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虚拟仿真技术在制造业中的应用
虚拟仿真技术在制造业中的应用
计算机科学与技术0904班
惠苗壮
学号：0909091627
摘要：
虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对所要进行的产品设计和生产制造活动,进行全面的建模和仿真。本文介绍了虚拟仿真技术在国内外的发展及在制造业中的应用现状，并提出对该技术未来的希望。
关键字：虚拟仿真技术制造业模拟
1.介绍
仿真又称模拟,是利用模型方法来重现实际系统中发生的本质过程,并通过实验来研究已经存在的或正在设计中的系统。计算机仿真技术作为一门新兴的高技术,近年得到迅速的发展,其应用领域及作用越来越大,尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中,计算机仿真一直是不可缺少的工具,它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。
虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,通过多种传感设备,用户可
根据自身的感觉,对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,形成一个看
似真实的模拟环境,它是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技
术拓展。虚拟现实技术包括临境和拟实两个方面。
虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对
所要进行的产品设计和生产制造活动,进行就实际地模拟出其设计开发和制造全过程,并对性能进行全面模拟试验,预测产品的设计和制造合理性、产品性能和制造周期等,以期达到最佳,使整个产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最佳。
当前虚拟仿真技术已经广泛应用于娱乐、教育、训练、医学、设计、制造、商业、科学视觉化、网路应用等各种领域。
2.虚拟仿真技术的发展现状
从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。国内外大量科学研究人员从事虚拟仿真技术的研究。
2.1国外发展状况
VR技术起源于美国，美国的研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。以美国为例，目前美国在该领域的基础研究主要集
方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星索”(vPE)的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。这些研究成果都表现了美国在虚拟仿真方面的发展水平。
2.2国内发展状况
我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。我国军方对虚拟技术的发展关注较早，而且支持关注的力度也逐日加大。
国内一些重点院校，也积极投入到这一领域的研究工作中来，并且取得了丰硕的成果。北京航空航天大学计算机系：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；另外西安交通大学，国防科技大学，装甲兵技术学院，中科院软件所，上海交通大学等高校也分别在不同领域，不同方面的虚拟技术研究工作中取得了不同的成果。
3.虚拟仿真技术在制造业应用开发的技术环境
计算机图形学、三维设计软件、计算机仿真技术、高性能计算机的快速发展以及制造企业三维设计体系的建立、完善,将有力促进虚拟仿真技术在各个领域的应用开发。
3.1 计算机图形学及三维设计软件的软件环境
计算机图形学是伴随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的结果。在造船、航空航天、汽车、机械、地理信息等领域的广泛应用,推动了这门学科的不断发展,而不断解决应用中提出的各类新课题,又进一步充实和丰富了这门学科的内容。现已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。
三维曲面建模出现于20 世纪70 年代,前后产生了实体造型技术、参数化造型技术、变量化造型技术等新技术革命。三维CAD 软件及三维设计的出现,使一般复杂的产品设计和数字建模成为可能,设计人员因而有机会在计算机上看到复杂的几何形状、轮廓和产品概念。在此基础上,还可进行零件干涉测试和交互检查,提高了设计的可视化能力,
因而大大减少了设计错误和由此引起的变更,缩短产品设计和制造周期，是制造业研究开发时间大大减少的必要条件之一。
3.2 计算机仿真技术的广泛应用与高性能计算机系统的硬件环境
计算机仿真技术集成了计算机、网络技术、图形图像技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识。当前其应用已不仅仅限于产品或系统集成后的性能测试,已发展为可应用
于产品的型号研制的全过程,包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各阶段。由于虚拟仿真技术所应用的对象是三维模型等:虚拟仿真
技术在制造中的应用需要处理的数据量非
常大,因此其应用是建立在信息处理能力强、内存大、图形功能强,并具有高速科学计算
能力的高性能计算机系统上的。虚拟制造与实际制造系统的关系如图1所示
图1
4．虚拟现实技术在制造业中的应用现状
虚拟仿真在当今的制造业是不可或缺的。当原来建立的一些原型样机进行组件高级测试时，现在规划师、设计师和工程师在同一个数字模型上工作，在屏幕上优化制造，如果有必要，将模型数据通过数据线同时传输到全世界各地。这样减少了研发成本，特别加速了研发过程，提供了更快的市场化时间。虚拟现实更深远的优势在于使用者可以在最初的时间点上及时评估不同变量。
4.1虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用
汽车覆盖件模具的开发要受到可靠性、美观性、经济性、可制造性及可维护性等多方面的制约。在传统的汽车覆盖件模具开发过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试修改，才能得到满意的汽车零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等问题，主要是凭借模具钳工师的经验，通过试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且生产出的模具精度往往达不到预期的要求，还会加长模具的开发周期。而虚拟制造技术可以大大缩短这一周期。因为在虚拟现实环境下，设计和制造汽车不需要建造实体模型，工程师可以利用虚拟的“自然”环境的可视化优势，把汽车模具的结构分析、虚拟设计、部件装配和性能优化等融合在计算机虚拟制造系统中进行，在综合考虑汽车车身件的外观总体布局及零部件之间的相互衔接相互作用等因数基础上，对模具几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模和仿真分析，从而避免了反复修模，保证了模具的精度要求;而且因为生成的仿真模型可被直接操纵与修改，数据可以反复利用，因而大大缩短了模具开发的周期Cs-i21虚拟制造技术与快速成形技术、反向设计、逆向工程、基于知识的工程设计等技术相比具有非常好的优势。因为虚拟制造技术具有独特的虚拟设计制造环境，可以让模具整个开发过程完全在虚拟的“实际”环境中进行，在达到预期的性能质量等方面的要求后才开始进行实物制造，从而使制造出的模具一次性的满足用户需求，大大降低了模具的废品率，减少企业的开发成本。
