虚拟仿真技术方案篇1
随着经济的全球化与信息的社会化，市场竞争日益激烈，产品竞争已经由传统的价格竞争转化为技术含量的竞争，高科技产品成为市场的主流，创新成为企业发展的灵魂。为了适应新的市场变化，企业必须以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务来满足不同用户的需求。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应。为此，探索新的设计制造方法是企业生存的最重要手段。
随着信息技术的迅猛发展，出现了一些先进的设计制造技术，现代设计制造技术的发展方向就是不断吸收现代科学技术，实现设计制造技术的数字化、功能化、智能化和网络化。虚拟技术已成为当今最活跃的制造业设计技术，它的发展，促进了虚拟制造(VitrualManufacturing)的形成和发展，为机械产品的设计、加工、分析以及生产的组织和管理提供了一个虚拟的仿真环境，从而在计算机上“组织”和“实现”生产，在实际投产前对产品的可制造性等方面进行评估，保证一次成功生产，从而降低生产成本，减少上市时间，快速响应市场，提高企业竞争能力。
1虚拟制造的内涵及其分类
1.1虚拟制造的内涵
随着制造业技术的飞速发展，人们对制造的内涵也有了全新的、更全面的认识。制造是指按照市场需求，运用知识和技能、借助工具、采用有效的方法、将原材料转化为最终产品并投放市场的全过程。虚拟制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用计算机模型和仿真来实现产品的设计和生产的技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术和高性能的计算机、高速网络为支持，在计算机上群组协调工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程管理与控制等产品制造的本质过程。“虚拟制造”虽不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，它在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能通过模型来模拟和预估未来产品的形态、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的问题，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案，从而使制造技术发展到全方位预报阶段。虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，它是各种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合运用。
实际制造具有对物质、信息、能源进行转换的功能，即投人原材料、生产、信息、电力等能源，制造出所需的产品及与产品相关的信息。虚拟制造是将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价交换，虚拟制造虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息以及制造产品所需的信息。
1.2虚拟制造的分类
虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的活动，又包含与企业组织经营有关的管理活动。根据所涉及的范围及工程活动类型，可将虚拟制造分为三类：以设计为核心的虚拟制造；以生产为核心的虚拟制造；以控制为核心的虚拟制造。
1）.以设计为核心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟制造将制造信息引人设计过程，利用仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工工艺分析、热力学分析、动力学以及运动学分析等。主要解决“设计出来的产品是什么样”的问题，以便对产品各方面性能进行仿真与评估；
2）.以生产为核心的虚拟制造。以生产为核心的虚拟制造将仿真技术溶人生产过程模型，以此来评估和优化生产过程，以低费用快速评价不同的工艺方案、资源需求计划、生产计划等。主要解决“这样组织生产是否合理”的问题，以便对生产过程进行仿真，对各个生产计划进行评估；
3）.以控制为核心的虚拟制造。以控制为核心的虚拟制造将仿真技术加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。充分利用计算机的强大功能将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，对生产线的优化等生产组织和管理活动进行仿真。主要解决“如何去控制”的问题。
2虚拟制造的特点
与实际制造相比，虚拟制造具有其本身的特点：
1）.虚拟性。虚拟制造不是真实的制造过程，不生产实际的产品、不消耗真实的材料与能源，是通过数字化手段来对真实制造过程进行动态模拟以实现制造的本质过程；
2）.基于数字化模型的集成。虚拟制造过程依赖于模型，涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动模型和资源模型。通过这些数字化模型在计算机上的集成，实现对产品的设计、制造、测试、装配等操作，而不再做对传统的原型样机的反复修改；
3）.支持敏捷制造。由于整个过程的信息存储在计算机内，能够根据用户需求或市场的变化快速改型设计，快速投人生产，能够大幅度压缩开发新产品的时间、提高质量、降低成本；
4）.分布合作。借助于计算机网络，虚拟制造可使分不在不同地点、不同部门的不同专业人员对同一个产品模型同时工作，相互交流，实现信息共享，减少大量文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发更快捷、优质、低耗地响应市场变化；
