计算机虚拟技术概述

1、1. 本课程的教学目的和要求计算机虚拟样机的设计技术了解虚拟现实技术的意义、作用及概念了解虚拟现实技术的原理、国内外的研究现状及发展前景结合一种软件掌握一种计算机虚拟样机设计技术 l课堂教学与课后实践相结合 课堂教学实践26小时、课后实践10小时l随堂测验l平时作业l期末考试2.教学重点3.教学方法4.成绩评定 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（Virtual Reality，简称VR），是利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统一种亲身感受到的虚假。 虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境是立体的、音

2、效是立体的，人机交互是和谐友好的，它将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，利用计算机创造的虚拟世界将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。 虚拟现实（VR）技术又称灵境技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是前景最好的计算机技术之一。 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术1.1 虚拟现实（技术）的定义及发展历史两个方面： 第一是计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉。 第二是虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心。 第第 1 1 章章

3、 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 1965年，Sutherland在篇名为终极的显示（The Ultimate Display）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。 1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD（头盔显示器）系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。 头盔显示器第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有

4、关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。 90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚

5、拟技术计算机虚拟技术电影阿凡达中的部分场景第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术虚拟样机技术魔幻森林游戏虚拟场景第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术网上虚拟环境系统：Virtual Raleigh，版权所有IBM Canada第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术开采仿真器第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术侏罗纪公园第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术虚拟战场第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技

6、术计算机虚拟技术虚拟现实系统的研究现状主要涉及到以下三个研究领域：第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面；使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。(1)(1)多感知性多感知性: : 具有的视觉、听觉、力觉、触觉、运动感知，甚至包括味觉、嗅觉等。 (2)(2)沉浸性沉浸性: : 又称临场感，让用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度“身临其境”。 (3)(3)交互性交互性: : 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。 (4)(4)自主性自主性: : 是指虚拟环境

7、中物体依据物理定律动作的程度，即人与虚拟环境的交互作用程度。例如，当受到力的推动时，物体会沿力的作用方向移动。虚拟技术三角形虚拟技术三角形第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术1.2 虚拟现实的基本特征 它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术按系统功能和实现方式的不同分为以下三种类型：优点：真实感强，具有身临其境的感觉。缺点：系统设备尤其是硬件价格相

8、对较高，难以大规模普及推广。（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统） 利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（2 2）简易型）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）优点：结构简单、价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是一套经济实用的系统。缺点：参与者会受到周围现实环境的干扰，缺乏真实的现实

9、体验和沉浸感。 是一种基于网络的虚拟现实系统。通过计算机网络将多个用户连接在一起，同时参加一个虚拟空间，对其进行观察和操作，协同工作，共同体验虚拟经历。洽谈洽谈讨论讨论设计设计第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（3 3）共享型）共享型虚拟现实系统（分布式虚拟现实系统）第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反溃。 传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 控制模块

10、：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 显示模块：将虚拟场景实时生成并显示为三维图像。1）构成虚拟现实系统六六个主要模块(1)(1)动态环境建模动态环境建模 实时获取实际环境的三维数据，并根据需要实时建立相应的虚拟环境模型。 (2)(2)实时三维图形生成技术实时三维图形生成技术 实时生成三维图形，并保证图形的刷新频率不低于15帧/秒至30帧/秒。提高刷新频率是该技术的主要内容。 (3)(3)立体显示和传感器技术立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，必须开发新的三维显示

11、技术以克服当今设备过重、分辨率低、延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等缺点。(4)(4)应用系统开发工具应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想像力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。(5)(5)系统集成技术系统集成技术 由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术2）虚拟现实系统的关键技术（2 2）感知设备：感知设备： 是

12、指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的通道刺激信号的设备（视觉、听觉和力觉等设备）。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（1 1）虚拟现实生成设备：虚拟现实生成设备： 是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机。（4 4）基于自然方式的人机交互设备：基于自然方式的人机交互设备： 应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置。（3 3）跟踪设备：跟踪设备： 跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现实系统中人机交互操作。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟

13、技术力反馈器力反馈器高性能图形计算机环形屏幕头盔眼镜三维显示器三维鼠标手套第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 VRML虚拟现实建模语言：可可创建基本几何造型、虚拟造型中的群节点、构建虚拟现实的环境、实现动画效果，可编辑与浏览VRML场景 ，可与3DSMAX进行数据及图形交换。ADMAS软件包软件包VPG(VIRTUAL PROVING GROUND )虚拟试验场技术虚拟试验场技术 3DSMAX VR工具集 WTK（world tool kit) MRT(minimal reality toolkit) DVS(D

14、istributr virtual Environment System) VRT(Virtual reality toolkit) Super VRTSolid Works软件包软件包PRO/E软件包软件包Matlab软件包软件包第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异，下面是几种有代表性的论述：（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法 。（2）虚

15、拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现。（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术

16、在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟

17、物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术虚拟设计系统解决方案 虚拟设计在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟设计对传统设计方法的革命性影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发和加工过程和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征。汽车虚拟样机 （1 1）用于遥控机器人的遥现技术：）用于遥控机器人的遥现技

18、术： 遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机器人的遥控遥现技术起了至关重要的作用。 （2 2）仿真技术）仿真技术 计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。例如：飞行仿真系统 、 与虚拟生物对话 、 作战仿真系统 等。 （3 3）对象可视化技术：）对象可视化技术： 在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究。 （4 4）虚拟实验室：）虚拟实验室： 在研究工作和学习过程中，总会有许多实验需反复进行，以期得到不同条件下的不同结果，虚拟实验室能

19、提供这样一个平台。 （5 5）虚拟电力控制室：）虚拟电力控制室： 使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配置等室内外环境，以便从不同方向观察研究控制室情况。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（6 6）分布式虚拟现实系统：）分布式虚拟现实系统： 分布式虚拟现实系统（分布式虚拟现实系统（DVRDVR）即是一个较为典型的实例。所谓即是一个较为典型的实例。所谓DVRDVR是指是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交

20、互，并共享信息。实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。（7 7）扩增实境：）扩增实境： 扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。觉。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术虚拟虚拟学习环境学习环境 虚拟虚拟实验室实验室 虚拟虚拟实训基地实训基地 虚拟虚拟仿真校园仿真校园 虚拟虚拟远程教育远程教育 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术

21、虚拟战场环境 单兵模拟训练与评判 诸军种联合虚拟演习 进行指挥员训练 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术模拟矿井开采 矿业人员技术培训 矿井设备的虚拟设计和制造 事故模拟与调查分析 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术物品外观展示物品特性展示物品的功能参数物品的价格第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术最直观的交流方式 最快捷的审批平台 最方便的设计工具 最先进的营销手段 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 1、日本松下公司用来招揽买主的、日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界厨房世界”2 2、杭州大学开发

22、的虚拟故官游玩系统、杭州大学开发的虚拟故官游玩系统 3 3、美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统、美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统 4 4、日本的一家公司设计制造出一个虚拟世界中的歌手、日本的一家公司设计制造出一个虚拟世界中的歌手 5 5、宾夕法尼亚大学研究制成虚拟现实人杰克、宾夕法尼亚大学研究制成虚拟现实人杰克 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（1）美国宇航局美国宇航局（NASA）的Ames实验室完善了HMD，并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，NASA完成的一项著名的工作是对

23、哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索（VPE）”的试验计划。（2）北卡罗来纳大学北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。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。（3）Linda大学医学中心大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争议课题的医学研究单位。他们以数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来；他们还首创了VR儿科治疗法。（4）麻省理工大学麻省理工大学（MIT）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境

24、下的对象运动跟踪系统。（5）SRI研究中心研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究。另外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（6 6）华盛顿大学华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HIT LabHIT Lab）在新在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。能力的研究。HITHIT现已将现已将V