汽车覆盖件模具的虚拟制造开发流程如图1所示，首先从产品需求分析开始，然后进行概念设计，
再从优化设计到系统集成，
通过使用相关开发软件，在虚拟环境中，构造产品的虚拟模型。这是一个循环渐进的过程，基于产品的开发需求，采用相应的仿真分析工具对虚拟模型的功能和性能进行仿真分析，对虚拟模型的行为进行模拟分析，并基于仿真分析的结果，通过反复建模仿真分析模型的改进，直到虚拟制造出的模具满足预期设计的目标，才开始进行实物制造。由图2可知，汽车覆盖件模具在投入生产前就已经通过了虚拟的“实际环境”的检验，把实际制造中可能遇到的困难和设计上的不合理全部检验出来，再让设计工作人员进行修改或者重新设计，直到整个制造过程能够完全合理、顺利的完成。这样不但能缩短产品的研发周期，降低企业的研发成本，还可以提高产品的质量。
图2
4.2虚拟仿真技术在船舶制造中的应用
船舶工业是一项劳动密集型、技术密集型和资金密集型的产业。船舶产品是一个巨大的复杂系统，而且大多是少量或单件生产的产品，每艘船都由数以千计甚至上万件的零部件和中间产品，通过离散的但相互联系的各种过程建造而成。船舶生产周期较长，一般是几个月甚至几年。船舶建造所需的各种零部件通常由许多船舶配套生产商提供，因此船舶的建造与许多企业都有着密切的
联系，任何环节的脱节都有可能导致船舶建造进程的延期。
制造仿真强调在实际投入原材料于产
品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以确保制造过程实施的可行性。制造仿真的主要目的是提高产品设计、过程设计、工艺规划、生产规划、以及车间控制中的决策与控制水平。进行船舶建造过程的仿真和分析，在船舶设计阶段就模拟出船舶建造的整个过程，能够及早发现设计中出现的问题，减少建造过程中设计方案的更改，减少建造过程中的延期，合理的规划建造过程，优化资源配置，提高设备和劳动力的使用率；从而降低生产成本，提高产品质量。另外，在新技术、新设备采用之前，利用船舶虚拟建造系统模拟出采用这些新技术、新设备后的船舶建造过程，并对建造过程进行评估，以确定是否采用或如何合理应用这些新技术和新设备。
建造工艺规划是进行虚拟建造仿真的
首要工作，在具体工艺环节仿真验证的基础上，通过对船舶建造过程的深入分析，建立整体建造过程的流程模型，确定建造过程中每个环节的时间节点及所需的资源和设备。
建造工艺规划主要包括：
1）船厂车间的布局，生产设备的布置，人力资源的分配；
2）建造流程的规划；
3）物流控制仿真；
4）生产过程和生产调度仿真；
5）建造工艺仿真。
进行船舶虚拟建造仿真的目的是在船
舶建造之前，对船舶的整体建造过程进行模拟，以尽早发现问题，合理规划建造过程，优化资源配置，降低建造成本，提高产品质量。因此，对建造过程的评估是船舶虚拟建造的重要组成部分，评估的主要内容包括：1）生产过程评估：对所规划的船舶生
产建造过程进行整体性的评估，寻找不合理的地方，以做出调整和优化；对某项具体建造工艺进行仿真验证，以检验该工艺的合理性和正确性。
2）制造成本估算：计算船舶建造的总
成本、各阶段的成本以及按类型进行分类的成本（如材料、人工、配套设备、项目管理等）
3）制造时间评估；
计算船舶建造总时
间、各阶段所需时间及按类型进行分类的时间（如零部件的加工、配套设备的采购、结构焊接、舾装、涂装等）。
另外，采用船舶虚拟建造系统，可以预先评估新技术、新设备在船厂应用的效果，评估在新技术条件下未来的船舶建造过程，以支持船厂在采购策略、规划、投资方面决策的制定。
可见虚拟仿真技术在船舶制造工业中
有着极其重要的地位。
4.3虚拟制造在铸造生产中的应用
铸造生产中的虚拟制造技术可以称为
虚拟铸造技术。目前虚拟铸造技术主要应用于铸件设计、浇注充型或造型过程的数值模拟及结果的可视化和铸造生产过程的仿真
优化3个领域。
1．铸件设计
美国威斯康星大学的I-CARVE实验室
研制了一套虚拟铸造平台。该系统使用立体眼镜来观察三维图象，用语言建立各种儿何模型，用数据手套来确定几何体的尺寸和位置。目前，I-CARVE实验室已经利用这个系统成功地完成了注塑和压铸零件的设计，该系统的目标是达到传统CAD方法10～30倍
的设计效率。
2．浇注充型或造型过程的数值模拟及结果
的可视化
许多商品化的浇注过程模拟软件，都具有利用二维图像技术开发的计算结果可视
化模块，使用户可以更直观的观察模拟结果，分析铸件的成形过程。
3．铸造生产过程的仿真优化
越来越多的公司和企业在作出重大投
资决定之前都希望了解他们将购买设备的
详细情况，传统的可行性分析往往不足以回答在规划设计过程中有关生产率、生产周期、设备利用率以及物流等方面的问题，这些对于铸造厂来说都是十分必要的。利用虚拟制造技术对生产过程进行仿真分析，恰恰可以帮助企业回答这些问题。
德国的铸造设备制造商Laempe公司利用离散事件仿真和机器人模拟技术为Waupaca铸造公司的制芯生产线进行了工程分析。工程技术人员首先对初步设计的布置图进行了尽可能真实的模拟，对冲突点和机器人的运动时间进行优化，向用户展示整个生成线每个部件的运动。每个部件的生成周期确定之后，在很早的阶段就可以对生成线的生成率作出分析报告。对生产过程进行几百操作工时的模拟，综合考虑砂芯的破损率和设备部件的故障停机时间，确定各种布置方案每小时能生产砂芯的平均数量。在项目实施的最初阶段就对各种可能的情况进行
分析和评估，成为项目投资分析的重要部分。高质量的三维图形充分演示了生产的实际
情况，可以从任何角度进行三维放大，这种模拟过程可以取代复杂的图纸与流程图，帮助用户和设计人员理解和分析生产过程。
美国的 Foundry Service公司(FSC)为了将其熔化设备的熔化能力从每炉1350kg
增加到2000kg，计划增加一个大型浇包和
相应浇包运输设备，目的是减少铁液输送系统对熔化能力的制约。该公司利用Witness 仿真软件包建立了一个包括给料、预热、熔化、出铁液、铁液的运输、浇注以及造型的完整工艺过程的仿真模型。这个模型还通过和AutoCAD接口获取车间的布局信息，从而得到各种设备的位置和距离。这个模型的数据是建立在各种设备的生产报告、维修报告和生产计划等数据统计结果上的。但是，在得到的仿真分析结果中出现了与预期相反
的结论。仿真分析表明，炉料的增加与快速的出铁液周期相抵触，在三次快速出铁液之后，熔化炉就只能起到铁液容器的作用，直到下一次或两次出铁液后才能继续向熔化
炉中填料，这就会导致在生产周期中有一段时间生产线得不到铁液供应。仿真分析表明，适当的减少炉料加入量并调整每次加炉料
后取铁液的量和次数，会加快铁液供应的周期，减少熔化工段对生产效率的制约。仿真分析铁液出炉率结果如图2所示。由图2可以看出，仿真分析过程中不断调整铁液的回炉量，当回炉量下降到改造前的58.4％时，可以使造型线的生产率提高22.1％。按照
仿真结果更改设备参数后的生产实验支持
了仿真结果。FSC公司成功地利用虚拟制造技术完成了生产系统的投资改造，并避免了不必要的熔化设备的投资。
图3
美国的Grede Foundries公司在1996
年5月计划改造其制芯车间，以提高福特造型线的生产能力。该公司建立了制芯车间的仿真模型，通过仿真分析确定了制芯车间的最优工人数量，并决定在制芯工部传送带的末端增加一台壳型机，用来增加砂芯产量。这一虚拟仿真模型帮助Grede Foundries公司通过重新安排操作过程以及增加一台制
芯车间设备，在没有增加一名工人的情况下提高了生产能力。采用虚拟生产分析所得到的方案，以最小的改动和成本实现了预期的目标。
瑞典铸造协会也为大型企业提供铸造
虚拟生产分析，完成了一系列生产仿真工作，比较典型的有：
(1)新建铸铝熔化线的虚拟生产分析。
通过仿真分析使生产能力提高了24％，节
省投资10，000英镑。
(2)一个完整的铸铝厂从熔化到产品发
送的虚拟生产分析。
(3)一个铸铁缸体生产线熔化工段的虚
拟仿真。通过仿真分析，修改了原有的投资方案，增加了工人数量，节约了大量时间和投资。
