三维仿真论文范例6篇

三维仿真论文

三维仿真论文范文1

【关键词】三维仿真教学软件 开发 应用机制

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889(2017)04B-0027-03

计算机仿真是在计算机上建立形式化的数学模型,然后按一定的实验方案,利用系统的模型通过模型解算的方法来获得系统动态行为的一种研究系统的过程。计算机仿真技术是以计算机为工具,以相似原理、系统技术、控制理论、信息处理技术以及各种相关领域技术为基础,以计算机和其他专用物理效应设备为工具,根据系统试验目的,建立系统模型,并在不同的条件下,对模型进行动态运行试验的一门综合性技术。随着计算机仿真技术的迅速发展,仿真技术由二维平面图形向三维虚拟现实逐步转化。三维仿真技术具有生动、形象、经济实用等优点,已广泛应用于科学研究、工业制造、交通运输、工程设计、教育培、军事、医疗等众多领域之中。

一、三维仿真技术在职业教育领域的应用

仿真教学是利用实物或计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境,并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行、优化等的教学方式。它的出现对职业教育的发展产生了极大的推动作用,为新的教学手段开发奠定了基础,使教学方式、方法的改革和创新成为职业教育发展的必然趋势,结合互联网使用,可以使职业技术教育实现远程学习、在线学习,突破传统职业教育依赖于硬件设备进行教学的局限,促进职业教育跃上了一个新的台阶。目前,许多职业院校充分利用现代计算机技术和仿真技术开发了三维仿真教学软件、实验或实习仿真教学系统,开展仿真教学和实验、实训操作训练,如利用数控加工仿真教学系统,可以实现学生编程刀具路径轨迹校验、检查碰撞、工件过切、程序优化等教学过程,尽可能避免未经校验的程序在实机操作过程发生碰撞等危害事故。电梯技术实训仿真教学系统可实现电梯技术中的机械、电路、传感器、变频调速、PLC 控制等技术实训的仿真教学。建立与课程相对应的仿真实验室、仿真实训室、仿真实训车间、工厂,利用仿真实训室开展单项技能训练和综合项目实训,如数控仿真实训室、三维电子导游仿真实训室、财务仿真实训室、冶金仿真实训室、变电仿真实训室等仿真实训室,使学生直观地、低成本地体验生产环境,完整地、清晰地了解生产流程和各个岗位的工作任务等。

二、三维仿真教学软件的开发方式

教育部的《教育信息化十年发展规划(2011―2020年)》明确提出:加快职业教育信息化建设,建设职业教育虚拟仿真实训基地。由此可见,虚拟仿真实训基地是专业实训基地的一个重要组成部分,职业院校要积极建设仿真实训基地等信息化教学设施,组织力量开发适合学校发展需要的仿真教学软件,以满足信息化教学的需要和专业建设的需求。三维仿真教学软件的开发通常有学校自主开发、校企合作开发、软件购置三种方式。学校组织教师自主开发虚拟仿真教学软件,主要是解决教师教学中特定的教学问题,这是提高教师信息技术水平的一个重要举措,也是解决学校信息化教学资源不足的主要途径。例如,广西机电工业学校教师自主开发的基于单片机技能大赛的三维虚拟仿真软件,仿真度高,可以根据训练项目进行编程和调试程序实训操作,包括单片机控制的机械手进行实时仿真等。校企合作开发的虚拟仿真教学软件主要是学校根据自身需要定制的产品,学校根据自身教学需要提出仿真软件系统的总体要求、技术要求、教学模块功能、产品的指标等需求,成立由学校专业教师和企业专家组成的开发小组,教师根据教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程进行教学设计,再由软件技术开发公司来负责技术实现。例如,广西机电工业学校开发的基于工作过程的模拟电路分析与制作三维仿真、地质灾害三维仿真等与教材配套、具有学校特色的教学软件。软件购置是学校根据教学需要和使用场所,购置易于实现与其他设备、软件衔接的行业中具有代表性的教学软件系统。

