的对象，任何事物都不是孤立地存在着的。因此，仿真研究的对象也不可避免地与其周围的环境之间存在着相互联系。建立系统模型就是要把待研究的系统从周围的环境中界定出来，并把它描述成数学模型。建立被研究系统的数学模型， 就是为了能用计算机语言实现。从数学模型到仿真模型的转换过程，就是仿真模型建立。只有经过转换后的仿真模型才能为计算机识别并运行。综上所述，建立仿真模型是系统仿真的关键一环，选择什么工具来建模也显的由为重要。在这里就我们的课题，工业机器人动态仿真选用的工具OpenGL来探讨。
2、 OpenGL 的功能特点
OpenGL 是SGI 公司推出的三维图形库（GL），它表现突出，易于使用而且功能强大。利用GL开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员的喜爱，随着计算机技术的继续发展，GL 已经进一步发展成为OpenGL，OpenGL 已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准。OpenGL最大的特点首先是与硬件无关，可以在不同的平台上得于实现，用OpenGL编制的程序，可以随心所欲的控制三维模型，由于OpenGL同时提供了颜色缓存、模板缓存、深度缓存、累积缓存等基于双缓存技术的动画操作函数，因而可以实现实时的虚拟仿真。其次是建模方便，OpenGL不仅提供基本的三维几何像素生成函数，而且提供了大量的点、线、面以及曲线曲面等基本图元操作函数，可以构建相当复杂的几何造型。第三个特点是高度的真实感显示，由于OpenGL 提供了大量的着色、光照、景深、阴影、混合、消隐、反走样、明暗处理、图像处理、纹理映像、深度检测等功能函数，保证了三维仿真图形显示具有高度的真实感。第四OpenGL 具有出色的编程特性，OpenGL 体系结构评审委员会独立地负责OpenGL规范，使之具有通分的独立性。程序的通用性和可移植性。由于OpenGL可以集成到各种标准视窗和操作系统中，因此基于OpenGL的三维仿真程序有良好的通用性和可移植性。最后是应用广泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作为三维图形标准，许多其它软件商也纷纷以OpenGL作为基础来开发自己的产品，目前已成为高质量三维图形的工业标准 。
3、OpenGL 在仿真中的应用
以上的优点决定了OpenGL在建立仿真模型时的优越性，我们在建立多自由度工业机器人模型时选用了OpenGL。
3.1 工作过程
OpenGL的指令的解释模型是客户/服务器模式，既客户(试图用 OpenGL进行绘制工作的应用程序)向服务器(OpenGL的内核)命令，这些OpenGL命令由服务器来解释。基于客户/服务器模式，在网络环境下很容易使用OpenGL，且在不同计算机上的多个客户可以得到在其它计算机上服务器的服务。这样OpenGL就具有网络透明性。
OpenGL的库函数被封装在Openg132.dll动态链接库中，从客户应用程序的对OpenGL函数的调用首先被Opengl32处理，在传给服务器后，被Winsrv.dll进一步进行处理，然后传递给DDI(Divice Driver Interface)，最后传递给视屏驱动程序。
3.2建立的仿真模型
由于机器人是一个复杂的物体，为了建模的方便，有必要把它分解为一个个图形模块。然后把模块集成起来，组成整个机器人模型，同时我们知道工业机器人大体上是由机座，关节和杆件联接组成，据于此我们设置了如下三个图形
模块函数：
（1）基座模块函数
（2）杆件模块函数
（3）关节模块函数
各个模块按不同的顺序进行组合,经过大量的平移和旋转，然后渲染就能得到效果图。
我们可以进行多自由度工业机器人的运动分析和动力分析，相对简化了工业机器人的开发过程，降低开发费用，缩短开发周期。
参考文献
[1]吴重光主编.仿真技术[M].北京: 化学工业出版社,2000,5.
