【正文】 計(jì)算結(jié)果作可視化重現(xiàn)。而通常我們所說(shuō)的計(jì)算機(jī)仿真更側(cè)重在利用計(jì)算機(jī)軟件模擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境結(jié)合進(jìn)行的操作和推演 ,因此仿真模擬更注重于系統(tǒng)中的一些物理特性 或真實(shí)特性 ,有時(shí)并不注重系統(tǒng)的沉浸感。但是目前越來(lái)越多的仿真模擬技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合以提高仿真模擬的沉浸感 ,虛擬現(xiàn)實(shí)也越來(lái)越多地使用仿真模擬常用的設(shè)備和裝置來(lái)提高虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感 ,因此兩者的界限也越來(lái)越模糊。這里我們不對(duì)兩者作清晰的區(qū)分 ,這里所說(shuō)的仿真模擬技術(shù)就是綜合使用這兩種技術(shù)的統(tǒng)稱。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 4 仿真模擬中的關(guān)鍵技術(shù) 仿真模擬技術(shù)的關(guān)鍵是模型和環(huán)境的構(gòu)建以及實(shí)時(shí)交互和反饋技術(shù)。它涉及到數(shù)據(jù)表示、運(yùn)動(dòng)計(jì)算和實(shí)時(shí)視景生成等基本環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)表示與管理不僅與物理模型或者數(shù)學(xué)模 型的構(gòu)建和環(huán)境生成等圖形圖像數(shù)據(jù)有關(guān) ,也與其他數(shù)據(jù)格式和具體應(yīng)用背景所需要的數(shù)據(jù)有關(guān)。運(yùn)動(dòng)計(jì)算不僅需要高性能的計(jì)算能力也與仿真應(yīng)用背景密切相關(guān) ,它包括動(dòng)力學(xué)或者運(yùn)動(dòng)學(xué)方程等具體的數(shù)學(xué)物理模型求解以及實(shí)時(shí)交互計(jì)算。實(shí)時(shí)視景生成對(duì)于強(qiáng)調(diào)過(guò)程真實(shí)感的體驗(yàn)型仿真模系統(tǒng)尤為重要。 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù) 虛擬環(huán)境的建立是體驗(yàn)型虛擬仿真模擬技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù) ,建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型和仿真對(duì)象。三維數(shù)據(jù)和三維對(duì)象的獲取可以采用場(chǎng)景建模 ,圖像等多種形式 ,有 效提高數(shù)據(jù)獲取的效率。它的技術(shù)特點(diǎn)是執(zhí)行人在一個(gè)通過(guò)計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備構(gòu)建起來(lái)的三維視覺(jué)或者聽(tīng)覺(jué)、以及包括觸覺(jué)反饋在內(nèi)的操作環(huán)境中 ,對(duì)執(zhí)行人的反饋?zhàn)龀黾皶r(shí)響應(yīng) ,造成與真實(shí)場(chǎng)景和系統(tǒng)幾乎一樣的操作感覺(jué) ,因此系統(tǒng)要求具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)交互性 。據(jù) 統(tǒng)計(jì) ,仿真模擬系統(tǒng)所提供的視景為仿真模擬提供了 70%的有用信息 [ 6 ] ,仿真模擬系統(tǒng)內(nèi)容的豐富程度、逼真度、清晰度和視場(chǎng)角的大小 ,直接影響到仿真系統(tǒng)的質(zhì)量和仿真模擬效果。盡管目前構(gòu)成的虛擬場(chǎng)景已經(jīng)有了較為逼真的場(chǎng)景效果 ,但是利用圖形圖像技術(shù)生成的真實(shí)感場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景相比仍 有不小的差距 。目 前采用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) ,采用部分真實(shí)的場(chǎng)景對(duì)象代替計(jì)算機(jī)生成對(duì)象 ,對(duì)仿真模擬過(guò)程起到了很好的效果。三維聲音處理也是一個(gè)虛擬仿真場(chǎng)景所需要的 ,它包括聲音合成、三維聲音定位和語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)。在某些應(yīng)用中 ,還需要聲光電磁等環(huán)境因素的考慮。 交互設(shè)備和工具 人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置 ,涉及圖形圖像硬件設(shè)備 ,用于產(chǎn)生沉浸感 ,以及跟蹤裝置 ,用于跟蹤用戶頭部的位置和方向及從手的位置跟蹤到全身各肢體的位置 ,跟蹤裝置把這些信息送入應(yīng)用軟件 ,以確定眼睛的位置及視線方向 。如 頭盔式濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 顯示器 (HMD) 、空間沉浸式顯示器 ( SID,如洞穴式和圓頂式 )。觸 覺(jué)和力反饋系統(tǒng)提供觸覺(jué)刺激 ,如三維動(dòng)作跟蹤器可提供 32個(gè)關(guān)節(jié)傳感器 ,帶力反饋的數(shù)據(jù)手套等 。虛擬仿真模擬技術(shù)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展 ?