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虚拟仿真技术论文范文1
Abstract: In the actual teaching of project cost, if take the simulation technology in engineering cost course to construct the three-dimensional panoramic display of highways, bridges and tunnels in civil engineering, we can freely control the viewing angle and picture zoom, with real pictures, the effect is direct and can improve the effect of learning. This paper, taking the tunnel project as an example, talks about the applications of simulation technology in engineering cost courses.
关键词:三维空间结构;模拟仿真技术;课程教学;应用
Key words: three-dimensional structure;simulation technology;teaching;application
中图分类号:G42文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)05-0161-02
1工程造价课程的发展瓶颈
在实际的工程造价课程教学中,学生由于缺乏空间想象,对工程结构没有感性认识,无法理解抽象的理论,给教师教学及学生学习带来了瓶颈。因此,我们希望通过虚拟仿真系统来解决传统工程造价教学中存在的种种弊端。在教学中使用仿真技术,可以充分调动学习者的感觉和思维器官,使所观察的事物栩栩如生地展现在面前,任学习者正面、侧面、反面仔细观察仿真技术的发展被认为是解决传统工程造价教学瓶颈的一把利器。
本文正是从当前工程造价教学的基本情况以及教学难点出发,将仿真技术引入到开发工程造价教学软件的过程中。本研究选择隧道工程作为研究的案例,通过利用目前比较成熟的计算机模拟仿真技术,为老师和学生提供一个模型展示平台。
2模拟仿真技术的应用的效果
模拟是指用一个数据处理系统,来全部或部分地模仿某一数据处理系统,使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。有时也简称为仿真,是用模型(物理模型或数学模型)来模仿实际系统,代替实际系统进行实验和研究,是产品设计和制造中的常用技术手段。
从国内外职业教育专业信息化可以看出,模拟仿真技术具有先进、便捷、安全等优点,仿真教学系统向工程类职业学校提供了培训学生的高技术工具,将专业课程和实习环节相结合,培养学生了解生产操作、熟悉生产原理的能力,提高了学生动手操作的兴趣与水平。以较少的投入满足了学生的实践需要。许多专业课程由于受到设备、场地和经费等条件的限制,可以选择采用模拟仿真技术。但模拟仿真技术应用于工程造价课程教学实践的研究很少,可参考的研究成果几乎没有。
3研究方法
3.1 文献研究法在研究中,通过对多种学习资料的阅读、分析,了解到了当前研究的发展状况,为论文的撰写奠定了必要的理论基础。
3.2 个案研究法在研究中,通过具体的案例,对工程造价教学进行研究,发现问题、解决问题、优化教学策略,设计教学软件开发方案,最终完成系统的设计与开发。(图1)
4模拟仿真技术在造价教学中的应用
重点是构建土木工程中公路、桥梁、隧道的立体全景展示。在三维仿真动画展示过程中,可自由控制观看角度及画面缩放,配合实景照片,效果直观。施工流程部分以简单的工程施工3D动画,配以实景图片及施工工艺文本说明,使学生能更直观地了解工程施工的流程步骤。公路、桥梁、隧道的分解结构模块通过点击结构图中的交互热点,显示该局部结构的名称、所在位置以及该结构的详细说明窗口,其中包含局部结构3d展示、工程量复核、定额、工程图纸。为了满足课堂教学的需要,支持文本和图纸的缩放、自由拖动功能,以增强课堂教学实际效果。人性化的人机交互界面及流程分类设计,学生在课余时间也能通过简单直观的软件操作进行学习。选题立足于公路工程造价专业,重点在于利用该模拟仿真技术将造价及工程量复核等内容更加形象地展示出来,使课程的实效性更强(表1)。
5隧道工程案例
在传统课程教学中,教师都会按照既定的教学过程来实施教学活动,那么在仿真公路系统中,学习者的学习活动应当如何开展?隧道模型概述为由以下几个部分:
5.1 用户界面呈现在工程仿真系统中,学习者必须是通过用户界面与仿真系统进行交互。因此,构建和谐友好、方便操作、逼近工程实体虚拟系统要解决的首要问题。仿真系统的真实性可以丰富学习者在虚拟情境中的体验,方便性主要表现在学习中按照学习者的进度,适时的为其提出指导性建议(图2)。
5.2 仿真情景设计仿真系统要依据学习者的经验、知识背景及需求,呈现具体的公路工程、桥梁工程、隧道工程等信息。设计工程实例,仿真场景和工程对象,通过情境设计,以激发学习者的兴趣(图3)。
