虚拟仿真技术优点范文1
关键词:虚拟人 行走模型 运动控制
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0019-01
虚拟人是人在计算机上生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。在虚拟环境中,我们利用虚拟人来模仿真人的各种行为,尤其是人类最普遍的正常行走运动,而且能模拟军事的运用训练和医学的仿真实验中,还能设计产品增加产品的真实性。
1 虚拟人行走模型
1.1 虚拟人行走模型的建立
虚拟人是由计算机合成的真实的人,人体是个复杂的机构,如果要建模生成一个三维立体的人体模型就要对真人身体的头、四肢、躯干、皮肤肌肉等部位进行严格的分析,还包括人体上百个关节和细密器官的分析,建立一个运动模型,人体中肢体与肢体之间是相关联系的,可以将人体的关节看成几个点,各个骨骼之间形成一条一条的链条,根据关节之间不同的旋转和身体部位安置的角度让身体的各个部分相互融洽连接。
1.2 虚拟人行走过程
人体行走的过程看似简单但是相对与虚拟过程就比较复杂,人在行走时每条腿会经历承受期和摆动期,腿的承受期主要分为脚后跟着地到脚尖接触到地面,行走周期是相对循环的,很多步子聚集到一起构成人体进行路线行走的平移,还要对支撑脚与地面之间进行准确的碰撞测试,由于两条腿的来回摆动,以两步为周期平移一步,以此循环也就形成了两条腿的摆动过程,进一步地实现了在水平地面上的连续行走。
2 虚拟人的运动控制技术
2.1 运动控制的关键帧方法
关键帧技术来源与动画片的制作方法,最初关键帧技术只是通过编入帧与帧之间的卡通的形状,在动画片中,所有的影像画面都通过设计关键帧中位置角度的一些参数问题来设计,关键帧技术根据人体的运动和活动状态将人体的动作分解成一系列的动作,每个动作对应相应的帧,但是电脑技术有时不会考虑人体的物理等一些特殊特性,所以会存在不恰当的插入导致虚拟人的不合理的动作,所以通常采用双值插入的方法来有效解决关键帧出现运动轨迹错误的现象,通过设定动作和运动速度的插值参数,让速度来控制动作形成流畅的轨迹。
2.2 运动捕捉技术
随着技术的进一步成熟,运动捕捉技术有着非常广泛的应用领域。运动捕捉方法是指通过记录三维空间中的人体运动轨迹,并将运动轨迹转化为运动数据,对这些数据合成编辑以此合成虚拟人运动的过程。用于动画设计的运动捕捉技术通过一种光学设置将演员的表演姿势头部运动以及表情投射在计算机上,通过调整数据再加入真实的情感来完成制作。运动捕捉技术最大的优点在于能有效的捕捉真人的运动数据,数据传输能将运动数据从捕捉设备准确迅速地传送到主机系统再生成很多高难度的动作,因而虚拟人的运动能和真人运动十分相似,模仿度逼真度超高。但运动捕捉技术同样存在设备昂贵虚拟人本身的条件制约等一些缺陷,动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动性太强。还可能因为冗杂的或者错误的数据和设备本身的干扰造成虚拟人身上跟踪器的移位反而导致画面运动的失真。但是运动捕捉技术仍然因能自动捕捉到人体运动的各个细节广泛运用在各领域。
2.3 物理的仿真技术
物理的仿真技术利用生物学动力学等物理定律完成运动,从而弥补了关键帧技术的不足之处,一般有半物理仿真技术和全物理仿真技术,半物理仿真技术的逼真度较高,主要重视人机之间的关系,全物理仿真采用物理模型的仿真,主要通过对实物的模拟完成仿真。我们通常应用人体关节的基本动力学和动力学模型,通过分析物理规律计算运动的过程,来完成动态的仿真,使得创作出的虚拟人的运动更加逼真。物理的仿真技术的优点主要是能结合动力学相关物理定律实现关键帧技术无法实现的理想运动控制。优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,人机之间的更多的交流使得捕捉到的技术更加精确。
3 虚拟运动的进一步发展
3.1 虚拟人运动控制的研究现状