5）.仿真结果的高可信度。虚拟制造就是通过模型的验证、效验等仿真技术来检测设计出的产品或制订出的生产规划，使得产品开发或生产组织一次成功，所以它能真实地反应实际对象。
3虚拟制造的关键支撑技术
虚拟制造借助于虚拟环境中获取的各种信息，集成和综合了可运行制造的环境，用来改善从装配产品的概念设计到动态仿真的各个阶段。虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后三项是虚拟制造的核心技术。
3.1虚拟现实技术
虚拟现实(VirtualRealityVR)技术是美国JaronLanier于1989年首次提出的，该技术的内涵是由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境。从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体，相互间进行信息的交流和反馈。虚拟现实技术或由它构建的系统，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。
虚拟现实技术综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维虚拟环境。虚拟现实系统(VRS)由人机接口、软件技术、虚拟实现的计算平台等部分组成。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。
3.2建模技术
虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造系统的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。
(1)生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是对系统生产能力和生产特性的描述，给出产品设计方案的可能性；动态描述是对系统动态行为和状态的描述，进而预测产品生产的全过程；
(2)产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。对虚拟制造系统来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，即产品模型描述的信息既包含产品结构、产品形状特征等静态信息，还包含能够进行干涉检查，各项性能分析等方面的动态信息，是能够通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需所有信息的模型；
(3)工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
3.3仿真技术
仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，借助于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。
仿真的基本步骤为：研究系统、收集数据一建立系统模型*确定仿真算法*建立仿真模型神运行仿真模型*输出结果并分析。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、实际生产过程行为仿真、装配过程仿真、检验过程仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。
4虚拟制造技术的现状分析
尽管虚拟制造技术近年来在国际上取得了迅速的发展，但是目前还缺乏从产品设计全过程的高度开展虚拟制造的研究，集中体现在以下方面。
4.1基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段
(1)CAD模型中的产品信息含量太低。CAD模型是在产品的设计过程中形成的，很多信息(几何的非几何的)需要记录在其中，它是重要的数据源。在虚拟制造中，很多分析模型需要从CAD模型中提取相应信息。然而目前的CAD模型主要是从几何实体的角度描述产品，远不能全面的描述产品，能够提供的共享信息太少；
(2)现有的CAD模型无法支持产品的概念设计。产品的全新设计要经过概念设计、详细设计、产品工艺规划及制造几个过程，而CAD模型只支持产品的详细设计；
(3)缺乏良好的产品信息重用机制。由于目前各应用软件间的产品数据交换主要是通过专用的数据接口来实现，这种转换也是同一问题数据的简单映射，无法实现模型间数据的自动转换和衍生，无疑增加了虚拟制造产品开发的复杂性。
4.2产品创新支持工具尚不充分
(1)缺少创新设计支持系统。产品创新设计是一门综合性科学，需要新技术、新材料、新工艺的支持。虚拟制造的环境为创新设计提供了很好的运行机制，但是还需进一步组织开发创新设计的支持系统；
(2)缺乏将知识与虚拟制造结合的工具。知识可以创造革新产品和新技术，产品创新注重知识。但是由于知识表达与组织的复杂性与重要性，如何将其与虚拟制造的数字化产品结合起来是一个有待解决的难题；
(3)缺少交互式外形设计技术与虚拟制造的集成工具。
目前，虚拟制造被认为是最有发展前景的产品创新技术。如何解决将有关产品整体定位、外观设计的交互式外形设计技术引人到产品虚拟制造中并与之有机地集成起来尚需进一步研究。
4.3产品数字化技术
(1)基于产品数据管理(PDM)与其他软件的集成问题。产品数字化的核心是PDM技术的应用，目前，出现了各种版本的PDM软件，但是缺乏标准，由此造成了PDM软件与其他应用系统的集成问题。在虚拟环境下，各专业、各部门人员基于同一产品模型协同工作，必须解决PDM与其他应用软件的集成；
(2)虚拟产品开发的产品数据组织体系。虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结构树既要反映产品设计阶段的构造层次结构、产品的装配顺序，还要反映生产流程，制造部门可以直接根据产品数字样机进行制造。因此，研究适合虚拟产品开发的产品数据组织体系是切实必要的；