三、三维仿真教学软件开发的流程

教学软件是为实现特定的教学目标、实施特定的教学过程而设计开发的应用软件,教学性是它固有的属性。在开发过程中应将教学设计和软件工程二者有机结合,软件开发团队应该由职教专家和专业技术专家等组成。自主开发和校企合作开发仿真教学软件一般由分析、论证、设计、实现、测试、验收这六个阶段组成,而软件购置则省略了设计和实现这两个阶段,三维仿真教学软件开发的流程如图 1 所示。

(一)需求分析。教学软件的需求分析是保证教学软件开发质量的重要前提。其主要任务是回答“软件必须做什么”,从而确定软件开发的目标和预期效果,并在使用条件分析、软件功能分析和教学特性分析的基础上,确定软件的使用条件、教学功能、教学特性等其他方面的要求。

(二)方案论证。根据软件开发的目标和预期效果,对所要开发的软件产品现状进行比较分析,明确已有教学软件同类产品可以解决的问题和不能解决的问题。依据教学需求分析和已有产品现状分析的结论论证教学软件开发的必要性,从教学软件开发的经费、开发团队的组成及其成员的技术水平、教学功能实现的技术手段等方面论证教学软件开发的可行性,进一步确定开发软件的总目标。

(三)软件设计。为了保证教学软件的教学性、科学性和可操作性,软件设计很重要的一部分工作就是进行教学设计,围绕教学软件的教学目标、教学内容、教学策略和评价方式分别进行分析设计,确定教学软件整体框架结构,功能模块等。

(四)软件实现。软件实现是教学软件开发流程中最能体现教学软件特色的重要环节。首先要进行技术预研,选择合理的开发平台以及软件工具,然后根据软件设计的结果,围绕教学软件的界面、数据库、功能模块等详细规划。比如,对机械部件的实物原型进行三维建模、运动功能、驱动控制、外部数据接口等功能设计。最后,使用 Unity3D 软件作为开发平台,实行仿真环境的场景、环游功能和人机交互功能。具体实现步骤包括:先测量实物的实际尺寸,使用 CAD 软件绘制二维图像(.DWG 格式),然后利用二维图像在 3DsMax 软件中建立三维模型(.FBX格式),最后在 Unity3D 软件中导入三维模型,针对三维模型的碰撞检测以及人机交互功能进行代码的编写。 (五)软件测试。软件测试是确保教学软件|量的重要环节,分为单元测试、整体测试。由教育专家、技术专家、教师和学生对所开发的软件产品进行功能和效果等测试,及时发现软件产品存在的问题,再根据存在的问题和修改建议进行修改优化。

(六)评审验收。教学软件的评审验收需要专家、同行和用户三方结合进行。专家和同行的评审可以保证教学软件的教学功能和技术性功能,用户评审有利于积累教学软件的开发经验。

四、三维仿真教学软件的应用机制

仿真教学软件(系统)应用的主体是教师、学生和在职培训者。应用仿真教学软件的目的主要有三个方面:一是通过仿真教学软件的虚拟交互,使抽象内容形象化,学习活动变得生动有趣味,降低学习难度,调动学习者的学习积极性,从而提高教学效果;二是利用仿真软件开展教学,可以弥补场地、设备和师资的不足,实现理论与实践的同步教学,提高教学效率;三是利用仿真教学软件和网络搭建的平台,打破地域和时间的限制,实现网络教学和远程培训。为更好实现上述目标,必须建立相应的仿真软件运行管理机制、学习者学习机制、教师培训机制、仿真软件应用的考评机制、仿真软件使用评价机制,如图 2 所示。

(一)仿真软件运行管理机制。为教师、学生和培训者提供便捷的教学使用平台是仿真教学软件应用的基本前提,因此教学软件运行管理机制是教学软件应用中最重要的机制。经评审验收后仿真教学软件由学校信息中心或相应的部门进行集中管理,负责教学平台的运行管理和维护。相关的专业教学部门或开发部门负责开发与之对应的教材、学习指导等教学资料,并建立相应的教学平台,为仿真教学软件的应用提供基本的保障。可通过建立完善相关管理制度和明确工作职责来建设仿真教学软件运行管理机制。

(二)学习者学习机制。网络课程在线学习和远程培训的主要对象是在校学生和在职职工。可通过把学生利用网络课程学习或职工参加远程学习的情况与对应课程考核成绩挂钩的方式建立学习者的学习机制。