近几年,国内外研究虚拟人运动控制的团体日渐壮大,国外相关团队对虚拟人的运动行走运动控制技术和捕捉进行了透彻研究,还有团队研究虚拟人面部的表情头发衣服进行了动画研究,实现了运动的仿真。国内的研究机构致力研究虚拟人运动的实时控制,通过对虚拟人身体部位的相关约束实现了虚拟人步行跑步等运动方式的拓展。
3.2 虚拟人的广泛应用
虚拟人广泛应用在国防航天和医学等人类活动领域,应用虚拟人可以制作出符合中国人航天服的数据,在汽车防撞的实验中也可以运用虚拟人检测防撞强度质量,在医学领域,虚拟人可以有效的帮助医生观察人体组织,提高医学效率。例如美国公司开发了Jack的虚拟人行走,能实现人体模型的建立和行走的仿真控制,通过关键帧动画方法,用户可以自己实现虚拟人姿态的调节,拓展了虚拟人行走的仿真功能。Jack虚拟人除了能直立行走还能跑跳弯腰低头行走,还能进行攀登跳跃等高难度的动作。本文对目前虚拟人几何模型建市的几种常用方法进行了阐述,并对它们的优缺点进行了对比分析,同时对走步、跑步等几种典型的运动的控制方法进行了概述和对比研究。总而言之,随着科学技术的发展,虚拟人运动控制技术逐渐成为虚拟现实技术的关键,已经日益广泛的渗透到人们的日常生活中,因而受到人们的关注和重视。我们应当继续对虚拟人行走建模进行深究,通过多种技术的相融合解决运动控制的各方面问题满足虚拟技术的需要和快速发展。
4 我们的工作
通过对虚拟人行走建模及运动控制的研究,我们建立了自主虚拟人智能行为的通用框架,包括两个模块,模块一主要解决虚拟人骨架建模方法,虚拟人运动建模方法,骨骼蒙皮方法,模块二重点解决了虚拟人运动控制问题,包括参数化关键帧方法,逆向动力学ik求解,基于运动融合技术的运动切换。该框架实现了一种生成真实感智能行为反应动画的方法,具有较好的真实感。在实时虚拟环境中进行的仿真实验结果表明作者提出的通用框架可有效进行自主虚拟人建模,为实时交互虚拟环境创建具有高度自主性、环境感知能力智能行为决策与运动控制能力的真实感虚拟人。
参考文献
虚拟仿真技术优点范文2
教学的应用研究以UG软件为平台，开展UG产品分析模块的实践教学研究，分析与探索产品模型受力、受热后的变形。以模具企业设计岗位的岗位知识、能力、情感要求为课程目标，以模具产品为项目载体，以Moldflow模流分析软件为工具，按工作过程来设计教学活动、组织教学。使学生掌握基本CAE分析方法的基本过程，为将来工作中实际应用提供必要的理论基础。通过模拟塑料的成型过程，可以找出产生这些缺陷的原因，再采取相应的措施来避免。塑料在模具中的成型性能也因模具的浇注系统的设计、塑料的性能、成型的压力和温度不同而不同。通过使用CAE软件分析，有助于让学生懂得如何优化其模具设计，使生产出来的塑件避免出现各种质量缺陷，优化产品设计及选取合适的注塑工艺等。通过模流分析软件的模拟，可以很容易看到是否出现困气问题，然后根据以上改善方法，拟定初步改善方案，用模流分析进行模拟验证，得出模流分析结果，对其进行分析比较，这样就能充分利用模流分析的虚拟模拟仿真，大大节省了试模成本，这就是模流分析之所以能够得到越来越多人认可的原因。
2虚拟现实仿真技术进行虚拟制造实践教学的应用研究
利用虚拟现实仿真技术，了解UGCAM的加工类型和特点；掌握UG软件在铣削加工方面应用知识；熟练掌握UG自动编程的常用命令和基本操作；掌握零件自动编程的一般步骤，并能根据零件特点选择合适的加工方法。在CAM自动编程和数控加工中，运用UG软件的仿真功能对后处理程序进行模拟，用UG数控仿真软件对加工过程进行仿真，检查优化其加工工艺的合理性，有效地提高机床的加工效率和模具加工质量。
3虚拟现实仿真技术进行虚拟装配实践教学的应用研究
在虚拟仿真实训室开展模具虚拟拆装和装配的实践教学研究，包括进行产品装配建模、装配路径与顺序的设计、零件装配过程运动分析等内容。通过虚拟实训室，开展模具结构的拆装实验，模具成型过程的运动仿真，模具知识的索引等实践教学环节的教学研究。对UG软件进行二次开发，开发出模具结构认知与虚拟拆装软件系统，完成典型模具的虚拟装配等实践环节的教学。