(3)与数字化产品模型相关数据的组织和管理。
产品的数字化包括建立产品的数字模型及其相关的性能指标，包括结构分析、运动学分析、动力学分析、热力学分析的结果，为产品的定型提供理论依据，并对产品性能进行改造。如何有效地解决数据的组织和管理，使之有效地适合虚拟制造的需要是目前研究的热点。
4.4制造过程仿真建模方法和技术
基于物理模型的制造过程仿真技术已经得到广泛应用，但建模方法与建模技术仍未有突破性进展。
(1)虚拟加工工具有待完善。目前已有很多商品化软件可以进行“可加工性”评价，但虚拟制造还需研究开发大量的虚拟加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工过程仿真系统等；
(2)虚拟装配的基础理论研究。虚拟制造对虚拟配中的公差分析与综合技术还缺乏理论基础，在模型的生成以及对ISO公差标准、形位公差的支持方面还存在很多问题，迫切需要解决；
(3)装配工艺规划的进一步研究。目前基于虚拟装配工艺规划的研究存在很大的局限性，主要是指:仅考虑沿坐标轴方向的平移，装配运动方式过于简单；偏重于几何计算，工程语意知识的利用有待加强；装配顺序的选择标准不够广泛和统一；
(4)虚拟测试技术研究。虚拟测试是成功运用“虚拟产品开发”技术的关键环节，也是必不可少的。当所有环节计算机化后，测试和效验环节就成为影响效率的重要因素。
虚拟仿真技术方案篇2
关键词：虚拟仿真教学桥梁施工技术
引言
“桥梁施工技术”是路桥专业学习中的一门重要专业课程，在以往的教学中，因为受到教学条件和教学资源的限制，传统教学方法不能够满足这门课程的教学需求。这门课程的特点是实践性强，需在教学期间设置实训课程，加强对学生实践及创新能力的训练。但是，由于场地、设备有限，校内难以提供学生综合实践的场所，随着信息技术教学手段的发展，虚拟仿真为教学双方提供了很好的平台，突破了时空界限，实现了虚实结合、相互补充。虚拟仿真具有模拟性、低能耗、低投入、易共享等特点，能有效弥补传统教学的不足，使教学内容更加丰富完整，大大方便了学生的学习交流，也激发了学生主动学习的热情，提高了学生学习的兴趣。
1虚拟仿真教学软件的开发思路
在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真实训软件的开发中，我们必须弥补传统教学方法的不足，最大限度地发挥虚拟仿真的优势，这样才能最大限度地提高教学质量和教学效果，激发学生的学习兴趣，所以，在进行“桥梁施工技术”虚拟仿真软件的开发中，我们要弥补传统教学资源和教学场地的不足，掌握相关实训技能。为解决教学资源的限制造成日常教学中无法进行计划内的实践教学这一问题，开发该软件旨在提供一个虚拟教学平台，从而摆脱资源、时间、空间的限制，便于学生学习和使用。
“桥梁施工技术”是一门实践性比较强的专业课程，虚拟仿真教学要与传统实践环节相结合，提供基于信息技术的新型实践环境。虚拟仿真课程体系主要包括演示性和人机交互式两种类型。
第一，演示性教学。按照课程学纲的要求，制作相应的工程图片、文字、动画和施工视频，方便学生进行学习，同时，了解和掌握相关桥梁施工技术的操作步骤。
第二，人机交互教学。开发相关的人机交互模拟软件程序，满足学生模拟实际情况的需求，给他们提供动手操作的机会，最后由系统记录其操作并自动生成成绩考核；教师可以根据课程教学的需要，给学生指定实训题目，由学生自行设计，最后提交电子成果。
我们通过基于虚拟平台系统的建设，为学生们提供一种基于信息技术的新型实践环境。在这种虚拟仿真的教学中，学生可以不用四处走访工地，更加安全地了解更多各类工程的实例，增加对桥梁工程施工的认识，虚拟仿真课程实训可以更贴近实际工作环境，使得教学实践c社会需求更加一致，避免教学与社会需求脱节。
2虚拟仿真教学的开发过程
2.1实训内容虚拟化
按照高职院校学生就业岗位的职业技能要求，通过虚拟仿真技术实现仿真实训教学，建设虚拟化、立体化、结构化展示专业机具设备及工程案例、工程项目施工流程工艺，实现学生游走在三维的虚拟空间中，通过趣味性的操作技能，让教学知识点深入浅出地被学生掌握，更好地培养学生的职业能力，增强岗位核心竞争力。
2.2教学方式多样化
虚拟仿真教学打破了现实空间、时间、环境、资金等客观因素的限制，为教师提供了课程设置、任务设置、考核方式设置等多种功能，使教师能够轻松安排教学中所需的课程、任务和考核评价，并可以将施工企业的新材料、新技能、新工艺等知识及时录入系统，使教学内容始终保持与企业同步。同时，通过系统的任务设置、自动考核、数据自动分析等功能，让教师在第一时间得到学生技能掌握情况的信息反馈，更好地调整教学重点与教学方式，提升教师实践教学效率。
2.3实训建设专项化
通过虚拟仿真和最先进的计算机软件技术建设桥梁施工的虚拟仿真教学资源，让每个课程都能够实现实践操作。同时，信息化实践教学课程的率先开展，实现了课程创新并完成了认证注册，有效提升了专业课程的质量。
3桥梁施工虚拟仿真教学的具体开发过程
第一，通过问卷调查，询问已毕业踏上工作岗位的学生桥梁传统教学中有哪些优缺点，从而确定虚拟仿真实训教学需要重点关注哪些知识和能力，梳理出典型的工作任务，归纳出典型的实训项目，确定相应的资源模块。
第二，经过比较，选定典型的施工图纸和桥梁专项施工方案，以此为基础建立虚拟仿真实训的分项项目任务。如图1所示。
第三，桥梁施工仿真教学系统根据行业典型案例，以虚拟仿真形式整体呈现涉及施工的所有知识点。避免传统教学中工程建造空间与时间问题，实现全面一体的课堂教学呈现。软件应遵循分项工程――施工流程――操作步骤的任务表达方式，进入单个任务模块进行学习操作时，操作任务本身需以某个案例工程为依托，结合标准的现场施工工艺流程，以具体化施工步骤的方式，通过调取系统为当前任务配置施工机具、材料的工具，最终完成该项施工操作任务体验。开发软件可以具备教学模式、学习模式、考核模式三种操作模式，教师可以进入“授课模式”进行教学，教学系统实操过程中有声音文字提示；学生可进入“学习模式”“考核模式”进行自主学习和参加考试。进入考核模式时，操作过程中无声音文字提示，并有完成操作计时的功能，同时，对学习考试结果进行分数统计及错题分析，以满足多样化教学应用的需求，如图2所示。
