目錄1緒論.12仿真技術(shù)的概述.13仿真模擬技術(shù)的特點與分類.23.1仿真模擬的分類.23.2仿真模擬與虛擬現(xiàn)實技術(shù).24仿真模擬中的關(guān)鍵技術(shù).34.1動態(tài)環(huán)境建模技術(shù).34.2交互設(shè)備和工具.44.3仿真場景管理技術(shù).44.4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù).44.5應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng).45仿真模擬技術(shù)的幾個典型應(yīng)用.55.1制造工業(yè)中的模擬仿真技術(shù).55.2作戰(zhàn)演習(xí)的仿真模擬.56基于SOLIDWORKS的手動氣閥的模擬仿真.66.1SOLIDWORKS概述.66.2手動氣閥的基本工作原理.66.3手動氣閥組成零件的實體建模.76.3.1閥體的實體建模.86.4手動氣閥的裝配.136.5手動氣閥的動畫演示.146.5.1手動氣閥的爆炸演示的制作過程.156.5.2手動氣閥的模擬仿真動畫演示的制作過程.167結(jié)論.18致謝.19參考文獻(xiàn).2011緒論計算機仿真技術(shù)是世界各國十分重視的一項高新技術(shù)。仿真是以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶的要求，建立實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并使之轉(zhuǎn)換為仿真模型，在不同的工況下，在計算機系統(tǒng)中運行演示，從而真實地展現(xiàn)實際系統(tǒng)運行狀態(tài)的過程。它是涉及計算數(shù)學(xué)、工程控制、各種實際系統(tǒng)的專業(yè)知識、計算機軟硬件技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的一項綜合性高科技技術(shù)；是科學(xué)工作者、工程技術(shù)人員、運行操作人員進(jìn)行系統(tǒng)分析、優(yōu)化設(shè)計、性能評估、運行試驗、教育培訓(xùn)、操作訓(xùn)練的有力工具。它在國防、能源、交通、航空航天等重要的軍事與非軍事領(lǐng)域，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。美國1992年提出的22項國家重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)報告中，計算機仿真技術(shù)被列為第16項。同年提出的21項國防及軍事重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)報告中，被列為第6項。充分說明了模擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的重要地位。Solidworks軟件是一種強大的虛擬樣機設(shè)計和仿真平臺,具有方便易用、直觀簡單、功能豐富等優(yōu)點。利用該項技術(shù)可以快速地發(fā)現(xiàn)機械系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷,并可以直接更改模型,大大地減少了設(shè)計中的錯誤,縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期；同時基于該軟件的模擬仿真可以在教學(xué)上直觀形象的演示給學(xué)生，使學(xué)生通過通俗易懂的畫面，快捷、高效地接受新知識。2仿真技術(shù)的概述仿真(emulation)是指用一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),來全部或部分地模仿某一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),使得模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接受同樣的數(shù)據(jù),執(zhí)行同樣的程序,獲得同樣的結(jié)果。模擬(simulation,有時也譯作仿真)是指用一個數(shù)字處理系統(tǒng)表達(dá)某個物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)中選取的行為特征1。但在習(xí)慣上我們總是將仿真模擬兩個詞連用,有時也簡稱為仿真,以simulation來表示,是用模型(物理模型或數(shù)學(xué)模型)來模仿實際系統(tǒng),代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究,是產(chǎn)品設(shè)計和制造中的常用技術(shù)手段。確切地說,仿真模擬技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具,利用系統(tǒng)模型對實際或者設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的一門綜合性技術(shù)2。它綜合了計算機、信息處理、自動控制等等多個高新領(lǐng)域的技術(shù),已經(jīng)成為科學(xué)研究中除理論研究和科學(xué)實驗以外的第三種方法3,4。目前的廣泛應(yīng)用不僅有力地推動了計算機、電子和控制技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,其應(yīng)用成果也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效2益和社會效益。用仿真模擬系統(tǒng)進(jìn)行試驗,不受氣候、場地和時間等客觀條件限制,具有經(jīng)濟(jì)、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點,尤其適用于航空、航天、國防、航海及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計、試驗和評估過程,已經(jīng)成為許多復(fù)雜系統(tǒng)必不可少的輔助設(shè)計手段。其中著名的有美國NASA在航天器外的空間活動和哈勃天文望遠(yuǎn)鏡修復(fù)的地面仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)3。