4虚拟现实仿真技术在实践教学中拟解决的关键问题
4.1虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，有效地避免了高校实验实训设备不足的影响因素。学生通过虚拟实验项目的学习与训练，减少其真机操作时出现许多失误问题。4.2虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，教师利用虚拟现实仿真技术教学时，与实训室技师经常切磋技艺、探讨操作问题，提高了教师的实践教学水平。4.3虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，改变了学生被动学习的方式，提高了学生学习兴趣、综合实践能力和高职实践课堂教学效果。
5结束语
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【关键词】虚拟仿真技术 高职机电 教学应用
虚拟仿真技术在实际训练教学过程中有明显优势，能够保证学生得到充分的锻炼和培训，在机电专业教学中引入仿真技术，还可以使原料、设备和工具等做到节约，降低操作能耗和环境污染，还能避免设备的损坏。虚拟仿真技术不仅不会对操作设备造成严重损害，也不会对操作人员的失误造成伤亡。虚拟仿真技术在高职机电专业中的应用在本文中还会有进一步分许和阐述，供高职院校参考。
一、高职机电专业教学面临的困境
高职学校在学术实际训练方面的设施设备部完善。当前，各个高职学校大都面临着硬件资源不充分，教育经费不足的情况，没有能力购买更多的实际训练实验器材和场地。面对这种情况，高职机电专业应该通过计算机虚拟仿真技术的使用替代实际操作，这样既能保证学生的锻炼，达到实验的效果，还不至于浪费资源，污染环境。
实际训练场地开放过少。场所开放太少，高职院校作为面向社会，用人单位和学生的服务单位，主要是开展科研和培训等业务，但是却受训练场地的约束，开放时间不足以满足社会和学生的需求。学生很难有足够的时间到实验室进行训练，影响了学生的动手实践能力的提高，目前的高职学生，使用电脑已经得到普及，通过虚拟软件的运用，能够让学生即使不到实验室也能得到实验训练。
高校在实验设备和器材上的维修和保护都需要一笔不小的经费。硬件设施很容易损伤，而且高额的维修费用学校不一定负担得起，而设备又必须经过多次的实训耗材，为实训带来了沉重的代价，并加大了实验室管理人员的压力。通过虚拟仿真技术的利用，不但不用维修设备，还能为实验训练节省许多实验耗材。
二、在虚拟技术的使用下构建虚拟实验室
课堂教学和实验中仍然存在很多问题：首先，当前的教学仍然存在理论教学为主的情况，实验实习只是作为教学辅助；其次，学生的实验操作存在问题，受场地和时间的限制，学生只有在上课时间才可以实验室，平常几乎没有时间和机会进行操作锻炼；最后，实验设备不足以满足学生在实验上的需求，硬件设施落后，且维修成本高。虚拟仿真技术主要为了提高学生的技术操作能力，有构想性、交互性和多感知性的等特点，有利于教师开展实训教学和专业训练，在解决高职教育的就业和实习方面具有重要意义。
目前，大多数课程都能通过虚拟仿真技术得以实现实验教学，建设虚拟仿真实验室能够降低高职学校的办学成本，并促进虚拟仿真技术和有关人才的发展，在解决教育资源匮乏上有十分重要的理论现实指导意义。高职院校在引进虚拟仿真技术时需要结合本校实际情况，创设仿真资源，合理选择，不同的高职院校针对机电专业的教学内容，就业定位等不完全相同，市场上的虚拟仿真软件不可能面面俱到，因此，应该扩宽引进渠道，为虚拟仿真技术的购置要选取多种方法，建立仿真资源，在教学上为机电专业提供支持和帮助。
三、虚拟仿真技术在高职机电专业教学中的运用