(三)教师培训机制。教师是仿真教学软件的主要用户之一。教师要对软件的使用方法、应用场合及其主要功能、教学性能要十分清楚,并能熟练演示和操作仿真软件,才有可能在教学实施过程中应用仿真软件进行教学。可采取企业培训、校本培训和开展相关教学教研活动的方式对教师开展培训,并建立教师学习培训跟踪考核评价制度,确保教师会用、想用,使之成为教学中不可缺少的重要手段,提高教师信息化教学应用水平。

(四)仿真教学软件应用的考评机制。教师是教学的组织实施者。要充分调动教师利用仿真软件开展课堂教学或组织实施项目的积极性,改革教学方式、方法和教学模式,(下转第38页)(上接第28页)更好地利用仿真软件辅助教学,提高教学效率和教学质量。建立教师应用仿真软件的考评机制可以从以下几个方面入手。一是将教师应用仿真软件(信息化)教学明确为工作职责之一;二是把教师应用仿真软件(信息化)教学的考评机制纳入教师学期业务考核内容;三是与教师的专业技术职务晋升挂钩,将教师运用应用仿真软件(信息化)教学的能力作为教师的岗位能力,作为资格晋升的必要条件之一;四是建立奖励制度,对教师开发仿真软件和应用仿真软件参加信息化教学比赛给予业务考核加分和物质奖励。

(五)仿真软件使用评价机制。建立有效的仿真软件使用评价机制。从教师、学生、培训者的多维角度,对软件教学功能、性能、效果和可操作性及开发水平等方面进行调查评价,在调查评价基础上分析其使用效率、使用效果、评价反馈意见等,为同类仿真教学软件的开发提供改进的依据和借鉴。

总之,教育信息化已经成为职业教育发展的必然趋势。随着计算机技术和仿真技术水平的不断提高和计算机仿真的硬件与软件成本的逐渐降低,三维仿真教学软件将不断地升级更新,更加智能化、真实化,从而使得仿真软件具有成本较低、贴近真实的工作场景、操作简单、灵活方便、维护容易、学生参与性强、互动性好、易于接受的特点,最终三维仿真教学软件将会在职业教育领域中发挥越来越重要的作用,成为新时期的重要辅助教学手段。

【参考文献】

[1]廖守亿,陈 坚,等.计算机仿真技术[M].西安:西安交通大学出版社,2015

[2]郝丽娜,刘兴刚.计算机仿真技术及CAD[M].北京:高等教育出版社,2009

三维仿真论文范文2

中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1007-9416(2012)04-0000-00

1、论文研究背景及意义

近多年来,由于计算机及网络相关技术的迅猛发展,世界经济发展的必然趋势就是数字化,数字城市也逐渐引起了人们的注意。那么怎样应用计算机技术来构建数字城市,近而实现城市的数字化已经引起城市规划及管理人员和城市居民的共同关注。城市仿真技术在构造数字城市过程中发挥着非常重要的作用,因此成为当前一个新的研究热点。仿真(Simulation)技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术,以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面,使之在感知行为的逼真体验中获得直接参与和探索仿真技术对象在所处环境中的作用和变化。城市仿真(Urban Simulation)技术就是仿真技术在城市规划、建筑设计等领域中的应用,表现为人机交互、真实建筑空间感与大面积三维地形仿真,即交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。采用虚拟现实技术构造出来的城市视景仿真系统是数字地球的重要组成部分和支撑手段,已经被广泛应用在城市的规划、建设以及管理当中,对于城市发展规划的各个方面都具有相当重要的意义。

2、国内、外的视景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三维建模软件是世界上流行的实时三维数据库生成系统的软件环境,在仿真系统中得到广泛的应用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境。Urbansim是基于城市交通需求模拟分析和城市土地综合分析的新型城市发展仿真软件。MagicCity属于WinTel架构基础上的虚拟现实和视景仿真系统。我国在视景仿真系统开发的同时,也在进行仿真系统软件平台的开发。TrueSim v2.0 三维实时仿真软件平台是深圳市创想科技发展有限公司在综合了国内外多项最新三维仿真技术的研究成果以及多年来从事三维仿真研究所积累的多种经验的基础之上推出的具有自主知识产权的仿真平台。神州视景信息技术有限公司自主研发了“基于普通PC和Internet的大规模场景实时漫游引擎系统――SCVR”。 Virtools是一个实时三维虚拟现实编辑软件,可将多种常用文件格式(三维模型、二维图表、声音等)整合到一起,并具备交互功能,能够开发出电脑游戏、建筑仿真、交互娱乐等多种3D产品。