，F(xiàn) 有的虛擬仿真技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要 ,例如 ,數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn) ,虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。 仿真場(chǎng)景管理技術(shù) 虛擬仿真中包括大量的感知信息和模型 ,如信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。同時(shí) 需要協(xié)調(diào)景、物、事件、輸入信息等 。仿 真場(chǎng)景的管理技術(shù)為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供技術(shù)保障 。尤 其對(duì)于當(dāng)前的分布式模擬仿真技術(shù) ,仿真場(chǎng)景的數(shù)據(jù)組織和管理更為復(fù)雜也更為重要。 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù) 當(dāng)前 ,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ,也由于各種應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng) ,分布式仿真模擬系統(tǒng)成為目前的研究熱點(diǎn)之一 。系 統(tǒng)中數(shù)據(jù)和交互命令的快速傳輸 ,要求分布式系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng) ,同時(shí)系統(tǒng)的規(guī)模還要求可擴(kuò)展、功能可擴(kuò)充、甚至要求是異構(gòu)型的軟件結(jié)構(gòu) 。 應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng)是面向具體問(wèn)題的軟件部分 ,描述仿真的具體內(nèi)容 ,包括仿真 的動(dòng)態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)以及仿真對(duì)象與用戶之間的交互關(guān)系 ,與具體的應(yīng)用有關(guān) ,仿真對(duì)象的行為模擬的真實(shí)性和可信性很大程度上取決于對(duì)場(chǎng)景對(duì)象構(gòu)建的物理模型和數(shù)學(xué)模型的量化程度和模型的精度。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 5 仿真模擬技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用 仿真模擬活動(dòng)對(duì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的影響體現(xiàn)在很多方面 。例 如 ,在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 ,有力地推動(dòng)了軍事理論和軍事思想的深刻變革 ,提升了國(guó)家的國(guó)防安全實(shí)力 。在設(shè)計(jì)制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用 ,不僅縮短了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造周期 ,而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量 ,從而提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力 。在政府決策和管理領(lǐng)域的應(yīng)用 ,提高了 決策管理的科學(xué)水平 ,減少了決策錯(cuò)誤 ,提高了政府管理效率 。 在文化娛樂(lè)方面的應(yīng)用 ,不僅豐富了娛樂(lè)內(nèi)容 ,也提高了節(jié)目的觀賞性 ,創(chuàng)造了更多的夢(mèng)幻效果 ,同時(shí)節(jié)約了娛樂(lè)節(jié)目制作的成本 ,提高了文化傳播能力 。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他相關(guān)裝備技術(shù)的發(fā)展 ,仿真模擬技術(shù)越來(lái)越朝著真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和隱形性方向發(fā)展 。仿 真模擬技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地融合到我們的生活中 ,并影響著我們的生活方式和生活習(xí)慣。 制造工業(yè)中的模擬仿真技術(shù) 試驗(yàn)階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的關(guān)鍵階段 。大 多數(shù)企業(yè)都是先制造物理樣機(jī) ,投入試驗(yàn) ,如果某些地方試驗(yàn)失敗 ,則 重新設(shè)計(jì)、重新制造、重新試驗(yàn) ,如此反復(fù) ,直到通過(guò)定型 。顯 然 ,這樣反復(fù)多次的“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修改”過(guò)程 ,耗時(shí)長(zhǎng) ,成本高 。制 造工業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真分析 ,主要是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、減少重量、增加強(qiáng)度、優(yōu)化零部件尺寸、優(yōu)化性能等 。在 數(shù)字樣機(jī)的仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、修改設(shè)計(jì) ,與物理樣機(jī)相比 ,顯然其成本降低很多 。