弥补设备不足的问题。保障实训教学的完成，并节省成本的使用。为使实践教学项目的效果得到彰显，过去落后的实践教学方法急需一笔巨大的资金，投入到教学设备的购买和置办方面，而且在教学过程中很容易消耗大部分原材料，传统的设备和仪器都将被淘汰，不能适应当前的教学需要。站在教学资源的情况来说，虚拟仿真技术实际上减少的资金投入总共包括占地面积、建筑、设备、原材料和教师等方面，据考察，大致能够降低3/10-4/5。还能减少实训带来的环境污染，让学生在良好的环境下学习，得到实践，提高教学效果。
替高职院校节省出一笔不小的经费。信息技术的迅速发展，高职教育中的传统媒介具有较强的信息滞后性。科学技术的发展不断进步，传播也需要有一定的载体，例如硬件设施和教学资源的配置等。随着知识经济时代的到来，信息技术的发展更加迅速，传统的硬件教学模式和实训教学设备不久就可能因为技术落后而从社会上淘汰，然而，设备的改造和更新又存在困难，只能购买先进的设备设施来解决这一教学困难。当前我国的教学资源本就不足，不但使得教学资源更加减少，还可能因为教学过程中没有使用相应的设备而陷入停滞状态，更不利于学校的发展。运用虚拟仿真技术建设实验室就能有效解决这一问题，可以让实训次数有所增加，促进软件的升级和改良，不用把硬件资源全部更换。虚拟仿真技术最有特点的就是不用消耗任何原料，而且可以多次重复实训的教学内容。虚拟仿真技术以其先进和容易改善的特点备受教育界青睐，不但减少了教育经费不必要的使用，让教学内容不断的在虚拟条件下更新进步，还能使实训教学与技术发展相适应，在变化的教学中满足学生和社会的需求。
提高学生学习兴趣。虚拟仿真技术是教学中优秀的辅助工具，能适用于教学交流和实训情景多个教学活动，虚拟的教学环境更容易让学生激发学习兴趣。虚拟仿真技术形象生动，直观和互动性较强，也能及时对学生情况做出反馈，学生学习过程中的假设模型都能以虚拟仿真技术进行虚拟，优势十分明显，学生通过观察虚拟假设得出的结果，还利于培养学生的创造性思维。因此，虚拟仿真技术利于学生较早熟悉实训环境，尽快掌握专业知识与技能，调动学生学习热情。
四、结束语
虚拟仿真技术在解决高职教育的实训问题上具有重要意义，解决了设备不足，器材落后，硬件更新慢等困难，把虚拟技术运用到机电专业教学中，提高教学效果，解决面临的实际问题，有利于推动高职院校机电专业的教学内容和课程改革，促进了虚拟仿真技术在高职院校中的运用与发展。
参考文献：
[1]熊淑平.虚拟仿真技术在高职教学中的应用探析[J].黄河水利职业技术学院学报，2013.
虚拟仿真技术优点范文4
1 前言
随着“卓越工程师计划”的实施，以工程实践教育中心建设为依托的大学生实训实验平台须融合IT技术发展新成果进行深层次整合和提升。国家教育部印发的《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》明确提出“建设优质虚拟仿真实验室”，2013年起各地开展各级虚拟仿真实验教学中心建设工作。“虚拟实验室”(Virtual Laboratory)是计算机网络化的虚拟实验环境，致力于构筑综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学研究集成环境。在这个环境里，可以有效地利用地理上分布的各种资源(数据、设备、人力等)开展教学、科研和实训活动，被称为“无墙的研究中心”。国内外有很多大学和研究机构都已经开展了虚拟仿真软件的开发和虚拟仿真实验室的建设工作，涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、图形图像、农业科学等教学科研领域。
虚拟仿真实验室可为全程互动的工程教育实践实训提供全新的教学仿真环境，具有实验环境开放、多元化、成本低廉等优点。随着云计算、大规模开放网络课程(MOOC)等新技术或和新媒介快速发展，虚拟仿真实验室的建设既要满足传统的虚拟仿真要求，也要满足“云学习”方式要求。我们以所承担的部级校外大学生实践基地建设项目为依托，研究和实践了以云计算平台为支撑的计算机工程教育虚拟实验室建设，构建开放性仿真教学实验云服务，提升软硬件资源利用率，优化实验室使用效益。
2 建设内容