3、本文的研究目的及重要内容

本文通过研究虚拟现实视景仿真技术的相关知识,实现以我们学院校园为虚拟环境的视景漫游系统。通过对虚拟场景的构建,能够实现视景漫游中的自动漫游和交互漫游等效果。本系统应用建筑草图大师Sketchup和MultiGen Creator软件工具来构建虚拟场景中地形及建筑物的三维模型,并建立道路、树木、路灯等虚拟景物,借助Vega Prime软件平台和工具集对校园虚拟场景进行仿真,在VC++开发平台下实现三维景观及模型的交互式(以鼠标、键盘等交互方式)控制,实现了虚拟校园景观的视景仿真漫游系统。

本文主要研究内容和所做工作总结如下:

(1)了解视景漫游技术以及虚拟现实的发展,对国内外虚拟现实技术应用现状进行调研。

(2)对黑龙江农垦科技职业学院的视景环境数据进行搜集和整理,包括地形数据的获取、建筑物数据的获取、纹理数据的获取等等。

(3)研究用虚拟现实建模软件Sketchup、Creator以及三维建模技术、模型真实感技术以及模型优化技术等对地形、道路、教学楼和图书馆等建筑以及校园之中的花草树木等进行建模,构建出虚拟场景模型库,然后用视景漫游软件Vega Prime和VC++对虚拟场景进行漫游和交互控制。

(4)研究模型数据库建模和优化技术问题,模型数据库的建构、调整和优化对提高实时仿真系统中运行的速度和流畅性起着至关重要的作用,成为目前重要的研究课题。

(5)碰撞检测技术。开发虚拟现实仿真系统有一个主要目标就是能够让用户以尽可能接近自然的方式与构建的虚拟场景中的物体直接进行交互。要实现自然的、精确的人机交互功能首先要解决的是碰撞检测的问题。碰撞检测是虚拟场景中动态物体与静态物体之间或动态物体与动态物体之间进行交互的基础。在碰撞检测中有两个问题需要解决,一是检测到碰撞的发生和碰撞的位置,二是计算碰撞后的反应。而碰撞检测是计算碰撞反应的先决条件,因此,碰撞检测是虚拟环境中一个必不可少的部分。

(6)为保证虚拟场景的真实性、生动性及其对用户的感染力,对基于粒子系统的虚拟场景环境特效技术进行研究。

校园视景仿真就是在计算机环境中对真实校园的景观进行虚拟再现,采用虚拟现实相关技术,生成一个实时的、能给用户各种真实感受的三维虚拟环境。利用计算机软硬件及其相关输入输出设备,使用户可以在虚拟的校园场景中进行浏览和交互漫游,感受校园中的风景。利用这种方法可以让更多的人来了解我们的学校,对本校园的环境及交通现状等方面有更深刻的认识。

参考文献

三维仿真论文范文3

关键词: OpenGL,三维模型,系统仿真

Abstract: this paper introduces the concept of system simulation and OGL in establishing the function characteristic of the simulation model, and the simulation system, and the application of the simulation system based on subject development, very good that the established with OpenGL simulation model is convenient, easy to control the modeling, etc.

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.

[2]Richard S.Wright ,Jr.Michael.OpenGL超级宝典[M].北京: 人民邮电出版社, 2001,6.