5.3 工程造价数据分析通过仿真系统的现象观察,具体进行工程造价结果的分析,处理工程数据,并根据反馈信息及时调整策略,这有助于提高学习者对造价编制过程的反应能力以及对因果关系的敏感性。该过程中须关注在工程内容的一致性、工程过程的交互性等问题(图4)。
6实用价值和重要的现实意义
6.1 课件制作方法的探索使用直观的设计方法取代繁琐的传统编程式的课件制作,老师把更多精力放在课程本身的教学设计上,只需根据实际教学需求,设计课件,向学生展示工程结构;体现新一代课件的广阔应用前景。
6.2 促进学生探索性的学习现在的教学所采用的方法比较单一,学生在上课中往往很被动,面对各种各样的公路、桥梁、挡土墙,结构物感觉一片茫然,老师怎么说,学生就照着怎么做。很多时候上课只停留在不动脑的机械劳动阶段,达不到提高学生动手能力的目的,这样的知识传递过程较为单调,效果也不明显。在仿真平台上,学生可以摆脱了原有模型设备条件的约束,在更形象的知识领域内自主探索,促进了学生创新意识和创新能力的培养。
6.3 降低了各类开支费用工程仿真系统降低了科研成本,节省研究经费,并能够充分发挥现有计算机技术、,提高使用效率。
虚拟仿真技术论文范文2
【关键词】虚拟仿真;数字电路;课程改革;教学方法
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
数字电子技术是计算机及通信类专业的重要的专业基础课,其中关键的环节就是培养学生的实践能力和解决问题的能力,因此,生动形象的课堂教学和全面的实验体系对教学效果和知识的应用能力有着非常重要的作用。然而,由于实验仪器的的老旧,数量有限,使得实验的开出率以及实验内容的扩展都受到限制。为顺应现代教育的发展,实施的现代化远程开放教育,将计算机虚拟仿真技术应用于数字电路教学中。其中理论教学结合多种教学方法和现代化的教育技术,将基础知识和理论形象地表现出来,有助于学生理解。课堂教学和实验教学都利用计算机虚拟仿真软件将所学理论联系实际,并加以应用,在此研究基础上提出了基于虚拟仿真技术的所有电子技术课程教学的新模式。
二 计算机虚拟仿真技术
虚拟现实(Virtual Reality)技术,简称VR,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境――虚拟环境,可以逼真地模拟现实世界(甚至是不存在的)的事物和环境,人投入到这种环境中,立即有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作,与虚拟环境进行交互[1]。
计算机虚拟仿真技术,是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上,利用计算机技术将仿真技术与虚拟现实技术相结合,是一种更高级的仿真技术。虚拟仿真技术以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征,并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体可以是模拟器,也可以是其他的虚拟仿真系统,更多的是计算机。实体在虚拟仿真软件所提供构建的环境中相互作用,以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征,可以满足现代教育的发展需求[1]。
三 课程教学的若干问题及改革研究
对于理论教学环节,首先是教学内容陈旧。当前大中专院校所用的教材内容都是十几年前的,即便是近几年出版的教材,也只是内容的深浅不同,体系结构基本相同。比如教材中主要说明的74LS系列的芯片在目前实际应用中已经被淘汰,真正是学的没用,用的没学。现在的学生在学习中,非常关注所学知识的实用性,如果不能学以致用,就影响到学习兴趣和学习积极性。因而在课程教学中要及时更新教学内容,讲解传统芯片的同时多介绍一些现在普遍使用的芯片,当然也要根据学生学习程度,最大可能激发学生的兴趣[3]。
其次是教学方法。常用的教学方法无非就是这几种:讲授法、讨论法、谈话法、阅读指导法。根据课程的特点和教学要求,不能一成不变的套用传统的教学方法。这些方法对有些课程很有效,但是对计算机课程不一定全部适合,因此需要探索适合本课程需求的新的教学方法。笔者在教学中通常有如下几种方法:讲授法,这是传统的教学方法,教师口述基本事实、原理和推理过程。部分定理,原理及产品采用讲授法。例举法,就是以典型例题说明某个定理或元件的应用,这是本课程用的最多的一种方法。在数字电路课程中有很多芯片的实际应用,有些是针对某部分内容的很典型的例子,这些例子对于学生理解和掌握此部分知识非常有用。任务驱动法,就是教师布置一些运用某个知识点的题目,要求学生在课堂上有限的时间里做出来,并检查完成情况。这样学生对该节课所学知识从理论到应用有了一个全方位的认识,而且对每个知识点掌握得都比较透彻,这是近年来比较流行的一种教学方法,也是计算机专业课程特有的一种教学方法,对提升教学效果有显著作用。
再次是教学手段,不是单纯的使用多媒体课件,而是结合计算机专业特点引入现代化教育技术和手段,很多典型例题用计算机仿真软件在课堂验证,让学生直观形象地了解电路的工作情况,从而掌握电路或芯片的应用。