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1 引言
电磁场的教学向来是高校电子类专业教学改革的重点和难点。在电磁场理论中，波导的特性和模式分布是重要的教学内容，学生们普遍认为学习难度较大。特别是很多高校不具备实验条件，学习波导理论就显得非常抽象。这严重影响了教学质量和学生的学习积极性。为了解决这些矛盾，笔者使用有限元分析软件HFSS进行形象化教学，取得了较好的教学成果。
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是原美国Ansoft公司开发并推出的三维电磁仿真软件，2008年7月被ANSYS公司收购，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件[1]。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器，并拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场[2]。HFSS软件采用的是有限元法（Finite Element Method，FEM），计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。
2 基本教学问题描述
2.1 基本波导理论
2.1.1 矩形波导简介
通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气介质的规则金属波导称为矩形波导，它在电磁兼容测试[3]和微波技术[4]中最常用的传输系统之一。
由于矩形波导不仅具有结构简单、机械强度大的优点，而且由于它是封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；因为它无内导体，所以导体损耗低，而功率容量大。在目前大中功率的微波系统中常采用矩形波导作为传输线和构成微波元器件。利用麦克斯韦方程和矢量恒等式，可得到波导中电场和磁场的波动方程如下所示：
方程式中E和H不仅有横向分量，还有纵向（z方向）分量，而且E和H不仅是z的函数（e-rz），还是x和y的函数。Kc为矩形波导TM波的截止波数，显然它与波导尺寸、传输波型有关，其表达式如下：
m是电、磁场量沿x轴[0，a]出现的半周期（半个纯驻波）的数目，n是电、磁场量沿y轴[0，b]出现的半周期的数目。对于TE波，m和n中任意一个可以为0，但是不可以同时为0；而对于TM波中任一个都不可以为0，否则全为0。在波导内壁处电力线垂直于边壁，且波导壁的内表面上只能存在磁场的切向分量，法向分量为零，电力线与磁力线相互正交[5]。
2.1.2 矩形波导的传输特性
（1）截止波数、截止波长、截止频率。
如前所述，矩形波导TEmn和TMmn模的截止波数均为：
对应的截至波长和截至频率为：
在导行波中截止波长λc最长的导行模称为该导波系统的主模，波导能够进行主模的单模传输。
（2）波导波长和相移常数。
矩形波导TEmn和TMmn模的波导波长和相移常数表达式相同，式中？姿是工作波长：
（3）相速和群速。
矩形波导TEmn和TMmn模的相速和群速表达式相同：
（4）波形阻抗。
矩形波导TEmn和TMmn模的波形阻抗表达式分别为：
2.2 HFSS数值求解
在HFSS中建立如下图1所示矩形波导，其在x、y和z轴尺寸分别为4in、0.8in和0.5in。结构图如图2所示。
按照已知参数，带入（6）式可计算出此波导模型的截止频率fc约为7.3GHz。下面利用HFSS仿真计算此矩形波导的截止频率，仿真结果如图2所示。可以看出，矩形波导的S21参数在7.35GHz，与理论计算误差不到1%，说明HFSS在仿真矩形波导的教学中具有很高的可靠性。
在日常教学中电磁波是怎么样在矩形波导中传输的，理论知识不易理解，这里我们可以结合HFSS软件来仿真电磁波在矩形波导中的传输，尤其是在HFSS中我们还可以看到动态的电磁波传输过程[6]，并且HFSS中的仿真数据还可以和Matlab兼容，互相可以导入。
由矩形波导的截至频率fc定义可知：当入射波的频率小于矩形波导的截止频率时，电磁波是不能够通过矩形波导来传输的；当入射波的频率大于矩形波导的截止频率时，电磁波是完全能够通过矩形波导传输的。
下面我们就通过HFSS仿真演示入射波频率分别小于和大于矩形波导截至频率时，电磁波在矩形波导中的传输过程。在HFSS中，上述所建模型截至频率为fc=7.35GHz，这里我们分别设定入射波频率为7GHz和9GHz，仿真结果如图3和图4所示。
由图3和图4可知，当入射波的频率为7GHz（7.35GHz）时，电磁波是完全能够以其特有的传输方式不断向前传输到波导的另一端。