4总结
虚拟仿真教学应用三维仿真技术，实现对施工工艺和施工细节的立体化展示，改变了教学中理论知识较抽象这一弊端，提高了学生学习的积极性和效率。通过趣味性的技能操作，让学生深入理解教学内容中的重点难点，提升学校教学水平。虚拟仿真教学通过平台整体架构及功能性设置，将最大限度地实现资源应用的范围和能力，实现学生在校内进行与施工企业工作任务相一致的虚拟仿真实训，丰富了学校信息化教学资源及实践操作实训设施，为学生提供了全方位的教学资源，帮助学生提升岗位核心竞争力，为学校提供了更多更好的教学条件和教学资源。虚拟仿真教学将成为未来十年实训教学的一大趋势。
参考文献：
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虚拟仿真技术方案篇3
关键词：虚拟制造技术；现代机械工程设计；机械制造；机械产品；机械设计
文献标识码：A中图分类号：TH166文章编号：1009-2374（2016）05-0073-02
作者简介：伊纪斌（1994-），男，山东淄博人，山东理工大学国防教育学院学生，研究方向：机械设计
随着知识经济和工业制造的快速发展，现代化的市场要求产品生产厂商要以最快的速度、最优的品质、最短的研发时间、最低的成本消耗和最佳的服务来满足顾客的需求。传统设计一般是在图纸结合产品的特性和设计的具体要求进行的，在机械设计的过程中需要提前对设计中的设备装配的干扰因素的不确定进行考虑，但是产品在装配中的缺陷只有在产品开发的后期才能暴露出来或者在产品的试制阶段和装配中显现出来。如果设计的零件已经开始投入生产了，那么损失就更加严重了。产品的质量在传统的设计和制造方式上不能得到很好的保证，并且传统设计的工艺比较粗糙、开发的效率低、花费时间比较长、耗费的资金比较大。在变化速度快、持续性发展和不可预测性市场中难以适应。因此，企业的生产活动需要具备高度的柔性和快速的反应，与此同时信息技术的飞速发展保证了机械制造的先进性，信息化的使用对于现代机械工程设计十分重要。
1虚拟机械制造技术
以往传统的机械设计技术的设备条件比较差，设计技术性不强，传统的设计观念比较保守，设计的手段主要依靠的是粗略的计算和估算，主要是在较多的简化和静止化假设中完成机械工程的设计，传统设计具有较大的随意性，并且设计的关键过程还对设计者的经验和设计习惯具有很大的依赖性。设计的过程很难实现合理、高效和准确。但是在现代化虚拟设计的相关技术可以很好地实现设计经验依赖性强、设计过程静态性和设计理念随意性向现代化设计精确性、以数据知识工程和专家系统为保证的设计方式的发展，虚拟计算机技术需要对必要的信息进行检索、分析和收集。最终找出最优的设计方案和数值运算的方式，当然也会对CAD技术和人工智能技术、数据库技术等进行大量的应用。虚拟机械制造技术主要是在虚拟环境下对计算机的模型进行虚拟分析的一种计算机设计技术。该技术集成并综合应用了综合性的机械制造环境，主要包括了各种仿真、分析、应用等工具以及信息模型和控制工具等。虚拟制造需要经历的主要阶段有装配产品的概念设计、动态仿真、回收利用。依靠虚拟制造技术，机械设计人员不需要将所有的零件设备生产制造出来，可以通过对零件模型的建立，随后对零件进行虚拟装配，并对各零件部位之间的装配间隙进行干涉、对装配的状态实现检查，对零件设计中的错误及时发现，如果零件不符合设计要求，可以依靠计算机技术方便及时更改模型，最后形成新的零部件设计图和装配图，达到设计、装配和制造检验的协调。
2虚拟制造技术的关键
虚拟制造技术包含了许多方面，主要有设计技术的提出、产品制造过程的抽取、原模型的建立、集成基础结构、建模仿真等。下面就对虚拟制造技术中的关键技术进行详细的介绍：
2.1虚拟技术中的建模技术
虚拟指的是在系统中将现实制造系统映射到虚拟环境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、计算机化的抽象描述和表示。VMS建模的主要内容有生产模型建立、产品模型建立、工艺模型建立的信息化体系结构的建立。生产模型中有静态描述和动态描述两种。静态描述主要是关于对系统生产能力和生产特性。动态描述是在已经被得知的系统状态和需求的性质上对产品的整个过程进行全面的预测。在制造过程中我们将种种实体对象总的称之为产品模型。在产品的模型建立中需要对产品的明细、形状特征等方面进行描述。对于VMS而言，要实现产品实施过程的全部继承必须具备完整的产品模型。因此在虚拟制造中的产品模型不再是单一和静止的，它可以运用抽象的技术实现各种模型面貌的提取。工艺模型主要指的是在制造过程中对产品的工艺参数和关于产品功能的各种因素进行联系，最终实现对产品模型和生产模型之间相互作用的反映。
2.2虚拟制造技术中的仿真技术
仿真指的是通过计算机实现复杂现实系统的抽象化和简洁化最终形成的系统模型，并且在仿真的基础上对模型进行应用，最终得到相应的系统性性能分析。仿真主要以系统模型为主体的研究方法，它对实际的生产系统没有直接的干扰作用，并且仿真系统可以对计算机的计算能力进行应用，实现在短时间内完成在实际工作中需要很长时间的工作，有效缩短了生产决策的时间，最大化地避免了对人力、物力和资金的投入以及浪费。计算机技术还有很好的仿真修复功能，最大化地保证了方案的最优。仿真技术过程的主要步骤有系统研究、数据收集、系统模型建立、仿真算法的确定、仿真模型的计算、仿真模型的运行、结果的输出和分析。仿真在产品的制造过程主要被分为制造的仿真和加工的仿真。在系统产品的开发中主要涉及的是产品建模、设计交互行为仿真等。方便对设计结果的评价，及时进行反馈，降低产品设计中的错误。加工过程的仿真主要有切削、装配、检验及焊接、压力加工和铸造等。以上两种仿真过程是相对独立的，两者不能实现集成，而VM中应建立全面过程的统一仿真。