三维仿真论文范文4

汽车转向机构是控制转向轮转角的部件。它使汽车在转向时,左、右两转向轮偏转按一定的关系变化,以保证车轮与地面的相对滑动尽可能小。理想的状况是各车轮绕同一瞬时转向中心转动,车轮与地之间均做纯滚动而不产生滑移,即符合阿克曼转向特性。目前普通的梯形转向机构无法保证左、右前轮的转角关系完全符合阿克曼原理,从而导致汽车在转向过程中车轮与地面之间存在着一定的滑移,影响汽车转弯时的稳定性,降低车轮使用寿命。对完全符合阿克曼转向关系的研究一直是汽车设计的热点。文献[2-7]列举的各种转向机构中采用了多杆机构、齿轮齿条机构及凸轮式误差补偿机构等,这些机构各有其特点。文中提出的机构,转向部分仅用5杆,实现了纯滚动转向。

1工作原理

图1中,根据阿克曼原理[1],两侧车轮偏转角α和β的理想关系。汽车机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向机构3部分组成[1]。文中讨论的转向机构包含图2中的5杆:转向横拉杆1,套筒2,左梯形臂7,右梯形臂5(即导杆,和右车轮为同一构件),机架6(含滑槽)。转向操纵机构、转向器等只用其余构件简单示意。套筒2在机架6上的滑槽4内滑动,使得左梯形臂7(和左车轮一体)和右梯形臂5(即导杆,和右车轮一体)可以绕A,B两转动副转动,且由于滑槽4的曲线形状是根据阿克曼关系获得,所以左、右两车轮转角之间关系完全符合阿克曼原理,能实现纯滚动转向。

2滑槽曲线构造

图2中滑槽4的形状是根据阿克曼原理的关系式获得。为了避免求解含三角函数的非线性方程组,并且更直观,文中采用了SolidWorks进行三维建模,以其内嵌的、以ADAMS为内核的三维运动与动力学仿真插件COSMOSMotion进行运动仿真[8],获得该滑槽轨迹曲线。在SolidWorks中建模,运行COSMOSMotion仿真模块,设置运动副,添加约束,建立的三维仿真模型如图1所示。车轮右转,在左梯形臂上添加一个运动,运动方式为相对机架的前外轮转角α;右梯形臂也添加一个运动,运动方式为相对机架的前内轮转角β,且以α为自变量,由阿克曼公式得。这样,左右梯形臂转角关系完全符合阿克曼原理。车轮左转时与此类似。通过COSMOSMotion仿真跟踪滚子的运动轨迹曲线,获得该曲线坐标,通过SolidWorks三维建模,在机架上拉伸切除,可以得到滑槽的形状,如图3所示。

3转弯性能仿真验证

分别从仿真结果数据曲线和仿真运动模拟图形两方面进行转弯性能仿真验证,说明该机构完全满足阿克曼原理。获得特定曲线滑槽后,在SolidWorks中将各零件完成装配,在COSMOSMotion中再次仿真,将图2中的方向盘10转动设置为原动件,用仿真耦合关系,转换为转向直拉杆9的移动,经由转向节臂8带动转向机构运动。图4是仿真结果数据曲线,横坐标是图一中所示左车轮转角,纵坐标是右车轮转角。两条曲线分别是三维模型中右车轮的实际转角、阿克曼公式绘制的右车轮理论转角。可见,两条曲线几乎完全吻合,微小的误差来自建模和仿真误差。图5是仿真实际运行的3个位置状况截图,用固定在各车轮轴随车轮转动而转动的杆模拟显示车轮轴线转动情况。可见在右转弯过程中,每一瞬时,4个车轮轴线均相交于一点,实现了绕定点滚动转向,车轮与地之间均做纯滚动而不产生滑移。

三维仿真论文范文5

【关键词】Flightgear 轻型飞机 动力学 仿真

基于Flightgear动力学三维视景仿真是以轻型飞机为基础,在实验室环境中对飞行器进行飞行规律的研究。采用动力学分析理论结合 OpenGL 三维动态显示技术,对其进行动力学三维视景仿真。利用 Flightgear 开放平台进行飞行可视仿真,建立各部分的动力学分析模型。在飞行器真正试飞之前,对飞机进行设计特点分析。构建全功能、全动态的三维可视飞行仿真系统,解决目前因缺少高置信度动力学模型致使一些控制律设计工作无法有效开展的问题。