(4)一个壳型造型工段的虚拟仿真。在
投资分析的后期，技术人员将关注的焦点集中于机器人是否能同时处理造型机和传送
带上的物料以及每班的砂型产量和造型机的设备利用率等问题上。然而，仿真分析的结果却表明，技术人员所担心的问题都不是制约生产效率的瓶颈，真正的瓶颈在于传送带的输送能力。通过仿真分析，帮助技术人员找到解决问题的关键，避免了盲目的投资和改造。
瑞典铸造协会的4个虚拟仿真实例，都是在投资之前进行的。由于投资期间的决策错误可能会造成很大的损失，所以在投资前进行必要的生产过程仿真，就显得非常必要了。这4个实例都有效的帮助投资方节省了投资。
虚拟仿真技术在铸造业生产中是极为
重要的。
5.虚拟制造技术在制造应用的
进一步设想
虚拟现实的视觉表达是现在所有VR技
术的主要特征。但是在某些领域这是不够的。所以将来计算机和数据手套甚至可以让VR
使用者有真实的把握感，使他能虚拟的触摸相关的物体。这将会实现现实中单独组件的测试和安装以及制造中的各要素的可行性
分析。不久甚至连整个的制造过程也能通过虚拟现实技术模拟，其结果会被立即反馈到计算机中的设定参数。这又将提供一系列新的运用领域：现今主要的目的就是设计产品的特定特性和功能，使用者能够参与到实际的设计和制造过程。这将加深从设计到制造这一过程的交互性。
更广的仿真会是这一发展过程的更进
一步：利用这种人机交互方法，使用者看到就在他眼前的研究事物的一系列相关信息。一个工人戴上立体眼镜就可以看到协助其
工作的信息。可以是维护和修理说明，也可以是相关重要数据的比较情况。如果工人需要旋紧一颗螺栓，眼前的鼠标箭头就会在正确的位置旋转。整个过程通过麦克风和语音识别器控制，使用者眼镜架上的小型摄像头可以在装配过程中观察部件的正确位置。
摄
像头提供的图像也可以传输到相隔很远的专家那儿，为本地用户提供他工作过程所需的咨询。
未来的虚拟仿真技术必然更加强大，在制造业技术中的地位也会越来越高，发展前景十分广阔。
6．总结
各种数据资料显示，虚拟现实从其萌芽到今天的日渐成熟已经走过了相当长的一贯风雨历程，随着网络技术的飞速发展，计算机3D运算能力和网络带宽大大提高，虚拟现实在生产生活中的应用一日广泛，已逐渐应用到航空、军事、医学、教育、工程设计、商业经营等各个领域。
不过，以上这些应用给用户的感觉并不真实，它只能被看做虚拟现实技术的初步应用，随着现代技术的发展，虚拟现实技术必将为制造业甚至人类的生活带来又一次的革命，甚至是天翻地覆的变化。参考资料：
《计算机仿真》2003年07期
《虚拟现实技术的研究现状与进展》
作者：姜国华
《北京航空航天大学学报》2001年02期《虚拟现实仿真技术的应用》
作者：杨湘龙
《哈尔滨理工大学学报》2000年49期《虚拟现实及其在机械工程的应用》
作者：魏国前
《国防科技工业虚拟制造技术高层论坛论文集》（2007年）
《船舶操纵运动及其虚拟仿真技术研究》作者：王新奇
《虚拟设计》
作者：刘宏增
虚拟仿真技术及其军事应用 作者 摘要：虚拟仿真技术是近年来系统仿真领域研究的热．氛问题，而且在军事领域有了广泛的应用。本文以庄拟现实技术为基础，具体讨论了虚拟现实技术在作战仿真中的应用，对虚拟作战仿真的研究进行了探讨。 关键词：虚拟仿真技术虚拟现实技术虚拟作战仿真 1. 引言 自从世界上出现第一台训练仿真系统（以1929 年美国空军飞机练习器-林克机为代表）以来，经过了以机电解算装置为主的仿真系统，以模拟计算机为主的仿真系统，以数字计算机为主的仿真系统等几个阶段，系统仿真技术得到逐步发展。特别是近十几年来，随着计算机技术的发展，系统仿真技术的发展也更加迅猛，而且在军事领域中的应用也越来越广泛。 虚拟现实（Virtual Reality 简记VR）技术是近年来系统仿真领域研究的热点，并且在很多行业开始有了实际应用。在军事领域，美国最早将虚拟现实技术应用于作战仿真。其研究人员在虚拟现实技术构造的数字化地形、地貌和敌情数据库上进行作战仿真和武器装备性能的评估。由于虚拟现实技术在军事领域有着广泛的应用前景，因此，美国军方始终把虚拟现实技术的研究与应用列于《国防部关键技术计划》中，并将虚拟现实技术视为建设21 世纪军队和培训21世纪人才以及发展新一代信息化战争武器装备的“革命性”手段。 目前，我军对作战仿真的研究日趋深人，但与先进的军事大国相比，仍存在不少差距。由于虚拟现实技术的出现极有可能为未来军事领域带来革命性的影响，因此我军应积极研究虚拟现实技术在作战仿真中的应用。本文以虚拟现实技术为基础，具体讨论虚拟作战仿真及其军事应用。2. 虚拟现实技术简介 2.1 虚拟现实技术的内涵 虚拟现实技术是80年代提出的一种新兴技术，它是将计算机技术、自动控制技术、系统工程方法、人工智能、仿真技术、多媒体技术、信息融合技术、立体影像技术、光电技术以及神经生物学、心理学和行为科学等诸多科学技术成果融合一体的崭新的人工合成的“虚拟环境”。 2.2虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术创造的人机和谐仿真环境具有“沉浸-交互-构思”的基本特征。它利用并集成高性能的计算机系统和各类传感器，在多维信息空间创造一个使研究者处于具有身临其境的沉浸感，具有完善的交互作用能力，能帮助和启发构思的仿真信息环境。VR 的主要特征为： (1)多媒体感知性 在虚拟现实系统中，用户将感觉不到身体所处的外部环境而“融合”到虚拟世界中去，即指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 (2)交互性 用户可以通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象，并从虚拟环境中得到反馈信息。 (3）自主性 指虚拟现实系统中的物体可按各自的模型和规则自主运动，即指虚拟环境中物体依据客观规律动作的程度。 2.3 虚拟现实系统的分类 依据交互界面的不同，可将VR 系统分为下几种类型： （1）世界之窗（Window on World
虚拟现实简称VR也泛指“计算机模拟仿真”或者“虚拟世界”。为了建立这个虚拟环境，高性能计算机将大量的数据转化为立体的三维图像，给观察者像在现实世界中同样的视觉感受——虚拟世界 看上去是真的。实际上这样的虚拟环境可以独特地取代许多领域和运用的现实环境，如果它适用于 模拟一个详细定义的现实环境。 汽车的虚拟未来已经起步网络世界已经从简单的程序发展到十分严谨、意义重大的工业化工具。使用者可以在虚拟环境中漫游，实时交互甚至可以改变他周围的虚拟世界。现代虚拟现实视觉系统 有通常被称为自动沉浸式虚拟环境或简称为CAVE ——一个电子化沉浸式环境，在这个环境中观察 者被最多六面实时投影画面的墙体包围。使用者戴上特殊的立体眼镜后就可以看到一个他所处虚拟 环境的空间三维影像。 从初步概念到系列产品——前所未有的快速和高效虚拟仿真在当今的汽车工业是不可或缺的。当原来建立的一些原型样机进行组件高级测试时，现在规划师、设计师和工程师在同一个数字模型 上工作，在屏幕上优化这个模型，如果有必要，将模型数据通过数据线同时传输到全世界各地。这样减少了研发成本，特别加速了研发过程，提供了更快的市场化时间。虚拟现实更深远的优势在于 使用者可以在最初的时间点上及时评估不同变量—甚至是最初为表达一个设计新概念的参数可以 在虚拟现实中显示出来，为虚拟仿真提供了数据。牢固地掌握这种计算机辅助仿真技术是宝马设计 团队将原来开发新车型所需的6年时间缩短为现在2年半的先决技术条件之一。 汽车成为虚拟事物为了测试新车的设计和概念，虚拟现实工程师将计算机中保存的数据收集起来，并在这个基础上构建初步3D模型。在这个过程中，计算机将整车数据细分为三角面体也就是多 边形体。也就是说，计算机向虚拟网络中添加了描述汽车设计和布置几何元素的网格体。然后特定 的色彩和表面特征根据它们实际特征和属性被赋予各个单独的部件。最后，向观察者实时地从各个 视图和透视方向展示高度真实的设计结果。 在江衡仿真看来，虚拟仿真的高超之处生成虚拟环境运用的复杂方法符合明确的意图：提供一 个清晰的蓝图替代一大串繁杂的数据，创造一种人们易于感受的视觉形式。