基于云计算的虚拟仿真实验室按照信息技术学科专业的工程实训方案和人才目标，建立“理论授课-虚拟实验-实验室教学”融合的计算机电子信息类学科实验教学体系，将动画演示实验、实物实验、虚拟仿真实验、远程仿真实验纳入到相关专业的基础课程和专业课程的教学环节中。基于云计算的虚拟仿真实验室的建设应包括虚拟仿真实验教学资源的建设、虚拟仿真实验教学的建设、虚拟仿真共享平台的建设等方面。
2.1 虚拟仿真共享云服务平台的建设
按照服务与资源相结合的原则，建设统一的具有开放性、扩展性、兼容性、前瞻性的基于云计算的虚拟仿真实验教学管理和共享平台，其架构如图1所示。主要包括实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统。管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统和集成应用软件。
云服务平台实现了教育资源云存储、虚拟资源管理、平台监控管理、安全权限管理等功能，将多物理设备的存储和计算资源虚拟化为统一的资源池;提供教育资源在云计算环境下的多租户虚拟机资源按需供给，根据用户需求分配虚拟机资源，提供灵活的虚拟机部署和模板化虚拟机配置能力;提供包括云终端在内的富客户端访问平台资源和服务的方式;提供可视化的监控管理界面，能够实时监控各类资源，进行基于资源感知的管理;提供基于角色访问控制模型的安全权限管理。在实现技术原理上，主要使用了基于Swift技术的云存储功能，基于开源虚拟机监管器QEMU-KVM和虚拟化功能程接口Libvirt实现虚拟机管理功能。
在虚拟仿真实验室中引入了云终端，它是在网络体系中基本无需应用程序、无主机的计算机终端(见图2)，通过SPICE桌面协议与云服务器通信。云终端可以直接连接不同系统、不同配置的虚拟机，以此实现即插即用的网络便捷性、高度安全性及较低的IT支持成本。学生通过云终端获得数据和应用服务、教学资源。
基于云计算的虚拟仿真实验平台能高效管理实验教学资源，实现各种软、硬件实验教学资源的共享，打破专业实验的限制，满足多学科专业开展虚拟仿真实验教学的需要，并把实验方案按需模板化，为学生们批量创建合适的虚拟实验环境。云服务平台根据虚拟仿真数据量的变化动态地调度物理计算资源，既实现了虚拟仿真的功能，又能满足用户的虚拟仿真体验。
2.2 模板化虚拟仿真实验教学资源管理
虚拟仿真实验室利用学科专业优势，系统整合、共享学院信息化实验教学资源，添置和自主研发虚拟化课程软件。学生可通过云终端登录到虚拟仿真实验室平台，并根据课程需求选择创建合适的实验平台。虚拟仿真实验室通过为不同课程打造特色实验系统平台，有针对性的培养学生综合设计和创新能力，例如，针对计算机学科的《计算机网络》《Linux操作系统》《计算机网络安全》《Java程序计》4门课程开设50个典型实验。在云服务平台支持下，实现教学资源模板管理(如图3所示)，将各种资源按照不同的使用规格，按需为用户提供定制的资源模板，提供模板的创建、修改、激活、删除等功能。在定义云应用个性化性的、通用型的虚拟机资源视图模板基础上，在应用过程中通过实例化各种视图模板，实现云中的资源和操作在不同类型的终端的展现。
2.3 虚拟仿真实验教学组织
在软件平台的支持下，在实际教学中，组织教师精心设计虚拟仿真实验方案，控制虚拟仿真实验的过程，适时进行虚拟仿真实验资源的整合。为了确保虚拟仿真实验教学的顺利进行，教师在设计方案时，在课题范围内选择代表性的试验样本，并预设既定或随机化的目标，并以此制定实验总体控制预案。在实验方案确定后，虚拟仿真实验需要在实验预知、实验操作、交流讨论、实验课题或作业等环节进行变量控制，以充分发挥学生能动性又不偏离实验预期为宜，最大限度地促进创新思维的发挥及效用。
3 实验室建设的关注点
3.1 云计算与虚拟仿真技术的结合