25、RVR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。（7 7）Dave SimsDave Sims等人等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。当前，研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。当前，这一模型已在维加斯的虚拟购物商场中得以运用。这一模型已在维加斯的虚拟购物商场中得以运用。（8 8）SOFTIMAGESOFTIMAGE公司公司的专家们提出了渗透将有助于扩大虚拟现实的美学感，的专家们提出了渗透将有助于扩大虚拟现实的美学感，这是这是VRVR未来的一个发展方向。未来的一个发展方向。（9 9）伊利诺斯州立大学伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作

26、的分布式研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式VRVR系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图象和新产品进入市场设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图象和新产品进入市场的时间，而且可以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试，这样就大的时间，而且可以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试，这样就大大地提高了产品质量。大地提高了产品质量。（1010）乔治梅森大学乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统，研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿

27、真系统，在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性。在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性。 第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（1 1）北京航空航天大学北京航空航天大学计算机系是国内最早进行计算机系是国内最早进行VRVR研究、最有权威的研究、最有权威的单位之一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提单位之一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛。上虚拟现实研究论坛。（

28、2 2）浙江大学浙江大学CAD&CGCAD&CG国家重点实验室国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫境实时漫游系统。另外，他们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。游算法和一种递进网格的快速生成算法。（3 3）哈尔滨工业大学计算机哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图象的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究定人脸图象的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话的头

29、势和手势动作，语音和语调的同步等。人说话的头势和手势动作，语音和语调的同步等。（4 4）清华大学计算机科学和技术系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对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。研究。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术（5 5）西安交通大学西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于于JPEGJPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压标准压缩编码新方

30、案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。（6 6）中国科技开发院中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了已经完成了LCDLCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。红外立体眼镜，并且已经实现商品化。（7 7）国防科技大学国防科技大学开发了一个基于开发了一个基于Internet Internet 的三维虚拟漫游环

31、境的三维虚拟漫游环境Universe3DUniverse3D。第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术1施普尔编著.虚拟产品开发技术.机械工业出版社2唐泽圣等编著.计算机图形学基础.清华大学出版社3郑建荣编著ADAMS虚拟样机技术入门与提高，机械工业出版社4胡小强编著.虚拟现实技术.北京邮电大学出版社2005年7月课程教材及参考书目课程教材及参考书目第第 1 1 章章 概述概述 计算机虚拟技术计算机虚拟技术2.1 虚拟样机技术的概念第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术二二. 虚拟样机技术应具备的特点虚拟样机技术应具备的特点第第 2 2 章

32、章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术可视化程度高、形象直观、具有高级曲面造型工具，能够构造各种复杂的产品形状，设计效率高，携带了产品综合信息，能为企业数字化提供完整的设计、工艺和制造信息。可以更加准确地表达技术人员的设计意图，使设计过程更加符合设计习惯和思维方式，从而使技术人员更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示。可实现产品的装配设计，能进行干涉检查和运动仿真。能进行产品结构分析和各种物理特性分析计算。可以直接通过投影自动生成二维工程图。设计结果也可以为后续设计模块提供信息，如工程分析、数控加工等应用，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。所有零部件的三维C

33、AD模型及各级装配体。三维模型应参数化、适合于变形设计、适合于部件模块化。与三维CAD模型相关联的二维工程图。三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。形成基于三维CAD的PDM结构体系。从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。虚拟样机的制作过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程。三维整机的检测与试验。第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术三维CAD是产品样机的基石，但产品样机绝不仅仅是计算机内部所有零部件的装配组合。三.一个完整的产品虚拟样机应包含如下几个内容第一阶段：应以三维CAD（UG、PRO/E等）为设计平台建

34、立典型产品的全参数化三维实体模型，包括以下内容：第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术2.2 如何建立产品虚拟样机 建立产品样机就是建立以三维CAD为基础的设计开发体系，是一个循序渐进的过程。确定其外形构造及装配关系、进行干涉和碰撞检查等；由三维模型转化建立完全关联的二维工程图；建立描述产品的物理数据，如基本属性、明细表信息等，为PDM管理提供基础数据。进行产品的运动和动力学分析，了解运动构件工作时的运动协调关系、进行产品的运动和动力学分析，了解运动构件工作时的运动协调关系、运动范围、可能的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度等；运动范围、可能的运动干涉、产