如果这些数据全部以数 字和图表的方式作为列表印在纸上，没有人将对自己所见的东西有所概念。所以数据只有转化为三 维展示模型，它能够整合人类大脑独特的能力来利用大型、高性能计算机的计算能力直观地处理图片。然而在很多领域，单纯的视觉表达是不充分的—例如评估汽车的声学、控制功能和安全性方面 或者其单个组件。 在这种情况下，一切依赖于组件所使用的材料及其属性。在彻底的分析之后，计算机提供了大 量的具有高标准精度的描述未来汽车的信息。工程师可以在虚拟环境中从各个角度观察考虑汽车， 解剖汽车任何他想要观察的部位，行为测量，在汽车中漫游，放大或缩小图像的大小。运用相应的 软件，他甚至可以在虚拟现实中驾驶汽车，检查这个过程中产生的噪音和声响。另外（这实际上是VR的高超之处）他甚至可以直接在虚拟环境中驾驶虚拟车或者说是一个驾驶模拟器，从而在虚拟道 路上测试特定技术部件的质量和特征却不危及其他的道路使用者。最后，至少包括整车的破坏性试 验现在也能在虚拟环境中实施。 超级计算机为了利用全部的设备，成熟、高度专业的软件是必需的。实际上宝马研发创新中心 的虚拟现实技术中心（VRC）有极其庞大的具有特殊功能的玻璃显示墙，其中又隐藏着极强能力的计算机：一台计算机并联了几个处理器来处理庞大的数据集群，大型投影仪以投影到投影墙毫米以下的精度来传输图像。戴上特殊的立体眼镜，使用者驾驶进入这个的投影的环境，那样的立体眼镜只 能让右眼看到右面的立体图像，让左眼看到左面的立体图像。 这两个通道的图像随着观察者不同的位置和观察角度即时变化。使用3D鼠标或者3D操纵杆，使 用者可以在虚拟环境中漫游，传感器捕捉他的每一个动作并立即形成正确的透视图像。这个过程是 实时的，计算机的功能使使用者与图像交互，对他所观察的一切做出直觉的反应。
虚拟仿真技术的探讨与应用 发表时间：2019-09-05T10:51:13.070Z 来源：《中国电业》2019年第09期作者：王冰 [导读] 虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真 （大唐陕西发电有限公司西安热电厂陕西省西安市 710302） 摘要：虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中，本文要探讨虚拟技术的发展及应用。 关键词：虚拟；仿真技术；研究； 序言 近几年，虚拟现实与增强现实技术发展迅速，国内外大公司均在该领域做了重大布局，VR和AR迎来了前所未有的发展阶段。目前微软、爱普生、Oculus、HTC等知名公司均推出了自己的AR/VR产品，已成功应用在消费娱乐、虚拟展示、培训教育、智能巡检等多个领域。但同时国内AR与VR的发展还面临过很多问题，比如光学显示方案不成熟、缺乏专用的显示屏和处理芯片、应用场景不明确、产品的用户体验不佳等，为了推动该领域快速发展，国务院、发改委、工信部等多部委发布了相关政策，明确指出将AR/VR列入十三五期间重点发展的产业。 1.虚拟仿真技术的应用领域及功能实现 （1）虚拟仿真技术在国民经济各个领域，如教育、交通、动力、化工、制造以至农业、工业、社会科学等各行各业，都得到了广泛的应用和发展，并产生了巨大的经济效益，虚拟仿真已成为社会未来发展的必然。虚拟仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域中有关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，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，它综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程技术、信息处理技术、自动控制技术等多个高新技术领域的知识。仿真技术经历了物理仿真、模拟仿真、数字仿真、虚拟仿真四个阶段，VR/AR技术的发展成熟，对仿真技术带来了质的飞跃，我公司开发的虚拟仿真平台，具备快速场景搭建、模型导入、业务仿真、操作引导、考核评估等功能。 （2）根据SuperData的最新数据，使用AR/VR培训的公司预计将在2019年节省135亿美元。虚拟仿真培训基于虚拟、混合和增强现实头盔以及移动增强现实应用的培训模拟，受训者可以在一个身临其境的环境中学习和实践他们的新技能，而不会有受伤的危险。例如，美国航空公司使用VR帮助新机组人员在第一天上班前熟悉安全程序。根据SuperData的数据，71%的公司正在使用VR进行培训，是虚拟陈列室的两倍。例如，沃尔玛计划在4000家商店培训超过100万的员工，他们将使用独立的Oculus头盔，该计划将于2019年晚些时候启动。除了零售商之外，航空公司、旅游业、石油和天然气以及金融业也在寻求采用这种身临其境的技术进行培训。 （3）AR技术可以提供虚拟与现实相融合的操作体验，VR技术可以提供沉浸式纯虚拟的操作体验。虚拟仿真平台，利用AR/VR技术，可以模拟装备拆装和机械操作训练全过程，而不必受天气、时间、空间等外界因素的影响，在安全的受训环境及精细的虚拟场景下，提升训练效果和临场的心理素质，降低培训成本。 （4）装备训练方案可创造高度沉浸感的虚拟环境、丰富的表现元素、直观的表现方式，进行装备操作训练，如装备的拆装训练、飞机的驾驶操作、特种兵的训练仿真等，从而提高训练水平。虚拟仿真平台不仅能模拟装备的原理展示、故障检测和维修训练，还能对训练成绩进行客观评定分析，并具有记录、存储、监控操作人员操作动作等功能。 2.虚拟仿真再实际工作中的应用及其价值体现 （1）虚拟仿真平台，可以应用在各行各业，我公司目前客户主要集中在铁路、公交、军事等领域，虚拟仿真培训系统利用虚拟现实技术，对设备的结构、工作原理、操作方法等进行模拟，对操作人员进行培训，树立设备的操作规范、维保成本的降低、实操技能的快速掌握与专业知识的深造，从而降低事故发生概率，保证无线通讯的顺畅。公交车虚拟教学系统利用虚拟现实技术，建造新能源实车、总成的三维模型，模拟车间实际作业的虚拟场景，通过程序设计将车辆、总成技术参数、标准以及维护工艺嵌入VR教学程序中，实现虚拟现实的实操培训及理论教学功能。 （2）基于我公司现有客户基础和产品基础，在接下来三年内，我们可以继续深挖全国铁路局及铁路设备公司，与全国公交集团及公交设备公司，将已有技术成果进行复制推广，获得最大投入产出比。在此基础上，申报军工保密资质及武器装备承制资质，拓展虚拟仿真技术在军事训练、军用装备操作培训上的应用。 3.虚拟仿真市场占有率及发展前景 2018年中国虚拟现实市场规模约348.6亿元，预计到2020年市场规模将超900亿元，年复合增长率达125%。工信部将支持虚拟现实核心关键技术及产品研发，推进虚拟现实技术与其他行业融合发展，到2025年全球VR市场的年营收规模将达到1100亿美元，相关的软件销售额达720亿美元，随着国内相关鼓励和扶持政策的陆续落地，虚拟现实行业有望加速爆发。Digi-Capital数据表明到2021年，AR市场将不断壮大，达到830亿美元，这是一个可以诞生平台级生态公司的市场，VR市场将达到250亿美元。如图（一）所示