因此,美國國防部將建模和仿真技術(shù)列為21世紀(jì)保證美軍優(yōu)勢地位的七大關(guān)鍵技術(shù)之一4。國外產(chǎn)業(yè)界也將其視為一項參與新世紀(jì)競爭的重要技術(shù)。3仿真模擬技術(shù)的特點與分類傳統(tǒng)上,仿真模擬技術(shù)是探討系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系,仿真就是對模型的實驗,模型是系統(tǒng)的抽象,仿真建模就是對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法?，F(xiàn)代的仿真技術(shù),更多的是根據(jù)物理規(guī)律通過計算機的程序計算,建模方法和手段更為豐富,如通過基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模,采用面向?qū)ο蠼７椒?在類庫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)模型拼合與重用等軟件工程技術(shù)。由此涌現(xiàn)出來的眾多的新算法和新軟件,大大加快了仿真模擬過程。要想通過仿真模擬得出正確、有效地結(jié)論,必須對仿真結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析?，F(xiàn)代仿真軟件廣泛采用了可視化技術(shù),通過圖形、圖表,甚至動畫生動逼真地顯示出被仿真對象的各種狀態(tài),使模擬仿真的輸出信息更加豐富、更加詳盡、更加有利于對仿真結(jié)果的科學(xué)分析。3.1仿真模擬的分類仿真模擬技術(shù)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用中,具有不同的實現(xiàn)形式,主要體現(xiàn)在系統(tǒng)模型或者仿真模型的不同實現(xiàn)形式,根據(jù)系統(tǒng)模型中是否包含隨機因素,可分為隨機型和確定型模型；根據(jù)模型是否具有時變性,可分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型；從仿真模擬的形態(tài)區(qū)分,通常有實物仿真和半實物仿真甚至全軟件仿真等形式；從系統(tǒng)狀態(tài)來區(qū)分主要可以分為離散事件仿真、Monte-Carlo仿真和連續(xù)仿真等形式。3.2仿真模擬與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在有關(guān)文獻(xiàn)中,我們經(jīng)常可以看到仿真模擬技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)等表達(dá)方式密切相關(guān),虛擬現(xiàn)實和仿真模擬是從不同的角度、不同的對象或者不同的應(yīng)用范圍來闡述實物虛化和虛物實化的控制操作過程間的研究目標(biāo)和實現(xiàn)手段等大部分是相似的。虛擬現(xiàn)實從用戶感受角度分為桌面級虛擬現(xiàn)實和沉浸式虛擬現(xiàn)實兩種類型,從研究對象角度分為仿真虛擬現(xiàn)實和假想性虛擬現(xiàn)實,還有其他依據(jù)不3同的背景和要求對虛擬現(xiàn)實研究方法和表現(xiàn)形式的各種分類5。通常我們要求虛擬環(huán)境滿足三要素:沉浸感(immersion)、互動性(interaction)和構(gòu)想性(imagination),但是對于不同的應(yīng)用目標(biāo),虛擬現(xiàn)實技術(shù)對三個要素的實現(xiàn)要求也有很大的不同。仿真模擬技術(shù)按照技術(shù)交互手段和實現(xiàn)目的不同分為過程仿真和結(jié)果仿真,前者側(cè)重在系統(tǒng)行為過程活動的真實性驗證,它與虛擬現(xiàn)實技術(shù)聯(lián)系更為緊密,后者側(cè)重在對系統(tǒng)模型計算結(jié)果的驗證,通常借助于高性能計算機等設(shè)備獲得數(shù)據(jù),再對計算結(jié)果作可視化重現(xiàn)。而通常我們所說的計算機仿真更側(cè)重在利用計算機軟件模擬環(huán)境與真實環(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特性,有時并不注重系統(tǒng)的沉浸感。但是目前越來越多的仿真模擬技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合以提高仿真模擬的沉浸感,虛擬現(xiàn)實也越來越多地使用仿真模擬常用的設(shè)備和裝置來提高虛擬現(xiàn)實的真實感,因此兩者的界限也越來越模糊。這里我們不對兩者作清晰的區(qū)分,這里所說的仿真模擬技術(shù)就是綜合使用這兩種技術(shù)的統(tǒng)稱。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)建以及實時交互和反饋技術(shù)。它涉及到數(shù)據(jù)表示、運動計算和實時視景生成等基本環(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)。運動計算不僅需要高性能的計算能力也與仿真應(yīng)用背景密切相關(guān),它包括動力學(xué)或者運動學(xué)方程等具體的數(shù)學(xué)物理模型求解以及實時交互計算。實時視景生成對于強調(diào)過程真實感的體驗型仿真模系統(tǒng)尤為重要。4.1動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是體驗型虛擬仿真模擬技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(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)境模型和仿真對象。三維數(shù)據(jù)和三維對象的獲取可以采用場景建模,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)特點是執(zhí)行人在一個通過計算機和其他設(shè)備構(gòu)建起來的三維視覺或者聽覺、以及包括觸覺反饋在內(nèi)的操作環(huán)境中,對執(zhí)行人的反饋做出及時響應(yīng),造