據(jù) 統(tǒng)計(jì) ,數(shù)字樣機(jī)的開(kāi)發(fā)方式能夠減少一半以上的物理樣機(jī)制造和試驗(yàn) ,從而爭(zhēng)取到更多的時(shí)間 ,節(jié)約大量的費(fèi)用 。例 如汽車碰撞仿真 ,模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工仿真系統(tǒng)等。 作戰(zhàn)演習(xí)的仿真模擬 現(xiàn)代作戰(zhàn)仿真模擬是計(jì)算機(jī)技術(shù) 、軍事運(yùn)籌學(xué)理論和戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物 。從 單件武器的操作訓(xùn)練發(fā)展到作戰(zhàn)協(xié)同和對(duì)抗訓(xùn)練、再到戰(zhàn)術(shù)合同演練乃至大規(guī)模高速遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)支持的多兵種多武器平臺(tái)環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)演習(xí) ,仿真模擬技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用 。其 主要功能有三 :一是直接或通過(guò)導(dǎo)調(diào)人員給受訓(xùn)者提供逼真的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息 ,使官兵有如“身臨其境”的感受 。二是接受受訓(xùn)人員對(duì)態(tài)勢(shì)信息的反饋 (判斷和決策 ) 。三是通過(guò)模擬系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 ,對(duì)受訓(xùn)人員的反應(yīng)給以評(píng)估 。所濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 以加強(qiáng)現(xiàn)代作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā) ,不僅可以節(jié)約大量的資金 ,避免大量的物資消耗 ,有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)的國(guó)防 現(xiàn)代化 ,也有助于改善我國(guó)國(guó)際周邊環(huán)境 ,改善我國(guó)的國(guó)際形象。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 6 基于 SolidWorks 的手 壓 閥的模擬仿真 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,在 液壓 傳動(dòng)教學(xué)中采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已成為一個(gè)發(fā)展方向。 液壓 傳動(dòng)教學(xué)中很重要的內(nèi)容是介紹 液壓 元件的結(jié)構(gòu)和工作原理 ,它涉及到 液壓 傳動(dòng)工作介質(zhì)在 液壓 元件內(nèi)部的流動(dòng)。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中 ,由于掛圖或膠片是靜止的 ,無(wú)法連貫地再現(xiàn) 液壓 元件的工作過(guò)程 ,所以造成老師講解困難學(xué)和生理解困難 ,教學(xué)效果不理想。為了解決傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn) , 本文針對(duì) 液 壓 傳動(dòng)的手壓閥 ,提出了一種基于 Solidworks的結(jié)構(gòu)裝配和工作原理動(dòng)態(tài)仿真 ,這樣可使抽象問(wèn)題直觀化，既有利于老師的教學(xué) ,也有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。從而體現(xiàn) SolidWorks的優(yōu)越性 ,并且縮短學(xué)生的理解時(shí)間 ,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 ,彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足 , 提高教學(xué)效果。 SolidWorks 概述 為了開(kāi)發(fā)基于微機(jī)平臺(tái)的三維 CAD 軟件， 1993 年 PTC 公司的副總裁與 CV 公司的副總裁共同成立了 SolidWorks 公司，并于 1995年成功推出了 SolidWorks 軟件。該軟件具有很大的創(chuàng)新性， SolidWorks 3D 設(shè)計(jì)直接從三維模型入手，省去設(shè)計(jì)過(guò)程中三維視圖與二維視圖之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)者可以方便地運(yùn)用鼠標(biāo)通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等拖放式操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成整個(gè)產(chǎn)品 (或零件 )的設(shè)計(jì)，直觀易學(xué)，操作方便。 SolidWorks 軟件采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式，可以通過(guò)修改相關(guān)的參數(shù)來(lái)完善設(shè)計(jì)方案，支持設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)修改。