2.3虚拟制造中的虚拟现实技术
虚拟现实技术的目的是改善计算机的交互方式，提高计算机的可操作性，它是在对计算机图形系统和多种显示以及控制等接口设备的基础上，以交互的三维环境为人提供沉浸体验的技术。虚拟现实技术主要由图形系统和多种接口设备组成，使人在虚拟环境中感受到真实的沉浸感觉，交互性计算机系统是虚拟现实系统的基础。虚拟现实系统中有操作者、机器和人机接口。它帮助提升人和计算机间的和谐度，同时也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下实现对真实世界的模拟。在用户交互输入以及输出修改虚拟环境的条件下，使人达到身临其境的沉浸感觉。VM的关键技术之一就是虚拟现实技术。
3机械虚拟样机技术介绍
虚拟样机技术在机械工程设计中被称作机械系统动态仿真技术，它是20世纪80年代在计算机技术的快速发展中发展起来的一种计算机辅助技术。在计算机建立样机模型后，对模型的多种动态性能进行具体的分析，最后对样机方案实现改进。用数字化模型代替物理性的样机。通过虚拟样机技术的作用，简化了机械产品的设计开发过程，有效缩短产品开发的时间，最大程度降低产品的开发成本和费用，实现产品质量和系统性能的提升，使设计产品实现最优化和最具创新性。综合以上优势，该技术一经出现就受到了众多工业发达和高等院校及设计和生产企业的重视，许多著名的产品开发设计者都对该技术进行了引入并运用在自身产品的开发中，并且取得了极好的经济和生产效益。在机械工程设计
中应用仿真技术对零件进行设计、生产工序等方面的选用以及工艺参数、加工工艺、装配工艺等构件的运动性等均可以实现建模仿真。
4虚拟制造技术在机械工程中发挥的优势
4.1强大的通用性和分析处理复杂问题的能力
虚拟样机技术建立和发展的基础是分析力学和多体运动力学，该技术的关键是对复杂机械系统进行自动建模。因此，大多数的虚拟样机技术软件主要运用的是带约束乘子的微分代数混合方程。令每个构件都有六个自由度是它的核心，还要要求其对多余的自由度进行限制，实现其具有良好的通用性，达到适用性强的目的。与此同时，虚拟样机技术还对机械系统的详细环节进行考虑，具体指弹性、接触和摩擦等因素。
4.2为机械系统建模带来便利
传统的机械系统建模中要先建立运动分析，随后在运动分析的基础上进行动力分析，这中间需要许多的图形分析和公式推导。但是图形的分析和公式的推导过程往往比较复杂，并且错误率高。同样的建模过程中设计人员只需要将机械的构成方式和连接方法以及相应的物理参数实施输入，其后的建模和求解只需要计算来完成就可以了，极大地帮助设计人员承担了许多的设计难度。
4.3强大的后期处理能力
在传统的分析方法上通常得出的是大量的数据，数据的理解还要依靠丰富的经验和理论。但是运用虚拟样机计算软件为复杂性的数据提供了可视化技术，使得设计人员直观地看到机械设计的性能和运动效果。
5结语
虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。实现了在产品真正制造出来前，可以在虚拟的制造环境中生成产品的原型，更好地替代现实中的硬件产品，更方便地对设计产品的性能和可生产性进行评估，极大地缩短了产品的设计和生产周期，最大化地节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。虚拟制造技术是现实技术和计算机仿真技术在机械制造中的综合应用。在现代化计算机虚拟设计技术的帮助下实现对众多产品的开发和设计，不仅不会造成实际物质的浪费，并且还能更直观地了解产品生产的具体情况，打开了机械制造和设计的全新局面。
参考文献
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虚拟仿真技术方案篇4
公安院校学生未来就业方向主要是公安基层民警，而消防监督工作是公安基层工作的重要组成部分，因此，学生对消防监督检查流程及重点应有一定了解，对通用消防器材装备应熟练使用及对火灾初期应灵活处置，而这些方面的教学工作在实际教学中存在教学与实际脱节的矛盾。随着建模与虚拟仿真技术的快速发展，计算机模拟训练以其特有的优点越来越受到高校的重视[1]。消防虚拟仿真教学系统的研发可以很好地解决教学与实际脱节的矛盾[2]。该教学系统由训练（软件）系统和3D交互沉浸环境（硬件）系统两大部分构成，系统软件部分通过三维虚拟仿真技术进行设计和研发，系统硬件部分为配套虚拟交互训练内容实现3D沉浸交互功能应用的硬件平台支撑，上述两部分共同构成整个教学系统，以实现在虚拟环境下达到真实环境条件进行实验认知、训练的效果。
1消防虚拟仿真教学系统软件平台的设计
根据目前公安基层工作的需要，教学系统软件平台由消防监督检查、消防装备与灭火技术和灭火救援指挥3部分组成。
1.1消防监督检查
消防监督检查虚拟训练系统以三维仿真的某大型商业综合体为背景，利用虚拟仿真技术模拟商场中各消防设施、消防器材和相关消防设备与消防区域的设置情况。该系统主要包括消防监督检查教学展示（3D效果）、消防监督检查的组织、实施消防监督检查训练、对举报、投诉的消防违法行为的查处训练、重大火灾隐患的判定、立案、督办和消案的训练、恢复施工（使用、生产、营业或者举办）的检查训练等部分。（如图1所示）
该系统可以生动立体地讲述消防知识，同时培训学生在任意一个普通场景中，能够完成消防监督检查的各项工作措施，掌握消防监督检查的技能，实现教学目标。系统设计使用虚拟环境、立体成像设备、模拟软件的方式，一方面使学生全方位多角度的形式进入立体虚拟环境中去，身临其境地到现场去发现问题、听取解决办法、学习相关知识；另一方面则利用安装了“消防监督检查虚拟实训系统”的PC机，通过可视化交互，让学生能自我做出判断，发现并记录虚拟场景中存在的安全隐患，以达到实训要求，完成目标。
1.2消防装备与灭火技术模拟演练系统