3 结论
本文利用HFSS的有限元求解法，以矩形波导为例，对矩形波导三维矢量静电场问题进行了求解，并使用三维图形进行可视化，仿真矩形波导的参数。通过本文的工作，可以更加直观地理解电磁波在矩形波导中的传输过程以及波导的各参数，相对于传统解析学习方法而言，计算量大大减少且更直观形象。本文对矩形波导三维矢量静电场利用HFSS仿真求解的计算方法可以推广应用在天线仿真设计、大学电磁教学和低频电磁干扰分析等领域。
参考文献：
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车辆模拟器具有工况设置方便、试验重复性好、安全性高等优点,在驾驶培训、车辆新产品的研究和开发、人—车—环境试验中有着重要作用,良好的车辆运动模拟技术是车辆模拟器质量的保障。本文以“车辆人—机—环境模拟器”项目为依托,围绕车辆模拟器运动模拟技术中三维虚拟道路建模、车辆动力学建模与仿真、动感模拟算法等展开研究。提出了随机激励路面轮廓三维高程数据生成方法;对Vortex车辆动力学建模特别是车辆悬架参数的设置进行阐述,并给出了车辆动力学仿真的实例;提出了基于六自由度平台杆长的模糊自适应动感模拟算法,最后建立了车辆动力学、动感模拟算法与六自由度平台虚拟样机组成的车辆模拟器开发综合仿真平台。 论文阐述了项目中车辆模拟器的组成及工作原理,阐述了模拟器运动感觉模拟的机制,对模拟器运动系统做了详细的介绍,为车辆模拟器运动模拟技术奠定基础。
给出了车辆模拟器三维虚拟道路建模所需的路面轮廓数据和路形数据建模和生成方法,为车辆动力学仿真提供路面激励数据。利用路面不平度二维功率谱密度的表达式,通过二维傅里叶逆变换法得到了路面轮廓不平度三维路面高程数据生成方法,生成的高程数据的功率谱特性和各向同性特性均优于已有方法。推导了路面轮廓中包含的随机瞬态成分的空间位移特征与路面等级的关系,提出了三维空间内随机瞬态成分生成方法。根据道路路形特征给出了三维空间曲线道路建模方法,并采用线切割方法将道路与地形进行了融合。
阐述了Vortex车辆动力学建模的方法和流程,针对Vortex车辆动力学参数化建模的特点,设置不同的悬架参数,进行车辆行驶平顺性和稳定性仿真,然后进行结果分析对比。对不同路面类型以及各种车辆运动的典型工况进行了动力学仿真,为动感模拟算法的设计和优化提供数据支持。 针对经典动感模拟算法参数不能在线实时调整而导致平台空间利用率低的问题,在经典动感模拟算法和基于平台单自由度约束的模糊自适应动感模拟算法的基础上,提出了基于平台杆长约束的模糊自适应动感模拟算法。
首先解决了动感模拟算法中输入信号预处理、倾斜角速度限制环节处理以及自由度解耦等几个问题,然后提出了模糊自适应算法的原理与模糊自适应规则,并对几种动感模拟算法进行了仿真分析对比,结果显示基于平台杆长约束的模糊自适应动感模拟算法具有参数调节简单意义明确、调节作用平滑无冲击、不需要考虑多自由度之间耦合作用的优点,能充分利用平台的运动空间而提高动感模拟逼真度。
建立了车辆动力学、动感模拟算法、六自由度平台虚拟样机的Vortex、Simulink、 ADAMS联合仿真系统。首先阐述了联合仿真系统的组成、原理及作用,然后建立了六自由度平台ADAMS虚拟样机模型,并将其与Simulink相联接。以动感模拟运动的可视化与数据监控以及蛇形试验专用动感模拟算法为例,对联合仿真系统的应用进行了举例说明。
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1CAD技术的发展
CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:
2.1零件设计更加方便
使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
2.2装配零件更加直观
在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
2.4提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。
3CAD技术在机械设计中的应用
3.1零件与装配图的实体生成
3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4CAD前沿技术与发展趋势
4.1图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
参考文献
[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.
[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.