计算机模拟仿真技术在航空航天中的应用 在本文开篇，我先粗略介绍一下计算机仿真模拟技术。 计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。（选自百度百科计算机仿真摘要） 仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。（选自百度百科） 计算机仿真模拟的原理是依靠计算机的迭代运算， 所以这是一门依靠计算机技术所衍生的一门有着实际意 义的学科，它与我们的生活息息相关。计算机仿真模拟技 术在科学技术、军事、国民经济、汽车、电子行业、体育、 交通运输、金融、管理、航空航天方面都有广泛的应用。 它的研究范围小到原子，大到宇宙，可以说在现实生活中 应用极为广泛。 传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系 统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假 设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和 验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。 如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对 客观系统的某一层次的仿真目的为止。 模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型——上述两种的混合。 随着专门用于仿真的计算机——仿真机的出现，计算机仿真技术日趋成熟，现在已经趋于完善。随计算机技术的飞速发展，在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。 为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统，除仿真机外，还需配有控制和显示设备。 本文将主要从航空航天方面对计算机仿真模拟进行探讨。 航空技术是从上世纪60年代前苏联发射第一颗人造卫星开始，人类开始了对太空的探索。
1虚拟仿真施工技术 （1）主要技术内容 虚拟仿真施工技术是虚拟现实和仿真技术在工程施工领域应用的信息化技术。虚拟仿真技术在工程施工中的应用主要有以下几方面： A.施工工件动力学分析：如应力分析、强度分析； B.施工工件运动学仿真：如机构之间的连接与碰撞 C.施工场地优化布置：如外景仿真、建材堆放位置， D.施工机械的开行、安装过程； E.施工过程结构内力和变形变化过程跟踪分析； F.施工过程结构或构件及施工机械的运动学分析； G.施工过程动态演示和回放。 (2)技术指标 虚拟仿真施工主要包含以下技术体系: A.三维建模技术 运用三维建模和建筑信息模型（BIM）技术，建立用于进行虚拟施工和施工过程控制、成本控制的施工模型。该模型能将工艺参数与影响施工的属性联系起来，以反应施工模型与设计模型之间的交互作用，施工模型要具有可重用性，因此必须建立施工产品主模型描述框架，随着产品开发和施工过程的推进，模型描述日益详细。通过BIM技术，保持模型的一致性及模型信息的可继承性，实现虚拟施工过程各阶段和各方面的有效集成。 B.仿真技术 计算机仿真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。基本步骤为；研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果，包括数值仿真、可视化仿真和虚拟现实VR仿真。 C.优化技术 优化技术将现实的物理模型经过仿真过程转化为数学模型以后，通过设定优化目标和运算方法，在制定的约束条件下，使目标函数达到最优，从而为决策者提供科学的、定量的依据。它使用的方法包括：线性规划、非线性规划、动态规划、运筹学、决策论和对策论等。 D.虚拟现实技术 虚拟建造是在虚拟环境下实现的，虚拟现实技术是虚拟建造系统的核心技术。虚拟现实技术是一门融合了人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体工业建筑技术、网络技术、电子技术、机械技术等高新技术的综合信息技术。目的是利用计算机硬件、软件以及各种传感器创造出一个融合视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，让人身临其境的虚拟环境。操作者沉浸其中并与之交互作用，通过多种媒体对感官的刺激，获得对所需解决问题的清晰和直观的认识。 (3)适用范围 工业与民用建筑、市政工程、土木工程施工方案编制。
虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用 发表时间：2016-11-24T13:56:34.483Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：许朝阳王汉斌 [导读] 伴随着信息技术的到来，计算机虚拟技术飞速发展，并有效地与仿真技术进行了整合，最终成功应用于建筑工程的设计与施工中。山东天齐置业集团股份有限公司山东济南 250000 摘要：伴随着信息技术的到来，计算机虚拟技术飞速发展，并有效地与仿真技术进行了整合，最终成功应用于建筑工程的设计与施工中。与传统的设计、施工模式相比，虚拟仿真技术具备高仿性、交互性、价格低廉、可以重复试验等技术优势，不但降低了施工成本，又缩短了施工工期，很好地满足了施工效益。那么，虚拟仿真技术的概念到底是什么，它又是如何应用建筑施工中来的？笔者结合自身实践经验，就虚拟技术如何在应用到建筑施工中进行了简要的分析。 关键词：虚拟仿真技术；建筑施工；应用研究 一、虚拟仿真技术应用于建筑施工中的意义 近几年来，由于国内经济发展需求以及国民需要，建筑工程的开展如火如荼，我国在针对建筑工设计时，在套用规范的基础上，仍然依据加大设计安全系数的方法来实现对建筑受力与变形的控制，这就导致了建筑工程造价普遍过高的现象。建筑设计作为工程实施的基础条件，对整个建筑工程系统以及周边建筑环境都有着重要的意义和影响，并在总体的规划目标等方面给其他的专业设计提供了正确的引导。考虑到建筑内部结构的复杂性与多变性，因此在研究时不得不在施工工艺方面谨慎考虑，从而涉及到信息化设计的全部内容，在此方面，关于优化方案、现场施工等较为少见，这就间接体现了我国建筑建设在信息化技术上存在的不足。 虚拟仿真技术的出现大大弥补了这一不足，虚拟施工技术具备交互性、高度仿真性等优点，通过它建立的设计数字几何模型与施工，不但能同时满足设计师、业主、施工方等参建单位的需要，对多种施工方案展开模拟、验证、对比和优化，并最终找到一种最优的施工方法，实现低成本、短工期、高质量的效益目的。可见，虚拟仿真技术给建筑工程带来了一定的时代挑战意义，虚拟仿真技术在施工中的应用无疑决定着施工方案的优劣与否，它一方面对建筑工程的施工产生影响，另一方面也决定着工程的设计方案。所以说，应用虚拟现实技术建立建筑工程的三维模型，对施工的各个阶段实施三维可视化的模拟，在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置和相互关系，势必有利于我国建设的技术经济效益，对建筑工程的设计与施工都会有非常好的借鉴与指导意义。 二、虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究分析 虚拟仿真技术在现代建筑施工中的应用越来越普遍，意义也越重大。本文将从以下几个方面展开虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究分析： 1、虚拟施工技术的应用研究 从一定层面上讲，建筑施工过程实际上就是把施工的设计图转化为实物的—个过程，只是这个“转化”的含义及意义都非常重大。传统的施工方法与方式太多，容易跟着实际情况产生变化，而且从图纸的设计到具体的施工环节，一般都很难按照原计划设计的图纸进行。此外，传统的施工技术为了确保施工顺利完成，一般总是凭借经验实施工程，然而某些经验往往会给施工带来决定性的失误。当前，大部分的建筑工程采用了全新结构，传统的施工技术已经无法适应当下复杂的施工条件，因此转变施工技术才是重点。虚拟施工技术应用于建筑施工中，能够改善传统技术下的盲目、主观与随意，能最大化地提高工程的质量，减少成本、耗材，提高施工的安全。利用虚拟施工技术的交互性和高度仿真性，可以建立施工设计的几何模型，建筑施工的相关人员能够根据所需进行施工的虚拟试验，从而筛选出最佳的设计方式。 2、仿真技术的应用研究 仿真系统是虚拟仿真技术的基础之一，它能够仿真虚拟建筑物施工周围环境的外景，并且效果非常良好。