35、品动力学性能、强度和刚度等；实现虚拟加工，对加工工艺进行模拟，以检验产品设计的合理性、可实现虚拟加工，对加工工艺进行模拟，以检验产品设计的合理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷，为现的加工缺陷，为CAM提供数据模型；提供数据模型；通过通过PDM系统系统实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪所有设实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪所有设计事务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。计事务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。第第 2 2 章章 虚拟样机技术

36、虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术第二阶段：建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程。第三阶段：通过虚拟样机显示产品的外观、内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术 利用网络技术使相关人员可以浏览产利用网络技术使相关人员可以浏览产品的图形与非图形数据，充分发挥三品的图形与非图形数据，充分发挥三维模型的作用来探测、确定各类用户维模型的作用来探测、确定各类用户对产品规格、性能、外观等的需求，对产品规格、性能、外观等的需求，实现用户驱动、用户定制；实现用户驱动、用户定制； 在互联网上发布需要的配套零

37、部件，在互联网上发布需要的配套零部件，获得供应商的电子数据，进行电子模获得供应商的电子数据，进行电子模装，验证产品的正确性；装，验证产品的正确性； 自动地在互联网上轻松地实现自助服自动地在互联网上轻松地实现自助服务和主动服务等。务和主动服务等。第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术2.3 虚拟样机技术的几种相关技术CAD计算机辅助建模与设计技术计算机辅助建模与设计技术FEA有限元分析技术有限元分析技术Optimization优化技术优化技术软件编程技术软件编程技术模拟各种驱动元件的驱动力或力矩模拟各种驱动元件的驱动力或力矩实验结果模拟技术实验结果模拟技术将实

38、验结果作为输入参数模拟某些部件将实验结果作为输入参数模拟某些部件控制系统设计和分析技术控制系统设计和分析技术机械和控制系统的联合仿真机械和控制系统的联合仿真2.4 虚拟样机技术的基本步骤建模测试检查改进第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术建模（BUILD）测试（TEST）BODIES：构造部件的几何外形特征FORCES：施加载荷及机械力学特征，定义力函数CONTACTS：用函数形式模拟接触、冲击、碰撞等现象JOINTS：施加约束MOTION GENERATORS：施加驱动（输入驱动函数）1）测试虚拟样机模型： 定义测试（运动测试） 仿真 动画 曲线（特性曲

39、线）2）验证虚拟样机模型：输入实测数据将仿真数据与之比较第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术检查（REVIEW）改进（IMPROVE）1）改进设计： 设计实验（design of experiments) 优化研究2）自动化设计过程：个性化菜单宏个性化对话口1）细化虚拟样机模型：增加摩擦改进载荷函数定义部件弹性增加控制系统2）对设计参数进行迭代计算：参数化定义设计变量第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术系统建模系统建模几何建模几何建模施加运动副和约束施加运动副和约束施加载荷施加载荷仿真分析仿真分析设置测量和仿真输出设置

40、测量和仿真输出进行仿真分析进行仿真分析仿真结果仿真结果分析分析回放仿真结果回放仿真结果绘制仿真结果曲线绘制仿真结果曲线验证仿真验证仿真分析结果分析结果输入实验数据输入实验数据增加实验数据曲线增加实验数据曲线与实验结果一致？与实验结果一致？细化虚拟细化虚拟样机模型样机模型增加摩擦，改进载荷函数增加摩擦，改进载荷函数定义柔性物体和连接定义柔性物体和连接定义控制定义控制重复仿真重复仿真分析分析设置可变参数点设置可变参数点定义设计变量定义设计变量系统优化系统优化分析分析主要影响因素研究主要影响因素研究试验设计研究试验设计研究最优化研究最优化研究是是否否第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算

41、机虚拟技术计算机虚拟技术2.5 虚拟样机技术的几种相关软件简介2.5.1 SOLIDWORKS简介SolidWorksSolidWorks Office Premium：是一套较为完整的：是一套较为完整的 3D 产品设计解决方案产品设计解决方案 包括机械设计、验证、运动模拟、包括机械设计、验证、运动模拟、数据管理和交流工具。数据管理和交流工具。SolidWorks Office Professional：包括：包括 SolidWorks 3D CAD 软件、全套的设计交流和软件、全套的设计交流和 CAD 生产效率工具以及生产效率工具以及 PDMWorks（产品数据管理解决方案）。（产品数据管理