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〔正文〕
机械设计是机械类各专业的专业基础课。同时，该课程也是工科类专业的基础必修课。本课程在教学内容方面，着重基本知识、基本理论和基本方法，在培养实践能力方面，着重设计构思和设计技能的基本训练。在本课程学习中，综合运用先修课程中所学的有关知识和技能，结合各种教学实践环节及课程设计的基本锻炼，为顺利地过渡到学习有关专业课程及进行专业毕业设计打下良好的基础。
机械设计课程设计是机械类专业和近机类专业学生在学完机械设计及同类课程以后所设置的一个重要的教学实践环节，也是学生第一次较全面、规范地进行设计训练机械设计教学的一个重要实践环节。其主要目的是培养学生的理论联系实际的设计能力，训练学生综合运用机械设计课程和其他先修课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和扩展学生有关机械设计方面的知识；通过对通用机械传动或简单机械的设计，使学生掌握一般机械设计的程序和方法，树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的工程设计能力等；在课程设计实践中，对学生进行设计基本技能的训练，培养学生查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘图、数据处理和计算机辅助设计等方面的能力等。
基于以上认识，结合近年我校机械设计课程体系、课程内容以及立体化教学模式的改革和重点课程建设，在学生机械设计课程设计和毕业设计实践中，主要从机械设计课程设计的设计方法和手段的改进等方面进行了大胆的改革与实践，逐步实施了从手工绘图到二维AUTOCAD的应用最终到三维 CAD的过渡，在提高学生的设计能力和综合素质方面得到了较好的效果。
一. 机械设计实践的现状
几个世纪以来，人们用手工绘图来表达自己的设计理念。图纸作为工程师的语言，为工程设计技术人员之间进行有效的交流带来极大方便。然而，随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛应用，手工绘图已不能满足机械设计的要求。现在，机械设计手段从20世纪70年代的手工绘图转向计算机绘图，大大提高了绘图效率和绘图质量。
目前，CAD技术主要以二维绘图软件AUTOCAD为代表，在机械设计实践中只是教会学生操作和绘制简单的零件图，而用AUTOCAD绘制装配图以及进行有关的工程分析是非常不便的且很难实现。为此，为了能够方便地绘制装配图，在机械设计实践教学和毕业设计中逐步地采用了CAXA电子图版、开目CAD等二维绘图软件作为绘图工具，辅助完成零部件设计。 当前，我国制造业已全面完成甩图板工程，二维CAD技术的普及结束了手工绘图的历史，对减轻人工劳动强度，提高经济效益起到了很明显的作用。随着技术的发展，CAD技术正从二维CAD向三维CAD过渡，有相当一部分CAD应用较早的企业已完成了从二维CAD向三维CAD转换，并取得了巨大的经济效益和社会效益。企业需要掌握三维CAD技术的专业人才，掌握三维CAD技术已成为工科院校毕业生最基本的要求。因此，在机械设计实践教学中采用三维 CAD技术，已成为我们现在机械设计实践教学改革的重要内容和亟待解决的问题。
二. 三维CAD关键技术
三维CAD造型技术也称建模技术，它是CAD技术的核心。从20世纪60年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及当今正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。三维CAD以三维造型设计为基础，只要形成了三维模型，各种二维视图唾手可得。三维CAD技术在产品的三维造型、虚拟装配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了设计效率和设计质量。三维设计的真正意义不仅仅在于设计模型本身，而是设计出模型的后处理工作。
三维CAD技术主要包括以下内容：三维造型/三维设计、计算机辅助工程分析、机构运动分析/仿真、装配干涉检验、三维转二维、图样档案管理等。科技论文。科技论文。利用这种全过程的三维CAD系统完成设计以后，不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助设计和辅助工程分析的根本目的。三维CAD符合设计者的思维习惯，可以充分发挥设计者创造力和想象力。三维 CAD技术不仅解决了产品设计和工程图绘制的问题，更重要的是利用三维CAD技术实现产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计，所生产的三维零件可以直接与CAE/CAM/CAPP等CIMS技术进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键技术之一，是实现虚拟制造的重要手段。掌握三维CAD技术的使用，已经逐步同使用计算机进行文字处理一样，成为产品开发、设计人员的一种基本技能。
三、CAD技术的发展趋势
随着计算机性能的提高，网络通讯的普及化、信息处理的智能化，CAD三维技术正向规范化、智能化、集成化的方向发展。
1. 规范化。ス娣痘(标准化)的趋势体现在几个方面：数据模型的规范化(标准化)、数据交换格式的标准化和CAD资源的规范化等。数据模型应采用STEP标准体系。随着STEP标准体系的逐步完善，它对于几何数据、工程数据模型的思想将作为新一代CAD系统的开发指南。靠以前的一些标准接口已经无法完全满足CAD数据交换的要求。目前，参数化特征模型的传输还是一个世界难题，在STEP标准基础上，相信这一点能有所突破。