通过仿真系统，可以将设计图纸上的建筑物进行详细建模，并能对建筑物周围的相关环境因素如道路、休闲场景等进行建模。相关的设计人员与业主可以从不同的视角观察仿真系统建模下的建筑物，也可以通过不同的入口走进虚拟建筑物中，还可以边走边看，相当于一次赏心悦目的漫游，并且还能通过鼠标与这个虚拟仿真建筑进行实时交互。在虚拟场景中，每一个物体都与实体之间有着高度仿真效果，其中还有声音与动作等仿真特效，这就使得虚拟场景有着很强的真实感，让人有种身临其境之感。 3、虚拟仿真技术在复杂空间的钢结构施工中的应用研究 在某些建筑施工中，存在着复杂空间钢结构施工，它是从一个部分逐渐到整体的完善过程，因此耗时，同时必须注意细节。复杂空间钢结构的不同施工阶段，其负载情况、结构的形态、受力特性以及边界条件都不相同。在一个阶段施工完成之后，暂时会处于一种平衡状态，但是进行下一阶段施工时，原有的平衡就会被打破，只有新的阶段完成，才能再次实现平衡。复杂空间钢结构的施工是一个平衡不断被打破继而又保持平衡的过程，在处理过程中显得有些复杂，受力的因素也比较多，加之使用的施工方法不同，往往无法有效进行施工的指导。大量实践证明，事故频繁的高峰期往往就在施工阶段，若处理不慎，极易酿成大祸。以往的施工过程中缺乏对施工的分析或者分析不够详细，致使施工中总是出现施工安全问题，而如今有了虚拟仿真技术，它可以对复杂空间钢结构进行全程跟踪，及时找出施工中哪个阶段会是最危险的，然后加以控制。 4、虚拟仿真三维动画在施工中的应用研究 虚拟仿真技术三维动画的出现，打破了传统施工只能依靠经验分析施工过程的模式，为现代化的建筑施工提供了一个便捷有效的分析手段。通过三维动画对施工过程进行分析，专家、施工的技术人员以及业主就能对施工全过程甚至是每一个细节都能清除了解。此外，工程中会遇到的重难点以及关键环节，都可以通过仿真技术以三维动画的形式展现出来，而且还可以根据业主的所需进行合适的调整，并及时修改原有的施工方案。目前，这种手段已经成功运用在了一些大型、重要的建筑中，比如中央电视台的新址、上海环球金融中心、珠江新城西塔等，它的成功吸引了越来越多社会业界的关注。 5、虚拟仿真技术在施工安全方面的应用研究 安全，不论在什么时代，都是必须保障的主题之一。传统建筑模式下，很难预见安全隐患，但是虚拟技术的应用，能让安全隐患一目了然。 （1）进行施工安全控制的方案优化 在建筑工程施工分析中，如果采用虚拟仿真技术进行分析，可以发现很多传统模式下无法发现的隐患，同时也能够对不同类型的施工
虚拟仿真实验解决方案 上海华一风景观艺术工程有限公司 2017年8月
目录 第一章需求分析 (2) 一、项目背景 (2) 二、实验教学现状 (3) 三、用户需求 (3) 第二章建设原则 (5) 一、建设目标 (5) 二、建设原则 (6) 第三章系统总体解决方案 (7) 一、总体架构 (7) 二、学科简介 (8) 第四章产品优势 (14) 第五章产品服务 (16) 一、服务方式 (16) 二、服务内容 (16) 三、故障响应服务流程 (17) 四、故障定义 (18) 五、故障响应时间 (18) 六、故障处理流程 (19) 七、应急预案 (19)
第一章需求分析 一、项目背景 《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》明确指出：把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络。到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用，建立数字图书馆和虚拟实验室。鼓励企业和社会机构根据教育教学改革方向和师生教学需求，开发一批专业化教学应用工具软件，并通过教育资源平台提供资源服务，推广普及应用。 在“十三五规划”方针政策指引下，各地陆续出台政策，强调数理化实验教学的重要性。 2016年，北京公布了中高考的新方案，强调义务教育阶段所有科目都设为100分，表示它们在义务教育与学生成长中同等重要，不再人为去区分主次，使学校、老师、家长、社会对每一门学科都很重重视，其中物生化实验部分占分比例为30%，高考不再文理分科。 继北京重磅发布此消息后，河南教育厅发布《关于2016年普通高中招生工作的意见》，其中明确要求理化生实验操作考试满分为30分；安徽省初中毕业升学理化实验操作考试分数为15分，考试成绩计入考生中考录取总分；山西省理化实验操作10分。
虚拟仿真技术在电子行业中的应用 引言 ?电子行业是一个飞速发展的行业，市场容量极其巨大，现如今我国已是全球第三大电子信息产品制造国，电子信息产品已经渗透到我们生活的各个角落，包括国防军工用品、通信、医疗、计算机及周边视听产品、玩具等。随着社会的发展和技术的进步，人们对电子相关行业提出了更高的要求：精确、稳定、轻巧、保密、可靠；同时，电子行业又具有产品更新快，研发周期短的特点，为了满足不断发展的市场需求，加快产品结构的升级，在核心技术领域取得重大突破，电子行业必须采用新的研究方法和技术。虚拟仿真研究是目前电子行业所广泛采用的一种新的方法和技术。 ?MSC.Software公司作为全球最大的CAE产品供应商，不仅为电子行业提供了多方位的虚拟仿真软件，同时MSC.Software公司还一直与世界各大电子产品制造商和研发机构有着良好的合作关系。通过MSC.Software公司所提供的虚拟仿真软件如MSC.ADAMS，MSC.Marc，MSC.Fatigue，MSC.Patran，MSC.Nastran，MSC.Dytran，MSC.Easy5等，不仅可以对电子产品的性能进行全方面的研究，而且还可以实现电子行业与其他行业的多学科一体化仿真。 ?一、电子产品设计过程中经常遇到的突出矛盾和问题 ?在电子产品的设计过程中，我们经常遇到以下问题： ?1）电子产品的机械性能：可靠性、加工性、疲劳寿命、抗冲击能力、载体振动与电子产品振动的耦合关系、适配器的设计等； ?2）雷达与天线系统：运动规律、控制规律、风载与平衡、雷达和天线阵面形状，结构形式（实体或网状）、弹性立柱刚度、齿轮减速机构、控制系统框
…………………………………………………………………科研训练调研报告……………………………科研训练调研报告 虚拟仿真技术在制造业中的应用
虚拟仿真技术在制造业中的应用 计算机科学与技术0904班 惠苗壮 学号：0909091627 摘要： 虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对所要进行的产品设计和生产制造活动,进行全面的建模和仿真。本文介绍了虚拟仿真技术在国内外的发展及在制造业中的应用现状，并提出对该技术未来的希望。 关键字：虚拟仿真技术制造业模拟 1.介绍 仿真又称模拟,是利用模型方法来重现实际系统中发生的本质过程,并通过实验来研究已经存在的或正在设计中的系统。计算机仿真技术作为一门新兴的高技术,近年得到迅速的发展,其应用领域及作用越来越大,尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中,计算机仿真一直是不可缺少的工具,它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。 虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,通过多种传感设备,用户可 根据自身的感觉,对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,形成一个看 似真实的模拟环境,它是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技 术拓展。虚拟现实技术包括临境和拟实两个方面。 虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对 所要进行的产品设计和生产制造活动,进行就实际地模拟出其设计开发和制造全过程,并对性能进行全面模拟试验,预测产品的设计和制造合理性、产品性能和制造周期等,以期达到最佳,使整个产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最佳。 当前虚拟仿真技术已经广泛应用于娱乐、教育、训练、医学、设计、制造、商业、科学视觉化、网路应用等各种领域。 2.虚拟仿真技术的发展现状 从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。国内外大量科学研究人员从事虚拟仿真技术的研究。 2.1国外发展状况 VR技术起源于美国，美国的研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。以美国为例，目前美国在该领域的基础研究主要集