鉴于学生对消防灭火实际操作知识的匮乏，以及经验的欠缺，因此，需要通过实际动手训练来提高学生实践能力，以便日后能从容应对各种危机情况。由于火灾本身是一个很难控制的事件，其危害性巨大，扩张速度迅猛，稍有不慎即可对人们的生命财产造成严重损失，因此，通过实际引发一场火灾来进行扑救，达到训练的目标自然是非常不可取的。但学生终究必须是要掌握消防灭火技术，如何连接理论知识和实际扑救之间的纽带，达到训练的目标，就成为了必须解决的问题。为解决理想与现实之间的矛盾，虚拟现实技术显得尤为合适。消防装备与灭火技术虚拟演练系统可全真模拟出火灾现场环境、风力风向、火情蔓延面积等；细节来讲，包括楼层通道、燃烧物质、火光火焰、烟雾层层等；扑救操作方面来讲，包括各类灭火器使用的方式方法（如，除掉铅封、拉下保险销、对准火源、按压手柄），以及室内、外消火栓的连接和使用模拟。因此，这套虚拟火灾扑救系统可从宏观到微观层层递进展开扑救技术训练，兼具安全性和交互性，加之轻量化的演练环境，是火灾扑救训练最科学完善的解决方案。（如图2所示）
1.3灭火救援指挥模拟训练系统
灭火救援指挥模拟训练系统以某大型商业综合体为实战训练背景，利用虚拟仿真技术模拟生成特定环境条件下的虚拟火灾事故场景；受训学员依据应急救援战术原则进行指挥决策，调动和部署抢险救援力量，形成战斗方案，控制事故的发展和蔓延；并依据战术知识库，以模拟训练系统提供的训练监控、记录回放等工具为辅助，记录、分析受训学员的战斗方案，对受训学员的战斗方案进行逻辑推理，最终进行评判结果和结果解释；虚拟火灾事故场景也随着战斗方案的执行实时产生动态的仿真效果，为受训学员创建一个具有高度沉浸感以及符合实际情况的训练环境。该系统主要包括灭火救援指挥教学展示（3D效果）、接处警训练需求、灭火救援指挥训练需求、模拟训练台需求和场景、模型及处置效果需求等部分。（如图3所示）
2消防虚拟仿真教学系统硬件平台的设计
消防虚拟仿真教学系统硬件平台以三通道沉浸式环境G-Discover为主，同时配以学生机房，满足教学认知以及课程考核的需要。（如图4所示）
2.1立体显示系统
作为整个虚拟现实仿真平台的显示部分，显示系统效果的好坏对整个系统表现的影响非常大。系统一般由投影机、投影屏幕、机械结构实现。其核心是根据使用要求和现场情况（环境光情况、场地情况、观众等），选择恰当的投影方式，在投影方式确定的前提下，选择适当的投影机、投影屏幕和结构形式以形成最佳的视场。由于显示屏面积较大，图像均匀性及一致性要求突出。
2.2图形图像处理系统
由于虚拟系统所采用的软件占用较大空间资源，因此，对计算机硬件的要求随之提高，当前虚拟系统中的计算机硬件以高性能图形工作站为主流，具体配置因所采用的建模和分析软件不同而不同。
2.3交互系统
虚拟设计平台中的人机交互设备包括动作捕捉系统、半实物仿真灭火器、半实物仿真水枪等，可以使设计者和观察者实时地对多通道显示屏幕上的内容进行综合操控，实现用户与三维模型的交互浏览和相关训练操作。
2.4教学考核机房
包含学生机和教师机若干台，“消防监督检查”的学生考核部分、“消防装备与灭火技术模拟演练”的认知教学部分、“灭火救援指挥”的协同操作演练部分均在该机房中完成。
2.5火灾现场信号转播系统
虚拟仿真技术方案篇5
【关键词】虚拟现实;虚拟教学系统;建模
一、引言
虚拟现实技术（VR）是一门快速崛起的新型技术，它的出现对教育产生了深远的影响，改变了以往的一些教学观念和教学模式，开拓了现行教学手段的发展空间，为教学的创新提供了广阔的空间[1]。使我们教学工作和科研可以遵循“低成本、高性能”的原则，从软件、硬件上展开，逐步实现教学系统的动态环境建模技术、实时三维图形生成和显示技术以及三维交互系统的研制。
二、虚拟现实技术应用于教学科研的实现方法
首先利用现有的软硬件、网络环境和教学资源，包括各种相关技术专家和开发人员。本着自主研发和合作相结合的方向，完成各类医学和生物学教学场景虚拟实现和模型建立，从而完成相应的模型数据库的建设，根据不同的教学目标、科研方向和需求，逐步完善各学科教学课件的整合工作，包括医学诊治方案和试验场景再现的制作和标准化工作[2]。以期达到最佳的教学效果和目的。医学与其它学科不同，针对的对像是复杂的人体。因此其操作回馈，除去视觉之外，目前还没有太好的解决方案。即使在国外，亦没有多少可以借鉴的案例，要摸索的东西多。针对这些问题，最好的解决的方案是立足现有条件，从实际使用的可能性出发，制作不必求全求大，针对教学中的问题，用VR系统实现作精、作透。对于能够模拟的，尽量模拟，无法模拟的，则想办法模仿。虚拟教学系统应遵循合理整合现有软硬件资源，本着实用性，高效性，前瞻性的原则进行开发和研究。
1.利用虚拟现实技术，对学生进行技能训练。
虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，并全身心地投入到该学习环境中去，以达到动作技能类教学目标要求。利用虚拟现实技术，可以做各种各样的技能训练，如手术仿真，影像系统仿真，电子病历模拟等各种职业技能的训练[3]。学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。如学生利用虚拟教学系统做实验，先阅读实验指导书的实验说明和操作步骤，然后观察虚拟教学系统中的演示实验，再与模拟实验的多媒体课件进行交互“操作”，控制实验条件，采集实验数据，论证实验原理和规律，写出实验报告，分析实验结果。学生在实验过程中或实验结束后，随时可以由网上老师或计算机智能系统进行跟踪与纠错。
2.借助网络的虚拟化实现辅助教学。
随着虚拟现实技术以及网络技术的日益发展，借助于网络的虚拟化进行辅助教学，将是未来教育占据主导地位的一种全新教学方法、方式。建构主义主张学习情境和实际情境相结合，因为实际情境具有丰富性和生动性等特点，这对于学生高级认知能力的发展有促进作用。然而计算机教学的内容，特别是实践教学因场所等限制不是每时每刻都可以进行，它有空间和时间等因素的限制。而虚拟现实技术可以打破时空的限制，为学生提供一种可在课堂和实验室中就能找到的虚拟实现，还可以再现特定的环境。
3.构建虚拟现实的教学平台。