2.智能化。ヌ卣髟煨秃筒问设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘制的工具由人们去使用，也不再将占线面数据存储在一起，而忽略其内在联系。特征和参数的引入使得软件似乎成为人类(用户)一个更聪明的助手。科技论文。CAD软件应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模型中，例如目前，CAD软件的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后续分析、CAPP和加工的需要还考虑得不够。
3.集成化。ゼ成化是当今CAD技术发展的又一大趋势。CAD技术不是孤立的。首先，它集成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术。同时，它又不断和CAM(计算机辅助制造)、CAPP(计算机辅助工艺流程规划)、MIS（管理信息系统)、PDM(产品数据管理)以及MRP(制造资源管理)等系统相集成。由于Internet的发展，使得这些设想得以实现。如何构造在Internet体系上的CAD/CAM集成化系统将会是人们追踪的热点。特别是在全球经济一体化的背景下，并行工程、异地设计制造等概念的发展和应用，基于网络、基于WEB的协同设计制造系统大受青睐。现在已有一些标准，如解决异构系统平台的XML和XML-3D，以及解决三维图形、图像在互联网上传输共享的VRML标准相继出台，已经为我们在互联网的构架下，建立协同设计和协同工作的环境打下了基础。
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篇12
建模，是早期三维地形生成的方法。由于其数学计算的复杂性，对于复
杂场景来说，计算量大而且要采用较复杂的曲面拼接技术。只适合中小 规模的数据处理。另外，这种方法实际上是采用了欧式几何方法，而欧 式几何所描述的物体具有光滑的表面和规则形状，物体的形状可由方程 来描述。利用常用的参数曲面，通过插值、拟合来生成三维地形，也是 采用方程来对地形建模。但由于地形的不规则和复杂性，用这种方法得 到的地形真实感效果常不能令人满意。 (2)利用分形技术生成三维地形1973 年，曼德勃罗(B.B.Mandelbrot) 在法兰西学院讲课时，首次提出了分维和分形几何的设想。分形几何学 是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然 界是普遍存在的，因此分形几何又称为描述大自然的几何学。欧式方法 不能真实地描述这些物体，但可以用分形几何来真实地描述，是使用过 程而不是方程来对物体建模。分形几何具有无限以及统计自相似性的规 律，用递归算法使复杂的景物可用简单的规则来生成，可以生成任意水 平的细节，为我们提供了一个很好的描述一般地面形状的数学模型。由 于分形显示自然景物具有非常逼真的特点，自从分形技术产生以来，人 们就开始探讨用分形技术来生成三维地形，地景生成技术也达到了一个 新的阶段。采用分形技术来生成三维地形是目前地景生成的主要方法。 (3)基于数字地形模型的地形可视化。这种方法就是运用数字高程数 据构造多边形面，用多边形网格逼近。数字高程模型是针对地球表面实 际地形地貌的数字建模的结果。MilIerC.L 于20 世纪50 年代中期提出了 数字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)的概念，后来把基于高程或海 拔分布的数字地形模型称为数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)， DEM 自20 世纪50 年代后期开始被采用以来，受到了极大的关注，在测 绘、地质、景观建筑、农业、规划、军事工程、飞行器与战场仿真等诸 多领域得到了广泛的应用。随着科学技术特别是计算机技术的迅速发展， 在DEM 的数据获取方法、数据存储和数据处理速度等方面取得了一些突 破性的进展。现在，随着各种精度级别的DEM 的普遍获取，过去许多潜 在的应用领域现在已变成十分重要的方面。
在三维空间数据结构算法方面，杨必胜、李清泉、史文中提出了一
种用于多分辨率三维模型快速生成和传输的稳健算法；龚健雅提出了面 向对象的矢量栅格集成数据模型：还有邓念东，侯恩科提出了一种顾及 维数的三维空间拓扑关系描述框架；齐安文，吴立新等重点研究了基于 三棱柱体体元在三维地质建模中的应用；曹彤，李颖研究用于三维GIS 的八叉树和四叉树算法等；Klein 采用一种与视点相关的TIN 数据结构来 表示交互中的集合信息，当视点改变时，采用Delaunav 三角剖分法重构 侧TIN；Luebke 等提出了一种基于顶点数的简化算法，它可以对任意几何 模型进行简化；Hoppe 将他提出的渐进式网格模型也应用到地形当基于 OpenGL 三维分形地形的可视化研究4 中，并且提供了与视点相关的支 持，为了避免三角剖分给全局带来影响，他在算法中将地形预先分成大 小相等的若干块，在块内进行渐进式网格剖分。由于不能解决拼接问题， 块与块没有简化，这在一定程度上影响了模型简化的效率。 近年来，国内外在空间信息三维可视化方面的研究工作主要集中在 以下两个方面： 1.运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变化的现象或概念的 可视性分析； 2.运用虚拟现实技术进行地形环境仿真，真实再现地景，进行交互 观察和分析[15]。 空间信息三维可视化方面的研究存在的主要问题和解决途径。国内 外空间信息三维可视化方面的研究虽然取得了长足的发展和进步，但或 多或少都存在着不同程度的缺陷。其原因是多方面的，有客观因素，也 有主观因素，主要表现在： （1）研究团队过小。空间信息三维可视化方面的研究往往是由一个 单位、几个人开发与研制，其专业覆盖面窄，因此涉及领域非常有限， 所能投入的财力、物力等也非常有限。 （2）软件专用性较强，适用范围有限，通用性差。严格意义上来说， 空间信息三维可视化方面的研究软件还不能称之为软件，只能算是一个 针对特定问题的可视化计算程序。近几年，虽然不断的涌现出一些新的