对于实验教学环节,首先是实验设备简陋。很多高校数字电路实验设备包括我校仍然使用老式实验箱,即由固定数字电路芯片搭建的实验,学生只能按实验教材设计的实验按步骤做固定的实验,实验内容都是以芯片讲解为主,目的是对芯片功能进行验证。因此学生把实验课当完成任务,实验环节没有促进教学,相反影响了教学效果。很多新的芯片不能认识和实践,使得实验教学方法与实际应用的要求严重脱节。其次在实验教学过程中,由于实验设备老化,个别元件被损坏或接触不良,导致学生实验中,出现一些问题,电路连接完全正确,但是就是得不到正确结果,结果费了很多时间去排除故障,这样做实验当然激发不了学生的兴趣,相反还会阻碍他们进一步探索。再次,由于实验条件的限制,实验项目只能停留在验证性实验层次,学生的设计能力和综合应用能力都得不到提高,利用电子电路的计算机虚拟仿真软件multisilm10就可以解决这个问题,利用这个软件可以自行设计集成电路,综合应用各种芯片,完成所有的数字电路实验[4]。在教学实施中,根据学生情况分验证性实验、设计性实验和综合性实验三个层次完成实验教学目标。
四 计算机虚拟仿真技术在课程教学中的应用
1 课堂教学中的应用
在课堂讲到门电路的工作原理或集成电路的应用时,可以现场用计算机仿真软件演示电路的工作过程,使学生更好地理解门电路的工作原理和芯片的工作情况。从而掌握电路的应用。这样,教学过程是由原理到应用,由简单到复杂,由抽象到现实,循序渐进地完成理论知识的学习。数字电路的基本单元是门电路,那么理解其工作原理非常重要,但是此部分对于大部分同学来说都是难点,如何突破这个难点呢?利用软件建立仿真电路,真实地展现输出电压随输入电压的变化情况,就会获得很好的效果。下面是利用仿真软件说明TTL与非门工作原理的课堂实例:
(1) Vi=0V,输入接低电平。那么Q1导通,Vb1=0.8V,Ib5
(2) Vi=3.6V,输入高电平。那么Q1的发射极电流从发射极(0.852mA)流入,从集电极流出,Q1的发射极和集电极倒置状态。Vb1=2.443V,Vb5=0.843V,Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V,导致Q2、Q5导通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。输出Vo=0.018V。其电路仿真如图2:
2 实验教学中的应用
大学生需要有独立的设计能力和对电子器件的综合应用能力,这就决定了本课程的实验体系应该是三个层次,在简单的验证性实验的基础上必须开设有创造性的设计性实验和综合性实验。然而实验室有限的数字电路实验箱只能做几个简单的验证性实验,无法满足设计性实验和综合性实验的设备要求。但是,利用电子电路的计算机仿真软件就可以扩展实验室,提供所需要的一切电子元件和芯片,搭建任意难度,任意复杂的电路,并验证其正确性。同时利用仿真软件的可配置性,配合适当的电路可做出多种不同的应用。在实验课程中,提前给出了三种实验的一些题目和内容,要求验证性实验必须都完成,设计性实验可选做一至两个,综合性实验选做一个。下面简要说明学生利用仿真软件选做的数字电子钟逻辑电路的设计实例。
要求用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分秒的数字电子钟,选用器材主要有:安装有仿真软件的计算机若干台,集成电路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248),晶振、电阻、电容若干,数码显示管,三极管、开关若干。
提示设计方案,包括数字电子钟的电路框图和四个主要模块的实现细节,学生依据电路框图和提示信息设计逻辑电路图,并将其在虚拟实验环境中用仿真电路实现。下面给出数字电子钟的电路框图。
篇幅所限,参考电路就不给出,但是通过这个实例可以看出虚拟仿真技术在课程实验中的重要作用。不但节省很多设备购置费用,不受地点和环境的限制,而且和真实实验具有相同的效果。既然如此,为什么不广泛应用呢?
五 总结
论文对数字电子技术课程教学提出很多问题,在实际的教学实践中对这些问题进行了探索,将计算机虚拟仿真技术引入教学中,采用现代化教育手段进行课程改革。课堂教学提出了很多适合本课程并行之有效的教学方法,重要电路工作情况的计算机仿真演示,部分例题的计算机仿真验证,增强其直观性和真实性,加强学生的理解。实验教学也利用计算机仿真软件,采用虚拟实验和真实实验相结合的方式,扩充建立了虚拟实验室,扩展了实验内容,在无需花费很大代价的情况下,满足了设计性实验和综合性实验的条件,从而完成三个层次实验体系的建设。在本文的研究基础上,可将虚拟仿真技术推广应用到所有电子技术课程教学中,引发电子技术课程改革的新局面。
参考文献
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[5] 江晓安等编著.数字电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.
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虚拟仿真技术论文范文3
论文关键词: 信息技术 微电子专业教学 应用
论文摘 要: 信息技术包括多媒体技术、虚拟仿真技术、网络技术,等等。它的飞速发展和广泛普及,使得传统的教学方法正在向现代教育技术方法转变。针对新兴的多学科综合的微电子专业,作者讨论了信息技术在微电子专业教学中的作用与意义,联系实际教学实践,指出了各种信息技术的特点及应用中需注意的关键问题。