1轻型飞机动力学三维可视仿真研究背景与现状

仿真测试设备是在某轻型飞机六自由度非线性数学模型实时仿真的基础上, 进行三维可视模型的设计。在飞行控制系统设计的整个周期内需要检验飞行控制系统的正确性与可靠性,利用 Flightgear 完成飞行日志的记录和视频的回放。鉴于现阶段国内的动力学分析中,系统实施所需要的软硬件环境和实施过程。除了非线性动力响应分析以外,还需考虑多门交叉学科的高、精、尖技术。根据总体模态及其特征值结构参数设计、空气动力学特性、控制算法等,建立一套可行可靠的飞行控制系统仿真环境。验证飞行器的控制律设计,检验飞行控制系统的功能和性能。

2轻型飞机三维可视仿真研究的理论基础

轻型飞机与大飞行器相比有明显的差异,动力学模型通常不能直接利用静力分析。它的总体响应及其动载荷都是新的研究领域,在模态分析时将会引入局部振动模态和频率。各项参数以及飞行性能等的设计、测试需要进一步优化,给以后的响应分析带来麻烦。因此开发飞行仿真软件以减少设计定型时间以及实验中的风险,通过传感器仿真和执行机构(操纵舵面)的动力学特性仿真来进行参数设置和运行控制。

(1)三维可视化的研究是一个很重要的研究方向,其中模态分析的结果对各种响应分析将起决定性影响。建立视觉仿真系统,通过遥控/遥测控制台用于对飞行控制计算机发送遥控指令。三维视景显示能够直观、动态的再现飞行过程,控制飞行模态。飞行数据进行有利于发现控制系统的缺陷,制订动力学分析模型的简化原则。对总体结构和运动情况产生直观的形象显示,减少实际试飞中产生的一些错误的结果。系统的运行情况表明,Flightgear丰富的可视化界面为仿真提供了友好的监控界面。

(2)飞行控制技术是一门新兴学科,其重要程度不言而喻。以某轻型飞机的三维模型为基础对其进行仿真分析,及时进行修正。在总体仿真中计算其固有模态,体现飞行时位置、姿态的变化及各种控制算法的控制作用。轻型飞机具有较强的非线性特性,以此掌握飞行器的控制方法。各通道存在很强的耦合,有效控制可以降低试飞的风险和成本。随着一些新技术的出现,科研试飞行控制仿真系统其主要难点还是在于行控制系统对软件执行的实时性。轻型飞机还有力地推动了飞行仿真系统的技术创新,有其它飞行器无法取代的作用。

(3)基于 Flightgear自带动力学模型的飞行控制系统仿真环境,根据仿真目的达到非常逼真的仿真效果。在进行轻型飞机科研试飞过程中,尽管采用多项先进技术但仍然会出现一些问题。所以结合计算机、通信等技术建立较为准确的飞行动力学模型,使用动力学模型数据驱动各种模型进行飞行仿真。避免造成由行控制系统设计不当产生的损失,具有很高的实时性。开发了可视化的客户端界面,并且为下一步的飞机动力学稳定性、固有特性和颤振特性分析打下基础。完成了飞行器模型的载入、定位、数据处理以及 FlightGear 与数据模块的通信过程,减少实际试飞中产生的一些错误的结果。

3 Flightgear 的框架结构及仿真环境

Flightgear框架结构主要包括四大组件: OpenGL、Plib、SimGear和 Flightgear Based Simulation,共同为轻型飞机的控制算法的研究以及飞行器的试飞工作提供一个仿真实验平台。Flightgear作为一个通用的飞行模拟系统,其仿真系统可以做大量的测试研究工作。各模块之间关系基于 Flightgear的飞行控制系统仿真环境,结合图形处理与图像生成技术建设动力学模型。

(1)Flightgear是一款由全世界志愿者共同开发和维护的开源飞行模拟软件,是计算机技术, 音响技术,控制技术等多种高科技的结合。Flightgear从最初粗糙的空气动力学模型开始,延伸人类感觉器官。采用计算机图形图像技术,逐渐引入了自然特性 (阳光、月光和星光等)、天气特性 (云、雾和风等)、 平显、仪表板、电子导航系统、机场与跑道以及网络互联操作等众多特性。构造仿真对象的三维模型再现真实的环境,对飞机空气动力特性进行仿真。显著改善科研试飞次数,在轻型飞机飞行控制系统的研制过程中起到不可磨灭的作用。

(2)现在的实时三维计算无论在硬件方面还是配套软件方面都已经比较成熟,其中Flightgear各模块中动力学系统是系统的核心部分。结合良好的集成开发环境(如微软 Visual Studio),通过模拟飞行器不同部分的气流方法进行仿真解算。其目的都是在飞行器真正试飞之前,对飞行控制系统的输入做出反应。即在实验室环境中对飞行器进行飞行规律的研究,是较复杂的多输入多输出系统。利用工作站建立仿真工作平台,已经成为实现轻型飞机工程化和实用化的关键技术之一。

参考文献:

[1]蔚海军.基于Flightgear的直升机飞行模拟系统研究[D].大连:大连理工大学,2014.