东华理工大学信息工程学院 课程论文 课程：计算机仿真技术基础 题目：仿真技术的应用与发展 学生姓名： 学号： 班级：10204102 专业：计算机科学与技术 指导教师：谢小林 二零一三年六月四日
摘要 作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了60多年的发展，已广泛应用于国民经济和社会生活中。并与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术这一新的研究方法。计算机仿真作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。 本文系统全面地介绍了计算机仿真技术，阐述了计算机仿真技术的概念、原理、优点，简要介绍了计算机仿真技术的发展历程，文章最后重点探讨了现代仿真技术的研究热点，即计算机仿真技术在社会各个领域中的应用：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。 关键词：计算机仿真、发展、应用、模拟
目录 摘要 (2) 第一章前言 (4) 第二章计算机仿真技术概述 (4) 2.1计算机仿真技术简介 (4) 2.2计算机仿真技术原理 (5) 2.2.1模型的建立 (6) 2.2.2模型的转换 (6) 2.2.3模型的仿真实验 (6) 第三章计算机仿真技术发展 (6) 3.1发展趋势 (7) 3.2 现代仿真技术 (8) 3.3计算机仿真技术发展方向 (10) 3.3.1．网络化仿真 (10) 3.3.2．虚拟制造技术 (10) 第四章计算机仿真技术的应用 (11) 4.1.交通领域 (11) 4.2.制造领域 (11) 4.3.教育领域 (12) 结语 (13) 参考文献 (14)
军事上的模拟仿真技术 ● 李大光 2006年12月04日15:13 【字号 大 中 小】【留言】【论坛】【打印】【关闭】 自从我国东汉名将马援 积米为山筹划山地进攻，古 希腊数学家阿基米德在沙盘 上作几何图形推演城市防 御，人们开始用模拟分析的 方法寻找打开战争的“黑 箱”。从20世纪90年代初起， 美国率先大量将虚拟现实技 术用于军事领域。在1995 年10月为解决波黑冲突的 “代顿谈判”中，美国成功地运用计算机虚拟现实技术，让参加谈判的穆、克、塞三方领导人在计算机和大屏幕前，通过计算机虚拟演示，形象地显示了继续角逐的后果，迫使他们都不得不放弃了各自的方案，结果三方只好按照美国制定的方案达成协议。 部队训练仿真模拟 训练仿真模拟是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能，如目前使用较多的驾驶模拟仿真系统、多用途复合激光作战仿真系统等。这些仿真系统的准确性和逼真性得到了很大的提高，图像的仿真程度也已经与实物、实景相差无几。特别是训练仿真系统具有在危险小、消耗低的条件下训练出较强作战技能的部队的特点，因此受到世界各国军队的极大重视。 通过在模拟实
验室里进行训练，可使部队不需进行实际操作就能理解现代战争的概念和流程，士兵在战前就可确切知道他要完成什么样的任务，从而提高了完成任务的能力和增强了完成任务的信心，而且，分散在各地的部队不需集中就能通过模拟器材一起训练。从排到营的机械化分队可演练协同作战，攻击机可演练从不同基地起飞执行同一任务，舰只可演练相互间的配合和策应，特种作战部队可反复演练预定作战任务中的每个细节。此外，仿真模拟演练可在一定程度上代替大规模实兵演习，节省大笔经费。 在部队训练方面，模拟仿真技术同样大有用武之地。目前，外军的“虚拟现实”训练技术已发展到相当水平。美国陆军到上世纪80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。野战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、安全都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局l983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。 美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显现未来战争可能出现的各种情况，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的团级司令部进行诸军兵种联合演练。在美国肯塔基州克斯堡的乘车作战实验室里，坦克驾驶员不必离开房间，就可操纵“艾布拉姆斯”坦克模拟器穿森林，过雪地，开上一节列车。驾驶员甚至能感受到实战环境中的声音、气味和碰撞。使用这种模拟器，可使受训者在一小时内获得比6个月实车驾驶还要多的经验。据报道，美军在海湾战争前的临战作战训练中，美军飞机、坦克、装甲车辆均使用了模拟器材，只有一名飞行员在训练中打了实弹。以往坦克打一发实弹需要花费1800美元，而用模拟器材训练即可大大节约武器装备的磨损和弹药消耗，还可保证人身安全。
虚拟仿真实验是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，［1］主要依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络系统等技术，构建出高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生可以在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学效果。［2］工业设计综合实验是工业设计专业重要的实验实训课。主要围绕具体产品或项目，开展研究、实验与设计等活动，实践性极强，［3］是对专业基础课、专业课的综合训练，是提高学生综合实践能力、促进理论联系实际的重要环节。［4］学生通过系列课程的训练，进一步提高了对产品设计流程和创新方法的理解，加强了设计与生产制造的衔接，培养出较强的设计实践能力。 1虚拟实验的迫切性分析 1.1实验条件受限。工业设计综合实验是工业设计专业的必修课，开设班级众多，给实验教学的安排带来了巨大的压力。一方面，开课班级多导致实验教学设备使用紧张。如果班级每位学生都进行实验操作，则实验设备安排不过来；如果选择分组实验，则无法保证所有学生参与到实验操作中，实验效果不理想。另一方面，实验场地也存在诸多限制，实验场地面积有限。难以容纳所有学生同时进行实验，只能分批进行，影响了实验教学的效果。1.2实验成本高昂。工业设计综合实验中部分实验成本高昂。以3D打印快速成型实验为例，现有3D打印技术中如立体光固化、选择性激光烧结等工艺的材料成本和