信息技术是现代教育技术的基石和重要组成部分。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中提出:“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”;“强化信息技术应用。提高教师应用信息技术水平,更新教学观念,改进教学方法,提高教学效果”。信息技术与高校专业教学相结合,可以改进教学手段、创新教学方法、提高教学效率、增强教学效果。
微电子专业是我国近年来大力发展的一个多学科综合、高技术密集的新兴专业,主要研究半导体材料、器件与工艺和集成电路与系统的设计、制造和测试等理论和技术。微电子专业教学由于课程开设时间较短、涉及学科多、理论性强、同时又与实践结合紧密。因此如何有效地改善教学效果,提高教学质量成为微电子专业教学中迫切需要解决的问题。将现代信息技术应用到微电子专业的教学活动中,提高了学生学习的兴趣和积极性,促进了教师与学生的互动,取得了很好的教学效果。
1.多媒体技术在专业教学中的应用
多媒体教学是信息技术在教学过程中最典型、最广泛的具体应用。多媒体信息技术在教学中的应用是指采用图像、动画、视频等新颖的教学形式,将教学内容生动形象地展示给学生,使学生获得直观的感性认识。多媒体教学方式有助于学生对教学内容,特别是重难点内容的理解和吸收,是对传统教学方式的突破和有益的补充。针对于微电子专业的特殊性和综合性,我们在教学中采用多种多媒体表现方式,分别应用在以下几个方面。
1.1幻灯片教学
多媒体辅助教学课件通常由多页幻灯片组成。在幻灯片中可以插入各种对象如文字、图片、图形、表格、艺术字和声音等,把抽象的、难以直接用语言表达的概念和理论以直观的、易于接受的形式表现出来,有效地增强了教学效果。微电子专业课程理论较多,信息量大,直接讲授学生感到比较枯燥。使用幻灯片教学后,色彩丰富,图形清楚,概念清晰,有助于把抽象概念形象化,复杂问题简明化,调动学生的积极性,提高学习效率。
1.2动画演示
电脑动画的运用能够进一步提升多媒体技术的作用和效果。动画能够将微电子专业课程中遇到的深奥的理论问题和复杂的内部机理,通过简单的画面动态地表示出来,从而使学生加快加深理解,特别有利于重点难点的掌握。另外,电脑动画能够逼真地再现微电子工艺流程的加工过程,可以模拟实际操作步骤,从而可以代替或辅助部分实践教学。
1.3录像放映
微电子专业的实习单位往往是高投资、大规模、贵重设备云集的高科技公司。这些公司管理制度严格、专业程度高,对在校学生进企业实习有着很多限制,同学们经常只能去参观工厂环境,远眺机器的运作,甚至有些生产企业不对学生开放实习。这样,教学得不到生产实践的支持,使得理论与实践严重脱节,降低了教学效果。而将企业内部的生产流程拍成录像,或者购置相关内容的影像资料,通过多媒体放映给同学观看,可以近距离地观摩生产流程和设备运作、了解技术细节,对不甚明白的内容可以反复观看。采用这种方式进行教学,同学们纷纷反映大开眼界,受益匪浅,不仅对课程里所学的内容有了直观的认识,而且了解到产业的前沿发展。
2.虚拟仿真技术在专业教学中的应用
得益于计算机硬件的飞速进步和软件技术的迅猛发展,虚拟仿真技术成为当前流行的新型教学手段。传统的实验教学手段,局限于实验室购置的设备和仪器,特别是微电子专业的实验设备价格高昂、操作复杂、容易损伤,使同学很难得到上机锻炼的机会。而使用基于虚拟仿真技术的教学方式,过程简单灵活,交互方式多样,结果直观明了,既能培养学生的动手能力和分析、综合能力,又能提高学习兴趣,激发学生的创造性。
虚拟仿真技术在微电子专业教学中的应用主要体现在两个方面:一是在电路设计方面,基于电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)技术实现对电子线路(包括集成电路与版图)的模拟仿真;二是在微电子工艺与器件方面,基于半导体工艺和器件的计算机辅助技术(Technology Computer Aided Design,TCAD)实现对微电子制造工艺和半导体器件结构及工作过程的仿真与演示。使用仿真软件所提供的强大功能,包括软件所具有的可升级性,在课堂和实验中通过软件设计微电子电路、工艺和器件,在屏幕上模拟其功能,可使教学概念清晰,内容生动,过程可视,还能够大幅节省实验设备的购置和维护费用,经济高效。
3.网络技术在专业教学中的应用
近年来网络技术更加普及,也更加方便,特别是校园局域网的建设,提供了学生随时随地使用各种终端进行网络学习的教育环境。这也促使我们把教学平台从教室向网络拓展,必然在一定程度上改变教学的形式和基本架构,带来革命性的变化。
互联网和校园局域网一方面可以作为信息资源库,为微电子专业课程教学提供教学教案、课件、习题等资源的下载和在线浏览;另一方面也可以作为师生课外互动的平台,进行答疑、作业提交、通知等教学活动。这两种方式也是目前微电子教学中最主要的网络应用手段。使用网络教学有助于师生双方的交流,教学信息的丰富,以及多元化教学,等等。网络教学的推广和网络教学平台的建设,极大地推动了网络技术在教学体系中的应用,将会成为现代教育技术的主流之一。
综合运用信息技术的各种方法和手段,结合微电子专业特点,更新教学观念,加强教学实践应用,能够有效地提升教学效率和效果,培养出更优秀的符合社会需求的专业人才。
参考文献
[1]刘子良.发挥幻灯片在计算机辅助教学中的作用[J].中国现代教育装备,2007,52(6):22-24.