算法，但仅能作为一些初步的尝试，距离应用其编制出成型的计算程序
来解决工程问题，还有相当漫长的道路。 （3）核心算法创新能力不足。算法是一个程序或软件的核心，但国 内外目前在空间信息三维可视化方面的算法研究方面，还停留在相互跟 踪国外研究的阶段，往往是国外学者提出了一种新的算法，国内再跟踪 研究，原始创新能力不足，这也是我国软件领域5 甚至整个科技领域普 遍存在的问题。 （4）商业化程度落后。 由于空间信息三维可视化方面的研究存在 着上述诸多问题，而对于从国外引进的一些商业软件，在具体使用时， 不可避免的要出现这样那样的问题。由于其代码的保密性，使我们不可 能进入程序内部去进行调试和加入自己的应用模块。因此，开发编写具 有自主知识产权的空间信息三维可视化方面的研究具有非常重要的学术 价值和很强的国防应用前景。 国内外空间信息三维可视化方面的研究的发展趋势。近年来，随着 计算机软、硬件技术的不断发展，空间信息三维可视化方面的研究内涵 也不断拓展，其发展趋势是： （1）驾驭式计算功能(computationalsteering)：即以交互的方式监视 和干预计算过程，通过实时的可视化处理将计算结果图像提供给用户， 用户通过判断可随时更改计算参数，从而干预整个计算过程。 （2）虚拟现实技术：通过虚拟现实软件及设备将计算结果转换成3D 立体图像，使用户更加直观地了解发展过程。 （3）并行计算：由于基于微观、细观、宏观的多尺度计算方法的不 断发展，对计算能力提出了更高的要求，由此，多CPU 的分布式网络系 统将逐渐成为主流。 在数值方法方面，近年来，一些新的计算方法不断涌现，主要概括 如下： （1）高精度算法：上世纪80 年代以来，以TVD、ENO、WENO 为代表的高分辨率方法占据了计算流体力学发展的主流。近年来，数值 方法研究又有新的突破，一些新型算法已经出现，其中有代表性的算法 有美国学者S.C.Chang 提出的时空守恒元解元（CE/SE）方法、日本学者
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自 20世纪 9O年代以来,以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探索在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和心得。
2.虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。
2.1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个和现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输进,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 天生技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计和展示、贸易广告、游戏设计等。
在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。
目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虚拟现实数据库 OPENFLIGHT已经成为 了产业标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等新题目。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌进 OPENGL技术来解决物理模型 的交互新题目。
2.2系统仿真技术
系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、探究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要产业部分,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依靠于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。
目前,有很多成熟的系统仿真开发平台软件.如 Simulink、SystemView等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。
3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤
3.1建立仿真模型
这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时进步逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。
3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动
对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式假如进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用EON进行动作的编辑和驱动;假如需要对装备进行虚拟操纵仿真,则使用 GLStudio软件先进行操纵面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 Vega Prime驱动以实现更复杂的交互操纵。
3.3系统集成
系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的布置,注重程序间的兼容性即可。