本研究结合虚拟现实和互联网技术，利用计算机教研室现有600台微机和6台服务器、创建.NET平台，在B/S架构上逐步开发出适合进行智能型的、交互式、分布式、图文并茂的教学软件，并通过互联网传输逼真的教学和学习环境。
4.虚拟现实技术在远程教学中的应用
在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行[4]。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。
图1模块框架
三、虚拟教学系统实现的重点和难点
虚拟现实应用于教学中具有“减少实验经费开销”、“突破时空限制”等优点。在此基础上比较当前实现虚拟现实的几种解决方案，本项目并最终选择基于Flex的虚拟现实技术这一解决方案：利用3DSMAX进行建模、通过MXML+ActionScript语言实现旋转、放缩等，并对该解决方案中的技术特性、方案可行性及应用于教学中的优势进行剖析;最后，借助软件工程的开发思想（准备阶段、分析阶段、设计阶段、开发阶段和实施阶段），设计出一个虚拟教学系统，并结合结构学的应用案例对该系统的部分功能进行开发，为虚拟教学系统建设提供一个新的开发途径和模式[5]。如对研究实体，通过3DMAX完成场景建模，再由VRML创建的三维虚拟现实场景，使学生通过网络就可以直接浏览并交互。模块框架如图1所示。
具体技术路线为：
1.在.NET环境和B/S架构上建立教学虚拟现实系统平台。
2.从计算机虚拟教学课件着手，到逐步实现不同学科的虚拟实现的过度。其中包括国家精品课程教学课件的声、图和影像的多维虚拟实现（其中包括医学影像，电子病历，LIS，HIS，RIS等。
3.逐步实现临床诊疗（虚拟手术，仿真影响神经元信号传导的因素等）的网络虚拟教学和远程仿真实现。
4.整合人工智能、仿真技术、图形技术、显示技术、传感技术、网络等多种技术于一体[6]。通过硬件设备，计算机和网络技术的运用，实现听觉、视觉、嗅觉等多维信息通道获取信息的高级用户界面，从而为数字化教学的构想提供保证，填补一些国内在虚拟教学领域的空白，培养教研室科研队伍。
四、小结
虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。而借助于虚拟现实技术，创建一个与现实社会逼真的虚拟学习环境，在这个学习环境中，知识以可视化的方式呈现，学习者可以进行自主学习，以自然的方式与学习内容交互，就是本研究的目的。
参考文献
[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京：科学出版社，2007：13-15.
[2]任建.从教学媒体的演变看教学设计的发展历史[J].电化教育研究，2012（8）：12.
[3]林利，李春梅，刘畅.基于计算机虚拟技术构建临床诊疗实践教学辅助手段探析[J].中国社会医学杂志，2011，28（3）：169-170.
[4]胡万祥.多媒体辅助教学中的虚拟现实技术[J].才智，2013（14）：38.
[5]曾祥翊.从国际学者对话透视教育技术发展[J].电化教育研究，2011（8）：9-15.
[6]那一沙.教学设计研究综述[J].西南交通大学学报，2013（3）：24.
虚拟仿真技术方案篇6
【关键字】网络虚拟实验室；过程流体机械；WebCT平台；虚拟现实技术
【中图分类号】G40057【文献标识码】A【论文编号】1009―8097（2008）13―0052―03
在高等教育教学过程中，实验教学占有非常重要的地位，它是对学生进行创新素质教育的一个重要手段。目前，各高校的实验教学，大都存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，这在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。“网络虚拟实验室”是指在互联网环境下建立的“虚拟实验室”，即利用网络技术、数学建模技术和多媒体技术等在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。“网络虚拟实验室”以其开放性、实用性、动态特性、经济性和扩展性等特点，已成为高校实验教学改革的发展方向[1,2]。
《过程流体机械》是过程装备与控制工程专业的核心课程，经过多年的不断建设，该课程于2006年被评为黑龙江省省级精品课程。在课程建设过程中，实验教学环节一直是课程建设的重点内容。由于过程流体机械课程实验设备复杂，成本高等诸多客观原因，限制了实验教学水平的提高，部分主要实验项目仍停留在演示教学的层次上，不利于学生实践创新能力的培养，也制约了课程建设水平的提高。为此，课程组采用现代网络及计算机虚拟仿真技术，构建“过程流体机械网络虚拟实验室”，突破时间与空间的限制，为学生提供更加灵活的实验手段，为探索新型的现代实验教学模式提供指导。
一网络虚拟实验室总体结构及教学方案设计
1过程流体机械网络虚拟实验室设计指导思想
实验教学作为高校人才培养的重要环节之一，是一个相对独立的教学过程。网络虚拟实验室的主要功能是通过现代计算机相关技术，实现远程实验教学任务。根据这一目的，过程流体机械网络虚拟实验室的设计指导思想是：以现代网络教学平台为依托，综合采用虚拟现实技术、仿真设计技术和动画制作技术相结合的方法，建设集实验教学管理、学生管理、虚拟实验教学、虚拟实验辅导和虚拟实验考核等功能与一体的过程流体机械网络虚拟实验教学系统，实现远程虚拟实验教学。
2过程流体机械网络虚拟实验室总体结构设计
根据过程流体机械网络虚拟实验室设计的指导思想，进行网络虚拟实验室的总体结构设计，其功能框图如图1所示。其中，根据虚拟实验项目是网络虚拟实验室建设的主要内容。根据过程流体机械课程实验的特点和要求，将虚拟实验项目分为三种类型，即：
（1）虚拟设计型实验：包括建立“活塞压缩机综合性能测试及调节”、“离心压缩机综合性能测试及调节”和“离心泵综合性能测试及调节”虚拟设计型实验；