虚拟仿真技术论文范文4
关键词:ADAMS;虚拟样机;仿真
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)51-0089-02
一、前言
随着科技的快速发展,世界经济已由原来的卖方市场转化为买方市场。现代企业要在激烈的市场竞争中占有一席之地,必须解决TQCSE难题,即以快速交货T(Time)、高质量Q(Quality)、低成本C(Cost)、优质服务S(Service)和保护环境E(Environment)来满足不同客户的需求,快速响应市场需求。
虚拟样机技术是20世纪80年展起来的现代设计方法,是以虚拟样机模型代替物理样机,在计算机模拟物理样机的运行。近年来,虚拟样机技术飞速发展,现已成为机械专业方向研究生以上层次人才的必修课程。用户可以利用ADAMS软件或使用其他三维软件建立虚拟样机模型后,导入ADAMS软件,通过添加各种约束、驱动或接触力进行动态仿真,模拟物理样机的运行。通过ADAMS强大的后处理功能生成各种曲线、动画等,进而了解设计的复杂机械运动性能,为物理样机的试制提供理论依据。在大学本科教学中开展ADAMS的教学工作,采用ADAMS多体动力学仿真软件对机械原理中各种机构进行三维运动仿真后验证机构设计的合理性,观察主要机构的运动轨迹、运动速度、加速度等数据变化情况,可以使学生更好地理解机械原理、机械设计中的相关机构运动原理,在进行毕业设计时,能运用ADAMS软件对其所设计的各种机构进行验证,培养和提高学生的设计分析能力,为毕业后能尽快适应专业技术工作打下良好的基础。
二、面向产业需求,开设专业导论课程
机械设计制造及其自动化专业是桂林理工大学机械工程与控制工程学院重点发展的优势和核心专业。每年大学新生入学时,都需要进行专业导论课程教育。为了将一些现代设计方法及理论传授给新生,面向装备制造业的发展需求,教师在讲授专业导论的相关内容时,会将历年学生所做的优秀仿真作品进行动画演示。为了进一步加深学生对虚拟样机技术的理解,相关教师还会组织学生参观桂林市内在虚拟仿真技术使用较多、较为成功的行业领头企业,如桂林大宇客车有限公司、桂林橡胶机械厂等大型企业。企业工程师会结合行业特点,将一些典型案例采用虚拟仿真技术进行现场演示,极大地激发学生学习虚拟样机的兴趣,为后续课程的学习打下良好的专业基础。
三、学习ADAMS动力学仿真软件,贯穿专业课程教学过程
我校机械专业在专业基础课的教学中,利用ADAMS软件三维建模技术、形象的动画展示功能以及强大的后处理功能,将机械原理课程中一些常用机构,如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构的组成和运动情况进行动态仿真,弥补学生实践经验不足带来的问题。此外,学生在学习过程中还可以了解到现代设计方法高效、快捷的特点,并从中感受到ADAMS软件在机械系统设计中的魅力。以凸轮设计为例,教师讲授凸轮廓线的传统设计方法通常是图解法和解析法。传统的图解法作图过程烦琐、精度不高;解析法虽能获得很高精度,但须花费大量的时间与精力建立精确的数学模型及编制计算程序。显然,上述两种方法都存在难以实际操作的缺点,使得学生很难真正理解。通过ADAMS,则可以直接模拟凸轮的实际运动状态,设计简单、直观,还可以使凸轮运动起来。通过ADAMS的强大的后处理功能,可测量出从动件的运动规律与给定运动规律的拟合程度,图1是采用直接法设计凸轮的全过程。现代设计方法的引入,可让学生体会到先进设计技术的优越性,提高学生的学习积极性。
四、利用ADAMS搭建虚拟仿真实验平台
为加深学生对枯燥无味的理论知识的理解,提高学生的工程实践能力、动手能力和创新能力,实验教学活动提供了一个真实直观、可以动手操作的平台。工程技术人员利用虚拟仿真技术,可以在虚拟环境中模拟真实的机器运行,观测各构件的相互运动及受力情况,不断调整设计方案后进行仿真试验,对整个系统进行优化,直到获得较为满意的优化设计方案以后再投入人力和物力制造物理样机,从而大幅降低新产品的开发费用,提高产品开发效率及缩短产品的研发生产周期。为了进一步提高学生学习ADAMS的积极性,如在大学生科技竞赛、创新大赛、机器人大赛、学院组织的ADAMS大赛等一系列竞赛活动中,在指导教师的指导下,在计算机上利用ADAMS动力学仿真软件对机构的运动轨迹、速度变化规律、加速度变化规律及受力分析等做一个前期试验,并在虚拟试验的基础上对整个系统进行优化后再加工出物理样机进行相应的实验。利用ADAMS强大的后处理功能,将实验数据导入计算机中,与计算机仿真得到的结果进行对比分析,找出实验数据、理论数值和仿真结果之间的差距,改进虚拟样机模型或调整实验方案,并对一些优秀作品给予物质奖励。通过上述一系列活动,可加深学生对常用机械机构的构造和运动原理的掌握,提高分析问题和解决问题的能力。
五、熟练使用ADAMS仿真软件,提高毕业设计质量
毕业设计是学生即将结束大学学习生涯的最后在校学习环节,是对大学四年所学的基础知识、专业知识的一次全面检验。在毕业设计的过程中,学生将机械原理、机械设计、力学和数学等相关知识综合运用于设计过程中,经过毕I设计的磨炼,他们的工程实践能力、分析问题和解决问题的能力有了提高,学校的办学水平和人才的培养能力也得到了提升。毕业设计是学生即将走上新工作岗位的一个重要过渡。为了进一步提高学生使用ADAMS软件的能力,根据学生毕业设计课题选题实际情况,教师可在学生的毕业设计论文中增加ADAMS虚拟仿真分析技术,提升毕业论文的档次。
W生在开始进行毕业设计的初期,可在指导教师的指导下查阅相关文献,运用已掌握的相关专业知识,通过原理构思进行初步设计后,利用相关软件建立一个粗略的虚拟样机模型,利用ADAMS软件对方案进行动态仿真,将机构的运动轨迹、速度(角速度)、加速度(角加速度)或机构运动过程中所受的力(力矩)与理论计算值进行比较,通过对仿真结果和理论值的比较,找出问题的症结,对模型或理论分析进行修正,并再次进行仿真。之后,在仿真的基础上,对各设计参数进行优化并确定最终方案,最后采用三维CAD软件对模型进行进一步的细化,导出二维图纸。通过这样一个设计、仿真、分析的过程,较为真实地模拟了机械新产品开发的全过程,学生按照这个模式进行毕业设计,其设计能力和毕业设计质量可以有较大提高,为即将走上工作岗位打下良好基础。
六、结束语
虚拟样机技术在现代产品设计中不断地体现了优越性。为提升学生的工程实践能力和综合素质,通过专业导论课程教育、创新大赛、专业学习和毕业设计等一系列活动,可将ADAMS仿真技术融入系列的教学活动中,让学生在学习机械专业理论知识的同时,能熟练使用ADAMS软件解决一些具体工程实际问题。并在毕业设计过程中使用ADAMS模拟机械新产品开发的全过程,使学生的设计能力和毕业设计质量有了较大提高,增强就业核心竞争力。
参考文献:
[1]郭卫东.Adams的教学探索与实践[J].计算机辅助工程,2013,5,22(增刊1):439-444.