三维仿真论文范文6

关键词:钻削;仿真;DEFORM-3D;有限元法

1 前言

普通锥面麻花钻的存在定心不好、轴向力和扭矩比较大,并且时有翘尾等缺点 [1]。针对现状,基于锥面和螺旋面钻尖的螺旋锥面钻尖技术的研究提上日程。本文利用Pro/E与MATLAB软件完成了整个螺旋面钻尖三维造型,而后导入DEFORM-3D进行数据处理。

3 模型网格划分与边界条件设定

3.1 模型网格划分

钻头和工件网格划分均采用绝对类型,钻头size radio设为2,最小单元边长为0.4mm,工件网格size radio 设为4,最小单位边长为0.4mm,将工件材料中欲切除部分附近的网格细分,最小单元边长为0.1mm。刀具和工件的局部网格划分结果如图1所示。麻花钻设置为刚体,钻头设置为Primary die,工件设置为塑性。本文中只取了麻花钻的一部分,这样能够减少计算时间[3]。在仿真控制中设步数为2000步,步长0. 05,仿真模式为热传递和变形,变形求解器采用Sparse解法。

3.2 边界条件设定

工件材料选为ANSI―1045钢(同45钢),直径钻头d=10mm,沿-Z轴进给,进给量0.25mm/rec,转动中心为((0,0,0)(转动中心随进给运动的变化而变,此为初值),转速为800r/ min,转向为(0,0,1) 。

边界设置中,工件的圆周面的速度在X,Y,Z方向上为0,工具和刀具的所有面设定为与外界热传递,激活工件的体积补偿选项。对象间的关系设定刀具为主动,工件为从动。摩擦类型设为剪切摩擦。刀具磨损模型选用适合与金属切削的Usui’s模型。设定环境温度为20℃,对流系数为0.02N/sec/mm/C,热传导系数为45N/sec/mm/C。最后生成数据库运行仿真。

4 钻削轴向力与应力的模拟结果及分析

当主轴转速为800rpm,进给量为0.18mm /r,钻削深度位移为3mm时,得到的刀具轴向力,钻头应力与温度分布。

4.1 轴向力

从图2可以看出,螺旋锥面麻花钻所受的轴向力上升的变化趋势要平缓的多。这是由于螺旋锥面麻花钻的横刃在XZ平面上呈弧形,在刚开始接触工件时,是有点接触,随着时间接触的面积是逐渐增加的,与理论分析相符。把力的仿真数据导出到文本文件,然后导入EXCEL里面可求其的平均值。

4.2 钻头应力

从图3可以看出,在设定的钻削条件下,刀具所受钻削应力与最大变形量均位于主切削刃处,这与理论分析结果相符。在实际的刀具开发设计过程中,可结合仿真结果,通过对主切削刃处的受力与变形情况进行定量分析而对钻头参数进行优化设计。

5 结论

针对螺旋锥面难以在DEFORM-3D创建三维模型缺点,本文创造性的提出利用MATLAB和PRO/E软件建立了螺旋锥面钻头的三维模型,并将它们分别导入DEFORM-3D软件的方法,并通过合理划分网格与设置边界条件,进行钻削过程进行仿真模拟,得到一系列仿真计算结果。通过修改三维模型参数,即可方便快捷的对所研发的刀具性能进行仿真验证,极大的避免了传统实验研究方法的成本高,耗费高等缺点,为优化刀具参数提供了科学依据。

参考文献:

[1]倪志福,陈壁光.群钻[M].上海:上海科学技术出版社,1999:7-8.

[2]王磊,王贵成.标准麻花钻三维实体模型的创建[J].工具技术,2007,41(06):75-78.