軟件包含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)，用戶也可任意擴(kuò)充自定義的圖庫(kù)，因而減少了不必要的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率 。 SolidWorks 可以通過(guò)任 意旋轉(zhuǎn)和剖切對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即修正，把“試制過(guò)程”放在設(shè)計(jì)階段，可以避免做成實(shí)物后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。 SolidWorks 軟件擁有數(shù)十個(gè)黃金合作伙伴，比如美國(guó)著名的結(jié)構(gòu)研究公司的 Cosmos 軟件能夠和 SolidWorks 軟件無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，此外還可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析，從而進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度校核或優(yōu)化設(shè)計(jì)。 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 手 壓閥 的基本工作原理 手 壓 閥是 吸進(jìn)和排出液體的一種手動(dòng)閥門，當(dāng)握住手柄向下壓緊閥桿時(shí)，彈簧壓縮閥體向下移 動(dòng)，液體出入口相通，手柄抬起時(shí)，閥體向上緊貼閥體，液體不再通過(guò)。 圖 手 壓 閥工作原理 手 壓 閥組成零件的實(shí)體建模 Solidworks2021用戶界面非常人性化 ,便于操作。在 Solidworks的標(biāo)準(zhǔn)菜單中包含了各種用創(chuàng)建零件特征和基準(zhǔn)特征的命令。其中基礎(chǔ)實(shí)體特征主要有拉伸凸臺(tái) /基體、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái) /基體等。在基礎(chǔ)實(shí)體特征上可添加圓角、倒角、肋、抽殼、拔模及異型孔、線性陣列、圓角陣列、鏡像等放置特征 ,這些特征的創(chuàng)建對(duì)于實(shí)體造型的完整性非常重要。在處理復(fù)雜的幾何形 狀時(shí)還需要其他高級(jí)特征選項(xiàng) ,包括掃描、放樣凸臺(tái) P基體及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面這些定位特征等。通過(guò)以上特征造型技術(shù)在Solidworks中能設(shè)計(jì)出需要的實(shí)體特征。 一個(gè)零件的建模過(guò)程，實(shí)際上就是許多個(gè)簡(jiǎn)單特征相互之間疊加、切割或相交濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 的操作過(guò)程。按照特征的創(chuàng)建順序，構(gòu)成零件的特征可分為基本特征和構(gòu)造特征，因此一個(gè)零件的實(shí)體建模的基本過(guò)程可以由如下幾個(gè)步驟組成： （ 1）進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模式。 （ 2）分析零件特征，并確定特征創(chuàng)建順序。 （ 3）創(chuàng)建與修改基本特征。 （ 4）創(chuàng)建與修改其他構(gòu)造特征。 （ 5）所有特征完成 之后，存儲(chǔ)零件模型。 以下以閥體的實(shí)體建模為例，介紹零件的建模過(guò)程。 的實(shí)體建模 在 SolidWorks 的環(huán)境下，單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄中的“新建”工具，新建一個(gè)零件文件 。 選擇前視基準(zhǔn)面 ，進(jìn)行草圖繪制，并用智能尺寸對(duì)其修改尺寸，然后點(diǎn)擊“特征” → “曲線” → “螺旋線 /渦狀線 1” 如圖 所示。 選擇螺旋線的高度和螺距 圖 插入螺旋線 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 添加“輪廓”和“路徑” 如圖 所示 圖 掃描特征 圖 彈簧的實(shí)體建模 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 生成孔的特征 孔特征是機(jī)械設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)特征 。 Solidworks2021 將孔特征分成兩種類型 — 簡(jiǎn)單直孔和異性孔。 無(wú)論是簡(jiǎn)單直孔還是異型孔，都需要選取孔的放置平面并且標(biāo)注孔的軸線與其他幾何實(shí)體之間的相對(duì)尺寸，以完成孔的定位。 先添加“基準(zhǔn)面” 圖 基準(zhǔn)面的創(chuàng)建 并在“插入”工具欄，“特征”的目錄下，點(diǎn)擊孔向?qū)В诳滓?guī)格的設(shè)計(jì)樹(shù)下 （如圖 所示） ，輸入要求的尺寸以及規(guī)格，生成所需要的螺紋孔。 圖 孔規(guī)格設(shè)計(jì)樹(shù) 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 閥體的實(shí)體模型 圖 球頭的實(shí)體建模 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 手柄的實(shí)體建模 圖 銷釘?shù)膶?shí)體建模 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 調(diào)節(jié)螺釘?shù)膶?shí)體建模 圖 墊片的實(shí)體建模 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 螺套的實(shí)體建模 手 壓 閥的裝