[2]刘晓敏,赵云伟.ADAMS软件实践教学方法研究[J].高教学刊,2015,(16):165-167.
Application of ADAMS in Practice-Teaching Reform of Mechanical Professional
SHEN Zhong-hua1,2,CHEN Jing1,2
(1.Metallurgy and Environmental Science Experimental Center,GuiLin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004,China;2.College of Mechanical and Control Engineering,Guinlin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004,China)
虚拟仿真技术论文范文5
【关键词】水下机器人;视景仿真;运动模型;OGRE0.引言
发展海洋是新时代的必然趋势,水下机器人对海洋开发、海洋调查测绘及相当多水下作业都有举足轻重的作用。水下机器人系统的研究和开发中,仿真技术可以缩短其研制周期、提高研发质量和减少经费,避免因系统故障时导致其丢失的严重后果。三维视景仿真技术广泛应用于军事、航海、航空航天、游戏及医疗等领域,是集图形学、图像处理、模式识别、网络等计算机技术高度发展的一门综合性技术。
3Dmax与OGRE(Open-source Graphics Rendering Engine)是近年来得到迅速发展的嵌入Windows三维模型仿真技术。它性能卓越,API具有良好的可移植性。本文通过3Dmax建模和OGRE 3D引擎作为仿真平台,及Qt设计窗口,在Visual Studio2008环境下完成仿真。
首先配置好VS2008和OGRE开发环境,主要是一些插件和动态链接库,定义OGRE将要使用的资源,选择并设置渲染系统。通过初始化使用一些资源,并用这些建立一个场景,启动渲染循环。
1.仿真的一般流程
通常我们先用软件Creator、3Dmax、Photoshop和Auto CAD等画出一维、二维及三维的仿真图形库。一些特殊的如仿生鱼水下机器人建立时图形仿真时用到了自由变形计轴变形及其他样条曲线理论的支持完成。到最后显示的视景仿真一般都是通过Vega或者OpenGL再通过Visual studio编译执行写好的虚拟现实代码等来实现仿真,而且3D仿真大都需要进行碰撞检测。为了设计窗口的方便可能运用MFC或其它工具来设计人机交互窗口,最终形成一个完整的仿真系统。
2.模型的建立
通过3Dmax所得到的水下机器人三维模型。
根据国际水池会议推荐,建立固定坐标系(惯性坐标系)和运动坐标系(附体坐标系)上图的水下机器人也将按此坐标系[1]。
由于完整的六自由度运动方程具有极强的非线性和耦合性,所以需要我们进行解耦进而进行求解。对于方程的简化与求解大多数专家并没有给出,不过我们通常根据不同的水下机器人的形状等特点来适当减少式中的未知量及个数,一般将各方向的运动都简化为平面运动。简化得到的方程式不但有的时候能让我们更容易的得到未知量来实现仿真,而且对于水动力系数等得求解也简单的多。三自由度、五自由度及六自由度的操纵性方程是最常见的,有的为了方便甚至直接简化为一维的线性方程,再通过一些其他的算法来趋紧真实的结果。
水动力模型相对复杂,最简单就是力、力矩对速度、加速度、舵角等的一阶偏导数即线性流体水动力导数。这里就不诸一列举各项研究所用的水动力方程,水动力系数的选取与获得现在一般是通过经验公式、拖曳实验及CFD技术。其中拖曳实验应该是最准确的,但是它也受到实验环境及未知因素的影响。CFD技术已经被张赫等人验证了其具有一定的准确性[2]。
其中附加质量及附加质量所形成的力及力矩经常被放到质量矩阵里面。张赫也提过用面缘法来对惯性水动力系数进行估算。张晓频采用现有的比较成熟的商业流体力学软件FLUENT模拟潜水器的粘性绕流流场,模拟阻力试验、斜航试验和平面运动机构(PMM)试验,求解操纵性水动力系数。建立多功能潜水器六自由度运动的数学模型,编写仿真程序,预报其操纵性能[3]。
带有均衡潜伏系统的数学模型的建立,推进器的推力模型,舵的水动力系数模型及升降系数模型,海流模型、海浪模型及带缆的数学模型等。这些模型有的时候对仿真系统的仿真结果影响不大,有的时候却是起到主要影响作用,因此我们要视情况而定以达到仿真的最佳效果。梁宵构建了舵、翼、桨联合操纵的微小型水下机器人运动仿真系统,讨论PDCE运动控制系统结构及主要组成部分并通过外场试验来验证其可行性及可靠性[4]。
3.视景仿真的应用
不论我们研究什么理论到最后都要进行试验的验证,仿真就是为了使得试验更简单,更直观,风方便,甚至可以做到一些现实中无法做到的假设试验。