（2）虚拟仿真型实验：包括建立“活塞式压缩机结构拆装（2D型，L型）”、“水平剖分式离心压缩机结构拆装”、“离心泵结构拆装（单级和多级）”以及“其它类型流体机械的结构拆装（如螺杆泵、齿轮泵等）”虚拟仿真型实验；
（3）模拟演示型实验：包括建立“典型过程流体机械工作原理”和“典型过程流体机械特殊工况产生机理”等模拟演示型实验。
3过程流体机械网络虚拟实验室教学方案设计
远程虚拟实验教学正处于实践探索阶段，如何实现网络虚拟实验的学、做、考、辅等教学环节，是过程流体机械网络虚拟实验室教学方案设计考虑的主要内容。根据实验教学过程，结合远程教学实践经验，设计了过程流体机械网络虚拟实验室教学方案，如图2所示。
二网络虚拟实验室的开发
随着计算机硬件性能的迅速提高，计算机及其附属设备的价格也随之降低；同时，虚拟现实技术的实现手段也越来越丰富。因此，以虚拟现实为主要技术基础的网络虚拟实验室的研制与应用在教育领域广泛开展。经过充分调研，项目组确定以校园网为硬件基础，依托WebCT网络课程开发平台，综合利用虚拟现实技术、计算机仿真技术及现代多媒体制技术，完成了过程流体机械网络虚拟实验室的建设工作。过程流体机械网络虚拟实验室建设中采用的关键技术如下：
1网络虚拟实验室的系统平台
根据过程流体机械网络虚拟实验室建设的原则，网络虚拟实验室应具备系统的远程教学管理功能。WebCT（WebCourseTools）网络课程建设平台是一套功能完备、易用、高效的网上教学支撑系统。可提供系统的课程开发工具、全面的教学管理工具、强大的交流工具、完善的测验功能以及定期的统计功能等。[3]因此，过程流体机械网络虚拟实验室选择WebCT网络课程建设平台为开发工具。
2虚拟实验项目的设计及实现
虚拟实验项目的设计是网络虚拟实验室的核心内容，也是技术上的主要难点。以“营造真实的实验场景，制作准确的仿真过程，培养学生的创新意识”为原则，提出综合采用虚拟现实制作技术、Flas仿真制作技术和三维动画制作技术相结合的方法，完成过程流体机械虚拟实验项目的研制工作。
通过对比分析，确定选用MultiGenCreator/Vega虚拟现实制作软件，完成虚拟实验场景的制作和实时漫游工作。MultiGen是SGI图形工作站上著名的实时三维仿真建模工具软件，在拥有强大建模工具的同时，MultiGen的突出特点是拥有强大的兼容性，例如可以转换VRML，3DS，AutoCAD，Photoshop，Wavefront的数据。这为制作过程带来方便。Vega是MultiGenParadigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的软件环境,它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来,可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。[4]
选用FlashMX2004作为虚拟实验仿真设计软件，该软件是Macromedia公司的一个网页交互动画制作工具，利用它所提供的面向对象程序设计语言ActionSeript2.0，可开发出交互性较强的过程流体机械虚拟仿真实验。同时，该软件还具有强大的二维动画制作技术，与3DMX5.0三维制作软件配合使用，可完成虚拟实验中所需的各种仪器、仪表和实验器材的制作。
三离心泵综合性能测试虚拟实验实例
综合应用现代网络技术、虚拟现实技术、计算机仿真设计技术和多媒体技术，完成过程流体机械网络虚拟实验室的建设工作。下面以离心泵综合性能测试虚拟实验为例，说明综合应用上述技术建设虚拟实验项目的过程。
离心泵综合性能测试实验是过程流体机械课程的一个重要实验。目前实验教学中所用实验装置是大庆石油学院与北京化工大学联合研制的离心泵综合性能测试实验台。该实验台在硬件和软件方面涉及了变频控制技术、温度、液位、转速及转矩的测试技术、计算机数据采集技术、化工过程PID控制技术以及计算机通讯技术等，是比较典型的集过程、设备及控制于一体的多学科交叉实验装置。
由于客观条件的限制，本专业仅有一套离心泵综合性能测试实验装置，无法满足专业实验教学的需要。因此，在网络虚拟实验室中，该实验项目是重点研制的内容之一。
离心泵综合性能测试虚拟实验由实验装置浏览、实验装置部件库、实验项目操作演示和实验项目虚拟仿真等四项内容组成。其中实验装置浏览部分利用MultiGenCreator/Vega虚拟现实软件制作完成，通过键盘控制可模拟进行实验装置的浏览，给学生以一种身临其境的视觉效果，其虚拟实验装置场景如图3所示；实验装置部件库则采用3D制作技术，完成各种实验装置部件的制作，并可显示其相关性能参数；采用Flas技术完成预定实验项目的操作演示，使学生对开放性实验项目进行预习，以掌握虚拟实验装置的正确使用；采用Flas仿真技术完成离心泵综合性能测试实验的教学工作，学生可根据实验内容，自己动手调用实验装置部件库中的相关部件组成实验装置，完成相应的实验内容。离心泵综合性能测试仿真实验装置如图4所示。
四结束语
综合采用现代网络技术、虚拟仿真技术、数学建模技术和多媒体技术，以校园网络为平台，以“过程流体机械”省级精品课程为背景，构建“过程流体机械网络虚拟实验室”。完成“典型过程流体机械虚拟结构拆装实验”、“典型过程流体机械综合性能测试及调节虚拟设计型实验”、“典型过程流体机械工作原理及特殊工况模拟实验”等共6项过程流体机械课程主要实验项目的建设；建设“虚拟实验室”实验管理及学生管理体系；实现“过程流体机械虚拟实验”的资源共享。
参考文献
[1]李欣.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与开发[J].现代教育技术,2008,18(2):115-120.
[2]朱敏,张际平.虚拟实验室及其教学应用[J].实验室研究与探索,2006,25(5):626-628.
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