42、解决方案）。第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术COSMOSMotion：运动模拟和分析模块。：运动模拟和分析模块。 COSMOSFloWorks：流体动力学分析模块。：流体动力学分析模块。 COSMOSEMS：3D 现场仿真器，用来模拟零部件暴露在低现场仿真器，用来模拟零部件暴露在低频电磁电流和电磁场中时的效果。频电磁电流和电磁场中时的效果。COSMOSWorks：设计验证工具：设计验证工具通过使用该工具模拟真实条件并测试多种通过使用该工具模拟真实条件并测试多种“假设条件假设条件”情况优化产情况优化产品设计，包括以下软件包：品设计，包括以下软件包： De

43、signer利用虚拟模拟工具进行分析。利用虚拟模拟工具进行分析。 Professional为专业人士提供的设计验证工具。为专业人士提供的设计验证工具。 Advanced Professional为经验丰富的专业人士提供的多功能分为经验丰富的专业人士提供的多功能分析工具。析工具。 第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术COSMOSDesignSTAR：可使用：可使用 Autodesk Inventor、Solid Edge 和和 SolidWorks 创建的创建的 CAD 模型进行分析，不必在模型进行分析，不必在每次修改时重新导入数据。每次修改时重新导入数据。

44、具有非线性具有非线性Nolinear的分析能力，的分析能力，能够解决大变形、大压力的工程问题，适合塑料产品及弹簧能够解决大变形、大压力的工程问题，适合塑料产品及弹簧等的分析。等的分析。PDMWorks Enterprise ：产品数据管理软件（产品数据管理软件（PDM 软件）软件）解决方案，适合大型分布式设计团队的需要，可有效地管解决方案，适合大型分布式设计团队的需要，可有效地管理和共享产品数据，缩短产品开发周期。理和共享产品数据，缩短产品开发周期。3D Instant Website：创建和发布具有：创建和发布具有 3D 交互内容的实时网页交互内容的实时网页 SolidWorks Viewe

45、r：用于查看 SolidWorks 零件、装配体和工程图的模块。第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术2.5.2 ADAMS简介 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)机机械系统自动化动力学仿真软件。械系统自动化动力学仿真软件。 Mechanical Dynamics Incorporated (MDI) 由美国密西根大学的由美国密西根大学的ADAMS 代码开发研究人员于代码开发研究人员于1977年年发起成立，位于美国密西根州的发起成立，位于美国密西根州的Ann Arbor，2002年年

46、MSC.Software 以以1.2亿美金收购了亿美金收购了MDI公司。公司。 最初只有最初只有ADAMS/Solver ，用来解算非线性的方程组，需要以文本方式，用来解算非线性的方程组，需要以文本方式建立模型提交给建立模型提交给ADAMS/Solver 进行求解。进行求解。 在在90年代初发布了年代初发布了ADAMS/View，可以在统一的环境下建立模型、仿真，可以在统一的环境下建立模型、仿真模型和检查结果。模型和检查结果。(1) MSC.ADAMS的发展简史的发展简史基本模块(2) ADAMS的模块的模块ADAMS/ViewADAMS/SolverADAMS/PostProcessor第第

47、 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术A/View 含模型构造、函数发生、客户化界面设计、动画控制及输出、实验设计及最优设计等 A/Solver含运动及动力学的线性和非线性分析模块可与C+、FORTRAN结合A/PostPr-ocessor后处理模块，可对分析数据进行整合，以动画和图表形式输出加强模块图形交换器：提供图形交换器：提供DWG、DXF、IGES、STL等的接口等的接口柔性模块：与柔性模块：与FEAFEA结合，将弹性、柔性元件整合于机构分析中结合，将弹性、柔性元件整合于机构分析中A/ExchangeA/Flex线性模块：求解线性问题线性模块：求解线性问