张赫过定常流动和非定常流动这两种情况进行不同试验形式的模拟计算,在得到模拟结果的同时,给出相应循环水槽试验结果,最后做出对比结果的分析。其中定常运动包括模拟直航试验和模拟斜航试验,非定常试验包括模拟平面运动机构进行的五种操纵性试验。最后在结论分析中对上述三种数值计算方法进行了总体的比较和分析,并由试验结果给出了用于建立潜水器空间运动方程的各个系数。为了我们的研究需要,可以发挥我们自己的想象合理的去做仿真试验,会得到意想不到的好处与突破创新。
4.结论
建立了动力学模型,研究了对象的水动力性能,得到运动方程所需的水动力、重力、浮力、推进器作用力等,并在此基础上建立了以推进器为主要操纵方式的运动仿真系统,对水下机器人的运动完成视景仿真,得到视景仿真的效果图。我们不但可以做不同的试验来获得水下机器人的操纵性能、适航性及受力变化情况,还可以此来对其进行结构上分析与设计。之后我们还可以将水下机器人的高度智能化进行视景仿真来验证与设计。还可以对某些重要的系数进行参数识别的仿真实验,还要继续加强视景仿真的真实性,来适应需求更高的仿真。 [科]
【参考文献】
[1]贾欣乐,杨延生.船舶运动数学模型.大连海事大学出版社,1999.
[2]张晓频.多功能潜水其操纵性能与运动仿真研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文,2008.
虚拟仿真技术论文范文6
论文摘要:计算机辅助工业设计是工业设计未来的发展方向,本文从工业设计及计算机辅助工业设计的一般含义出发,探究计算机辅助工业设计的应用,着重探讨计算机辅助设计中的人机交互,并对其做出了展望。
工业设计是一门综合性学科,其知识体系包括数学、物理学、材料学、工程学、电子学、机械学、色彩学、心理学、美学、传播学及伦理学等。它在促进经济发展,改善人的生活方式等方面发挥了重要的作用。但究竟什么是工业设计,一直众说纷纭。2006年国际工业设计协会理事会(icsid)给出的定义认为:设计是一种创造性活动,其目的是确立产品多向度的品质、过程、服务及整个生命周期系统,因此,设计是科技人性化创新的核心因素,也是文化与经济交流至关重要的因素。工业设计的任务是对结构、组织、功能、表达和经济关系的发现和评估,主要表现在:
(1)增强全球可持续化发展和对环境的保护;
(2)赋予人类社会整体、个人、集体以利益与自由;
(3)决定用户、生产者和市场领导者;
(4)不论世界如何全球化,支援文化多样化;
(5)赋予产品、服务、系统与其特性在形式(符号的、语义学)的表达上与内涵的协调(审美的、美学)保持一致。
近五十年工业设计得到了快速发展,特别是以计算机和通信技术为代表的数字化信息时代的到来,进一步促进了工业设计的发展。计算机辅助工业设计以一种崭新的面貌进入企业,改变着企业传统的产品研发过程。
一、计算机辅助工业设计
20世纪60年代,随着计算机图形理论的创立,计算机辅助设计(cad)应运而生。随之而来的是软硬件的不断更新和现代工业的迫切需要,因此计算机辅助设计引入工业设计,也成为一种必然。工业迅猛发展,市场日新月异,产品的更新换代更加迅速,为了获得竞争的胜利,企业就需要缩短产品的研发周期,获得更好的市场资料,传统的产品研发手段已不能满足这种需求,借助计算机辅助工业设计(caid)的技术则可以更加容易满足这种需求。
caid,即是计算机及其系统集成相关高新科技,辅助产品(工程)或服务工业设计的现代设计技术,它的技术原理是将设计人员的最佳特性、创造性思维、经验知识、综合判断与决策能力、想象能力、审美能力等,与计算机的强大记忆、信息检索能力、海量信息高速精确计算与处理能力、易修改设计、虚拟真实显示、艺术渲染、一定的人工智能、工作状态稳定且不会疲劳等特性相结合,从而提高设计速度和效率,大大缩短设计周期,保证设计质量,降低设计成本。
二、caid的应用
caid的应用主要是基于数字化平台实现的,借助caid,企业可以大大缩短产品的研发周期,降低产品的研发成本,同时能够保证产品的质量,进而增强企业的市场竞争力。caid将科学思维和艺术思维融合在一起,科学的发明融入了艺术的思维,可使产品外观和操作更加人性化;将科学思维融入到艺术思维中,可以确保对产品的形态美及功能美的探求有科学的依据。
1、计算机辅助形态设计
计算机辅助形态设计就是借助计算机软硬件,通过形态变化、分割与比例等方法按照形式美法则对产品的造型进行探究,以获得功能布局合理、操作人性化的技术美。在这个阶段,设计师会经常对产品的形态进行探索,以获得良好的产品形态,这必然要求设计师经常对已有的产品形态进行修改。caid的参数化功能,便于反复修改尺寸、线型等;具有较强的曲面造型功能;能够快速地实现基于草图的三维建模。
2、计算机辅助色彩设计