云计算技术将所有的硬件和软件资源形成一个资源池，支持可伸缩的资源需求，提供无处不在的计算存储能力。虚拟仿真技术能模拟真实的实验设备和实验场景，使学生通过人机交互的方式在模拟的实验设备、实验场景和软件中开展实验，达到在虚拟现实环境中实现各种预定实验项目目的。通过云计算和虚拟仿真技术的结合，实验室能按需动态调度物理计算资源，实现虚拟仿真功能，支持软、硬件教学资源的共享，从而实现了无处不在的学习。
3.2 自主研发与直接引进相结合
基于云计算的虚拟仿真实验室包括已有的软、硬件教学资源，例如服务器、机房、教学课件等，除此之外，还需要课程虚拟仿真软件和虚拟仿真平台管理软件。其中，课程虚拟仿真软件将通过直接购买现有的软件获得;基于云计算的虚拟仿真实验平台由实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统、管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统、集成应用软件组成，软件是由我们教师组织研发团队自行研发，为后期的维护、更新提供可靠保障。
3.3 传统教学模式与mooc教学模式相结合
传统的实验模式要求学生在规定的时间到规定的实验室进行实验，由于实验的时间有限，实验设备不充裕，实验设置简单呆板，时间和地点受限，导致学生往往对实验不感兴趣，应付了事。而通过建立基于云计算的虚拟仿真实验室，实现了面向自主学习的开放、互动的网络虚拟仿真实验环境，使学习者能够便捷、灵活地获取优质教学资源，通过学习过程中的交流、互动、协作与评价，完成高效、低耗、多样的实验。
3.4 低成本与逼真的仿真体验相结合
由于云计算的资源虚拟共享特性使得在云平台的基础上构建各种应用具有低预置成本、低维护成本和低消耗的特点。基于这一优势的同时，为了保证逼真的仿真效果，云平台能根据虚拟仿真实验的实时数据量动态地对各种软、硬件资源进行调度，充分满足虚拟仿真实验在功能和效果上的要求。
4 结束语
基于云服务的虚拟仿真实验室能根据不同课程特点在虚拟仿真实验平台上创建适合教学的实验，特别是实际工程实训实践项目的需求，综合利用模板化虚拟机和资源调度技术，为学生提供按需的教学资源访问和实验过程。由于其可灵活设计实验、可批量生成实验平台、低维护成本和低消耗等特点，虚拟仿真实验室的建设对推动教学改革，提高一体化科研教学的效率、降低成本有着积极的作用。
虚拟仿真技术优点范文5
关键词：虚拟样机技术;工程机械仿真;应用
1.虚拟样机技术
所谓虚拟样机技术，就是在制造真实样机之前，以计算机虚拟现实的研究平台为基础进行工程机械产品的设计研发，其依托的核心理论基础是多体动力学、现代控制理论等等，同时利用计算机、三维图形处理、信息集成等技术，把需要设计的工程机械产品的分散的零部件的有关分析信息结合在一起，从而建立起工程接卸产品的数学模型，并且针对产品应用中的工况开展仿真分析，从而对该产品的整体性能、使用性能等进行科学的预测，再进行系统的细节上的整改优化[1]。
虚拟样机技术已经被应用于工程机械产品仿真设计开发的整个过程，是一个面向系统的技术设计，其中包括数字样机，包括功能虚拟样机，还包括虚拟工厂仿真，这三个方面有效地结合，从而实现了工程机械产品样机从实体向虚拟的有效转化。虚拟样机技术为虚拟工程机械产品的开发提供了非常强大的技术支撑。
基于虚拟样机技术设计开发工程机械产品的基本流程可以分为以下四个步骤：第一步是，先建立起工程机械产品的开发模型，利用现有的知识对开发过程进行分析改进;第二步是，利用上一环节得到的模型，建立起产品的数字化、仿真和分析模型;第三步是，运用仿真和分析工具对产品模型进行功能和性能分析;第四步是，根据仿真和分析得出的结果，对虚拟样机产品的各方面性能进行综合评估改进[2]。与传统的基于物理样机的方法比，它具有更多的优点。
2.虚拟样机技术依托的几款常用软件
虚拟样机技术的应用需要借助一些虚拟样机软件来实现，这些软件要求界面比较友好，要求功能比较强大，要求性能比较稳定。当前市场上存在的软件比较繁多，二十几家家公司进行激烈的竞争。其中，被广泛应用、口碑比较好的，有美国的机械系统动力学自动分析软件，德国的SIM PACK，Phoenics等等，而美国的机械系统动力学自动分析软件占据的市场份额最大，也是其中最受欢迎的一款虚拟样机软件。