48、题A/Linear控制模块：与控制软件结合，可进行联合仿真控制模块：与控制软件结合，可进行联合仿真A/Controls统计分析模块统计分析模块A/Insight液压模块液压模块A/Hydraulics振动分析模块振动分析模块A/Vibration基本模块有限元模块有限元模块A/FEA第第 2 2 章章 虚拟样机技术虚拟样机技术 计算机虚拟技术计算机虚拟技术Mechanism/Pro（与与Pro/Engineer整合的介面）整合的介面）CAT/ADAMS（与与CATIA整合的介面）整合的介面）CAT/ADAMS Replay其他其他CAD系系统统如如I-Deas及及UG均在原均在原软件软件Mec

49、hanism Design模模块块內，內，Solid Designer的的SD/ADAMS、Mircostation的的MS/ADAMS、Solid works与与MDT的的DDM，整合，整合界面界面均均在这些软件模块在这些软件模块中。中。CAD界界面整合模面整合模块块Car Package：汽汽车模块包车模块包，有，有A/Car、A/Driver、A/Tire及及A/Pre等等A/Rail：Rail Package（轨道车辆模块轨道车辆模块）A/Engine：发动机设计模块：发动机设计模块A/Durability：耐久性分析耐久性分析模块模块ATV toolkit：履带车辆分析模块：履带车辆

50、分析模块A/LGT：飞机：飞机起落架起落架设计模块设计模块A/Animation：高速动画模块：高速动画模块专业模块专业模块第第 3 3 章章 多刚体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术3.1 多刚体系统动力学多刚体系统动力学的基本概念 1）应具备一个友好方便的界面以利于建立多体系统的力学模型，并在系统）应具备一个友好方便的界面以利于建立多体系统的力学模型，并在系统内部得到动力学数学模型；内部得到动力学数学模型； 2）应有一个优良的求解器对数学模型进行求解，求解器要求效率高、稳定）应有一个优良的求解器对数学模型进行求解，求解器要求效率高、稳定性好，并具有广泛的适应性

51、；性好，并具有广泛的适应性； 3）应能对求解结果提供丰富的显示查询手段。）应能对求解结果提供丰富的显示查询手段。多刚体系统动力学建模的基本要求由多体系统力学模型自动生成其动力学数学模型由多体系统力学模型自动生成其动力学数学模型关键技术必须结合系统模型，以特定的动力学算法对模型进行求解。自动建模技术求解器设计第第 3 3 章章 多刚体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术3.1 多刚体系统动力学多刚体系统动力学的基本概念物理模型物理模型：也称力学模型，由物体、铰、力元和外力等要素组成并具有一定拓：也称力学模型，由物体、铰、力元和外力等要素组成并具有一定拓扑构型的系统。扑

52、构型的系统。拓扑构型拓扑构型：多体系统中各物体的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。根：多体系统中各物体的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。根据系统拓扑中是否存在同路，可将多体系统分为树系统与非树系统。系统中任据系统拓扑中是否存在同路，可将多体系统分为树系统与非树系统。系统中任意两个物体之间的通路唯一、不存在回路的，称为树系统；系统中存在回路的意两个物体之间的通路唯一、不存在回路的，称为树系统；系统中存在回路的称为非树系统。称为非树系统。物体物体：多体系统中的构件定义为物体。在计算多体系统动力学中，物体区分为：多体系统中的构件定义为物体。在计算多体系统动力学中，物体区分为刚性体（刚体）和

53、柔性体（柔体）。刚体和柔体是对机构零件的模型化，刚体刚性体（刚体）和柔性体（柔体）。刚体和柔体是对机构零件的模型化，刚体定义为质点间距离保持不变的质点系、柔体定义为考虑质点间距离变化的质点定义为质点间距离保持不变的质点系、柔体定义为考虑质点间距离变化的质点系。系。约束约束：对系统中某构件的运动或构件之间的相对运动所施加的限制称为约束。：对系统中某构件的运动或构件之间的相对运动所施加的限制称为约束。约束分为运动学约束和驱动约束，运动学约束般是系统中运动副约束的代数形约束分为运动学约束和驱动约束，运动学约束般是系统中运动副约束的代数形式，而驱动约束则是施加于构件上或构件之间的附加驱动运动条件。式，