色彩对于产品的重要性是不言而喻的,不同人群及地域对色彩的理解不一样,因此,设计师要根据不同的目标人群在特定的使用情景下使用特定的色彩,同时,特定形态的产品,也需要特定的色彩才能更加完美地展现产品的特性。计算机辅助设计中的相关软件一般都有强大的色彩编辑器,及色彩拾取功能,这可以让设计师方便地选取色彩,进而提高设计师的工作效率,也更加便于对色彩的修改。此外,软件的色彩数据库能不时更新,保证了设计的时代性、时尚性。
3、计算机辅助人机设计
人机工程的主要任务是研究用户使用产品时的合适尺度关系、操作方式,及使用时的生理反应与心理感受。它的根本目的在于通过对“人-机-环境”相互影响的研究,创造出一个最合理的“人-机-环境”系统。
人机设计的好坏将直接影响产品的性能及用户的安全,好的人机设计将有利于产品性能的最佳发挥,提高生产效率,反之,将威胁用户的身体健康,给用户的操作带来不便,降低生产效率,降低产品人机环境的综合性能。随着计算机辅助技术的发展,以cad为代表的三维数字化产品设计技术已成为企业提高竞争力的重要手段,进而出现了“数字化人机工程”概念,即借助计算机、信息处理技术,利用计算机辅助人机设计软件系统进行人机设计与评价。如运动型人体模型,它可以用来模拟人体的运动特性,在影视、工程设计、军事领域具有广泛的应用,在人机工程领域主要用于对姿态与动作的分析。
4、计算机辅助设计评价
借助caid对设计方案进行评价是提高设计质量的一个重要环节。由此,可以判断各个方案的价值,确定其优劣,以便筛选出最佳的设计方案。评价工具的出现,使得设计评价方法和原则具有更强的可操作性。例如利用计算机对产品进行艺术美学的评价和分析,这是ciad进行评价的一个突出案例。“计算机艺术美评价系统实质上也是个智能专家系统,在系统知识库中集中了客观上对某种产品是否美的评价概念,也集中了专家级的艺术美学思想及认识,它在系统推理中确定了评价艺术美的准则,然后进行人机对话对产品的艺术美做出专家级的评价”(汪海波《浅析计算机辅助工业设计》,载于《安徽工业大学学报》2005年第4期)。
三、计算机辅助工业设计的人机交互
信息在人类社会活动中变得越来越重要,当今社会已从以“技术为核心”变为以“信息为核心”,这标志着社会的进步,同时,也给设计者带来了一定的挑战,即如何将信息正确、及时地传递给用户。这就要求用户和产品实现无障碍交流,因此才有互动模式的caid实现。目前,在caid技术领域,人机交互的研究主要体现在人机界面设计和虚拟仿真设计等方面。
1、人机界面设计
计算机系统中的人机界面也称为用户界面,它介于用户和计算机之间,是用户与计算机进行信息传递和信息交换的载体,是用户使用计算机的综合操作环境。人机界面中设计师的作用就是处理人与硬件界面和软件界面的关系,而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。目前,人机界面主要研究领域是人机界面模型设计、虚拟界面设计、多感官界面设计和多用户界面设计等。
2、虚拟仿真技术
通过计算机硬件系统的虚拟仿真技术,可以对人机关系进行有效的设计、验证和评估等工作。当前,“虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈、压力反馈等基础技术以及人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建等方面”(罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》,载于《甘肃科技》2003年第7期)。它是一种高度逼真地模拟人在自然环境中试听等主观行为的人机界面技术。目前,已有很多设备可以用来虚拟仿真设计,如三位空间交互球、力反馈器、数据手套、头盔显示器等。虚拟仿真技术在国内目前主要用于军事领域、航空航天领域,在工业设计领域的运用还不多。但是,毫无疑问的是虚拟仿真技术必然是工业设计未来发展的一个主要方向,借助它可以实现设计过程中任一环节的考察与操作,可以帮助设计师快速、真实、有效地实现和修改设计方案,减少不必要的体力与脑力劳动,实现与设计团队的信息交流和资源共享,进而提高产品研发的速度,快速及时地抓住市场机遇,提高企业市场竞争力,获得巨大经济效益。
结 语
借助caid可以有效地缩短产品的研发周期,但是,目前caid技术还不够成熟,急需进一步研究。从工业设计本身而言,随着人工智能、虚拟仿真等技术的不断发展,设计师的设计思维也将发生重大变化,人机交互模式的caid就将成为未来工业设计发展的必然趋势,更加人性、快捷、真实的人机交互方式将会是caid中人机交互的必然结果。
参考文献
1、 zh.wikipedia.org/zh-cn/%e5%b7%a5%e6%a5%ad%e8%a8%ad%e8%a8%88. 维基百科
2、 刘和山、赵英新、黄克正、张明《浅谈计算机辅助工业设计》,载于《山东内燃机》1999年第3期
3、 杨海成、陆长德、余隋庆《计算机辅助工业设计》,北京理工大学出版社2009年版
4、 汪海波《浅析计算机辅助工业设计》,载于《安徽工业大学学报》2005年第4期