机械系统动力学自动分析软件可用于虚拟样机分析，用户用来对样机进行静力、动力和运动学方面的有效分析。同时，机械系统动力学自动分析软件也可以用于虚拟样机开发，它开放性的程序结构以及多种接口，能够被特殊用户开展特殊样机分析开发提供一个非常良好的开发平台。机械系统动力学自动分析软件一般运用部件库、交互图形环境、约束库等，建立起来参数化的几何模型，求解器构建动力学方程，对虚拟系统开展分析，从而输出速度、加速度以及位移和反作用的曲线。这款软件的仿真能够用来测试工程机械产品的运动范围、峰值载荷，也能够用来进行碰撞监测等等[3]。
3.机械系统动力学自动分析软件的应用
机械系统动力学自动分析软件能够有效地解决挖掘机等的研究设计中的许多问题。比如，挖掘机是由斗杆、动臂、铲斗和液压缸构成。（如图2）
1：动臂;2：斗杆;3：铲斗;4：动臂液压缸;5：斗杆液压缸;
6：铲斗液压缸;7：连杆;8：回转平台
图2 挖掘机的装置
目前挖掘机出现了几个问题，我们可以用仿真分析分析挖掘机不工作了、斗杆、动臂、铲斗转动围绕F、C、Q转动时候的情况下，F、C、Q三点的力矩和角速度变化情况。我们在建立仿真模型的时候可以忽略油缸，因为它所产生的力矩能够转移至关节。我们可以先创建二百七十八千克重、四米长、十毫米厚的大臂，二百四十五千克重、三米长、十毫米厚的小臂以及重达三百八十一千克的铲斗，然后再增加约束力，再增加驱动力。我们可以假设在上述情况下，三点的运动函数，Function=sin（ - 100d* tmie），仿真的时间为五秒，步数是二百步，结果就是，F在时间为1.975秒时扭矩最大为1.234×104Nm，C在时间为0.625秒时扭矩最大时为3670×104Nm，Q在时间为2.525秒时扭矩最大为1.58×103Nm，可以得出F、C、Q三点的角速度的变化是一样的。由此可以看出，机械系统动力学自动分析软件能够得出关节力矩图，甚至还能够计算其数值。机械系统动力学自动分析软件还能够在得知运动轨迹的情况下，计算出关节需要的力矩等等，具有非常强大的仿真计算的能力[4]。
4.虚拟样机技术的意义
虚拟样机技术的发展，可以说充分体现了全新的研发模式，它使工程机械产品的设计开发能够摆脱对实物样机依赖，能够为企业的发展带来非常大的作用，主要体现在：
一是能够大大地降低工程机械产品更新换代情况下产品开发的风险，从而有效的提高企业的生产效率，从而在激烈的竞争中得以健康发展。二是虚拟样机技术的发展能够使之前无法想象的销售虚拟产品成为一种现实，企业能够事先凭借设计开发出来的虚拟样机寻找合适的客户，然后在充分吸收客户的意见的基础上，再投入实体生产，在工程机械产品的开发中更加灵活，在市场竞争中也更能够掌握主动权[5]。三是工程机械产品的虚拟化和数字化能够使企业能够通过互联网优先进行相关产品信息的无障碍交流，通过共享来学习借鉴其他企业的先进技术，从而克服了资源获取的局限性，在这个过程中可以寻找一些企业组成联盟，来共同开发和获取所需要的知识技术，从而借助团体的力量来增强对变化莫测的市场的适应性。四是基于虚拟样机技术工程机械产品的设计研发，要求设计开发人员必须具有雄厚的虚拟样机技术理论基础，专业分析员最后也就成为产品的设计者，这对技术人员的业务素质技能以及协同工作的能力都带来了更高的要求。
5.结语
综上所述，本文认为，随着科学技术的迅猛发展，以及市场竞争的日益加剧，在工程机械领域，虚拟样机技术已经越来越成为工程机械产品设计研发的主流支撑技术。各大企业应当加强对虚拟样机技术的深入了解，招聘更多的高技能专业技术人员强化对虚拟样机技术的应用，从而降低产品生产成本、提高产品生产效率、优化产品质量、提升企业的经济效益，不断增强在激励的市场竞争中持续健康发展的能力。
参考文献：
[1]王洪伦，龚烈航，肖斌安.基于虚拟样机技术的工程机械仿真分析与应用研究[J].机床与液压，2008.07：140-142+163.