设备成本均很高昂。其中立体光固化工艺中的光敏树脂材料平均价格为每克2～10元。当模型重量增加时，实验成本也随之增加，学生往往难以承受。选择性激光烧结工艺更是以小时计算实验成本，包括后期设备的维护和保养，叠加起来，成本高昂，从而限制了实验教学工作的开展。1.3实验的安全性。工业设计综合实验中部分实验具有一定的危险性。以数控雕刻实验为例，数控雕刻对实验操作的安全性要求极高。由于数控雕刻机的主轴转速较快，如果装卡刀具或装夹试件时没有紧密固定，极有可能产生危险，造成不可挽回的后果。因此，从安全角度出发，虚拟仿真技术在工业设计综合实验中的应用势在必行。 2运用虚拟仿真的具体优势和意义 2.1构建以学生为中心、自主学习的训练模式。探索基于网络平台的开放式虚拟仿真实验平台，旨虚拟仿真技术在工业设计综合实验中的应用探索王琛于嘉浩訾然陆雪亿（南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京210037）在突破时间和空间的限制，实现以学生为中心、自主学习为基础的线上线下相结合的训练模式，有重要的现实意义。［5］学生可以根据自己的时间安排，利用网络资源自由地开展主动学习。通过虚拟实验，学生可以在安全的环境下体验完整的实验流程，掌握具体实验过程中相关设备的操作规程，从而变教师主导为学生自主，变机械式完成为研究、探索和合作完成的新模式。2.2开展以项目为引领、探究式的教学模式。传统的实验教学体现在综合实验课程中只是对单一设备的学习和认知。虚拟仿真实验是以项目为
何为仿真？ 1定义 仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的一门多 学科综合性技术。它是它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重 用的优点。 仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。 传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。 模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的 输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型——状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型——状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生 变化；混合型——上述两种的混合。
2发展历程 仿真是一种特别有效的研究手段。20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。 40～50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重 要地位。50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中期，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出 现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联 合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大 量仿真程序包和仿真语言。70年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的 训练仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估；工业 领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练；农业领域中的农 业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护；在交通领域中的 驾驶模拟训练和交通管理中的应用；医学领域中的临床诊断及医用 图像识别等。 3主要仿真技术
建筑施工中虚拟仿真技术的应用研究 摘要：虚拟仿真技术是运用计算机仿真、应用虚拟现实等相关技术对建筑施工过程中进行计算机模拟与分析，以达到对施工过程中的动态管理和事前控制的目的。 关键词：建筑施工；虚拟仿真；应用 引言：建筑施工行业是传统行业之一，在当前高新技术高速发展的背景下，其行业应接受高新技术带来的优势。在进行复杂大量的建筑施工时，为了保障不间断地有节奏工作，应使各个施工环节协同运作、步调一致，而要想达到这个目的就必须事先制定准确无误的组织计划和施工方案。而运用以往的工具和计算技术，早已难以保障准确地、及时地处理大量繁琐的施工技术资料。于是本文着重对虚拟仿真技术在建筑施工的运用进行了研究和探讨。 一、虚拟仿真技术的概念 虚拟施工技术（VC）是对实际施工过程的模拟。它运用结构仿真和虚拟现实等技术，在计算机等相关设备的支持下，对施工过程中的物品、人员、财产、施工过程进行逼真演练，以便事先发现施工中可能出现的问题，并采取相应的预防措施，在优化与控制能力、缩短工期、增强施工过程中的决策、减少风险和降低成本等方面均有显著作用。[1] 二、虚拟施工所需的技术支持 虚拟施工需要众多学科领域来提供技术支持，主要包括为虚拟现实技术、优化与建模技术、计算机仿真技术以及相关的软硬件技术。具体情况如下： 2.1虚拟现实技术。它综合了传感器技术、计算机图形技术、显示技术、计算机仿真技术等众多学科，它为人机对话提供了更直观和逼真的三维画面，而且还可以在多维空间上创建一个虚拟环境，以达到身临其境的感觉。 2.2建模与优化技术。应用此原理进行工程的设计、规划、管理、施工时可以综合全面地考虑在时间、经济和技术上的最佳方案，实现利益的最大化。优化方法也是虚拟施工中的一个重要技术。建模方法实际上是虚拟施工的另一种支撑技术。虚拟施工的模型包括：设计模型、基础模型和施工模型三大方面。其中施工模型与工艺参数联系在一起，以反映设计模型与施工模型间的交互作用。因此，施工模型必须具有以下几大功能：施工数据表、计算机工艺仿真、施工规划、物理和数学模型、统计模型等。 2.3计算机仿真技术。在土木工程中仿真技术主要运用在施工技术与管理和结构计算。计算机仿真技术是虚拟施工的最重要部分。在结构工程施工方面，内
实用标准文档 虚拟仿真实验解决方案 上海华一风景观艺术工程有限公司 2017年8月
目录 第一章需求分析 (2) 一、项目背景 (2) 二、实验教学现状 (3) 三、用户需求 (3) 第二章建设原则 (5) 一、建设目标 (5) 二、建设原则 (6) 第三章系统总体解决方案 (7) 一、总体架构 (7) 二、学科简介 (8) 第四章产品优势 (14) 第五章产品服务 (16) 一、服务方式 (16) 二、服务内容 (16) 三、故障响应服务流程 (17) 四、故障定义 (18) 五、故障响应时间 (18) 六、故障处理流程 (19) 七、应急预案 (19)
第一章需求分析 一、项目背景 《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》明确指出：把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络。到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用，建立数字图书馆和虚拟实验室。鼓励企业和社会机构根据教育教学改革方向和师生教学需求，开发一批专业化教学应用工具软件，并通过教育资源平台提供资源服务，推广普及应用。 在“十三五规划”方针政策指引下，各地陆续出台政策，强调数理化实验教学的重要性。 2016年，北京公布了中高考的新方案，强调义务教育阶段所有科目都设为100分，表示它们在义务教育与学生成长中同等重要，不再人为去区分主次，使学校、老师、家长、社会对每一门学科都很重重视，其中物生化实验部分占分比例为30%，高考不再文理分科。 继北京重磅发布此消息后，河南教育厅发布《关于2016年普通高中招生工作的意见》，其中明确要求理化生实验操作考试满分为30分；安徽省初中毕业升学理化实验操作考试分数为15分，考试成绩计入考生中考录取总分；山西省理化实验操作10分。