虚拟仿真技术优点范文6
【关键词】CORS系统；国土测绘；应用
中图分类号：P2文献标识码： A
一、前言
虚拟样机技术对泥浆泵仿真有着重要的作用。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强虚拟样机技术的进一步研究，对我国国泥浆泵仿真的发展有着重要意义。
二、虚拟样机技术概述
机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术，是当前设计制造领域的一门新技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发产品的设计方法。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析评估系统性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。
传统的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种设计的弊端是往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种情况在国内经常发生。借助于虚拟样机技术，传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上到下”的顺序进行，这样可以避免在系统设计方面的失误。
虚拟样机技术在设计的初级阶段――概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各个组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案，再做出物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，获得最优化和创新的设计产品。
三、制造虚拟样机的基本过程
制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程。
首先是进行机械设计，设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。当方案制定后，设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。
零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综合考虑，如装配、应力、加工等，在制定设计文件时，工程技术人员要决定如何描述最后的零件和装配。生成图纸时，设计尺寸要转换成工艺尺寸以体现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件(如应力分析、振动、热分析等)构成设计的最主要部分。
最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。
在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等)。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。
四、虚拟样机开发技术的特点
虚拟样机开发技术与传统产品设计技术相比，具有如下特点：
(1)面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；
(2)涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善；
(3)支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上利用计算机网络通讯技术，使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX向集成优化的现代集成制造系统(CIMS)的发展历程一样，复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程――复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现，不仅仅是一种新技术的应用，而是设计思想的变革，将对制造业产生深远的影响。
五、虚拟样机技术的基础
虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。
(1)智能设计技术。
CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。
由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具(如有限元分析、快速原型等)、计算机辅助概念设计和CAD技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的、满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。
(2)并行工程。
并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素(质量、成本、工艺、结构、性能等)，且要求实现计算机网络环境下的协同工作。要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。
(3)仿真工程。
对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据(如形位公差等);工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等;生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。
(4)网络技术。
在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。
六、虚拟样机技术在泥浆泵仿真中的应用
泥浆泵是在钻井过程中，将泥浆加压后携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，向井底输送和循环钻井液的泵。泥浆泵在石油工业和工程领域应用广泛。现代工业的小断发展对泥浆泵提出了更多更新的要求，使得钻井泵结构的介理性、工作性能的优越性和可靠性成为设计时的重要指标。然而，传统的设计与制造过程，需要经过概念设计、产品设计和制造样机进行试验等，这一过程无法缩短设计周期，对市场的灵活性小。因此，为了提高市场竞争力，各企业必须小断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。
随着计算机仿真技术的发展，虚拟样机技术日益广泛地应用在各个领域。它从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决了传统的设计与制造过程的弊端。极大地增加了效率，降低了成本。因而，利用计算机仿真对石油钻井中常用的泥浆泵进行分析具有现实意义。
1、泥浆泵的结构及参数
石油矿场所用的泥浆泵一般是山柴油驱动的卧式的双缸双作用泵或三缸单作用的活塞泵。泥浆泵一般由驱动部分（底座、传动轴、齿轮、偏心轮、连杆、十字头等)和水力部分（泵缸、活塞、吸入阀、排出阀等)组成。其工作性能主要体现在排量、压力、冲数以及功率上。对NB8-600型泥浆泵，其最大传动功率为600马力，活塞冲程400mm，最大冲数65冲/min。
2、基于虚拟样机技术的泥浆泵运动学、动力学仿真
（1）仿真三维模型的建立
利用机械参数化三维仿真软件Pro/E建立了NB8-600泥浆泵部分系统的三维有限元模型，并进行模型干涉检验、修改、图2是简化后的总装配图模型。
（2）仿真过程
采用ADAMS12.0进行仿真分析.流程图如图3所示：
（3）仿真结果
通过仿真分析可以得到设计时所需要的各种重要曲线和参数，如主轴、连杆、十字头、拉杆、活塞等运动部件的位移、速度、加速度大小、运动规律和受力情况等。分析这些曲线和数据可以知道在运动过程中，各构件的受力是否满足应力许可值，以及是否能达到强度要求，如果不能满足设计要求则需要修改模型。本文经过几次仿真分析和对模型的修改后得到了能够满足工况的设计理论模型，为系统设计提供了依据。
3、结论
虚拟样机技术作为一种新型的、基于集成化产品和过程开发策略的新的产品设计、开发、评估手段，在各个行业正越来越受到重视，在产品研发中起到了显著的作用。根据虚拟样机技术的基本理论，结介泥浆泵的相关资料，利用机械设计自动化软件Pro/E建立了NB8-600型泥浆泵三维模型，并使用虚拟仿真分析软件ADAMS12.0进行了模型的运动学、动力学分析和局部优化设计，得到了系统模型的运行规律和小同驱动力下的运动、受力情况，为改进结构设计、节约设计周期和成本提供了理论依据和方法
七、结束语
虚拟样机技术是泥浆泵仿真的核心。因此，在泥浆泵仿真的后续发展中，要加强虚拟样机技术的运用与思考，确保虚拟样机技术水平的提高。
参考文献
[1]陈小川等.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造，2009(12):8-10.
[2]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[J].西安：西北工业大学出版社，2012（9）：78-80.