54、而驱动约束则是施加于构件上或构件之间的附加驱动运动条件。铰铰：也称为运动副，在多体系统中将物件间的运动学约束定义为铰。铰约束是：也称为运动副，在多体系统中将物件间的运动学约束定义为铰。铰约束是运动学约束的一种物理形式。运动学约束的一种物理形式。 第第 3 3 章章 多刚体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术力元：在多体系统中物体间的相互作用定义为力元，也称为内力。力元是对系统中弹簧、阻尼器、致动器的抽象，理想的力元可抽象为统一彤式的移动弹簧一阻尼器一致动器（TSDA），或扭转弹簧 阻尼器 致动器（RSDA）。外力（偶）：多体系统外的物件对系统中物体的作用定义为外力(

55、偶)。数学模型：分为静力学数学模型、运动学数学模型和动力学数学模型，是指在相应条件下对系统物理模型（力学模型）的数学描述。机构：装配在一起并允许作相对运动的若干个刚体的组合。运动学：研究组成机构的相互联接的构件系统的位置、速度和加速度，与产生运动的力无关。运动学数学模型是非线性和线性的代数方程。动力学：研究外力(偶)怍用下机构的动力学响应，包括构件系统的加速度、速度和位置以及运动过程中的约束反力。动力学问题是已知系统构型、外力和初始条件求运动，也称为动力学正问题。动力学数学模型是微分方程或者微分方程和代数方程的混合。 3.1 多刚体系统动力学多刚体系统动力学的基本概念 第第 3 3 章章 多刚

56、体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术3.1 多刚体系统动力学多刚体系统动力学的基本概念 静平衡：在与时间无关的力作用下系统的平衡，称为静平衡。静平衡分析一种特殊的动力学分析，在于确定系统的静平衡位置。逆向动力学：逆向动力学分析是运动学分析与动力学分析的混合，是寻求运动学上确定系统的反力问题，与动力学正问题相对应，逆向动力学问题是已知系统构型和运动求反力，也称为动力学逆问题。连体坐标系：固定在刚体上并随其运动的坐标系，用以确定刚体的运动。刚体上每一个质点的位置都可由其在连体坐标系中的不变矢量来确定。广义坐标：唯一地确定机构所有构件位置和方位即机构构型的任意一组变量。

57、广义坐标可以是独立的(即自由任意地变化)或不独立的（即需要满足约束方程)。对于运动系统来说，广义坐标是时变量。自由度：确定一个物体或系统的位置所需要的最少的广义坐标数，称为该物体或系统的自由度。约束方程：对系统中某构件的运动或构件之间的相对运动所施加的约束用广义坐标表示的代数方程形式，是约束的代数等价形式是约束的数学模型。 几何模型由动力学分析系统几何造型模块所构造，或从通用几何造型软件导几何模型由动力学分析系统几何造型模块所构造，或从通用几何造型软件导入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力或外力矩等物理模型要入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力或外力矩等物理模型要素

58、，形成表达系统力学特性的物理模型。素，形成表达系统力学特性的物理模型。 物理建模过程中，有时需要根据运动学约束和初始位置条件对几何模型进行物理建模过程中，有时需要根据运动学约束和初始位置条件对几何模型进行装配。由物理模型，采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技装配。由物理模型，采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技术组装系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。术组装系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。第第 3 3 章章 多刚体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术3.2 计算多体系统动力学建模与求解的一般过程机械系统动力学分

59、析流程图1）计算多体系统动力学分析的整个流程，主要包括建模和求解两个阶段。）计算多体系统动力学分析的整个流程，主要包括建模和求解两个阶段。物理建模是指由几何模型建立物理模型；数学建模是指从物理模型生成数学模型。 对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静平衡或对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结果。联系设计目标，对逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者几何模型的选择，如求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者几何模型的选择，如

60、此反复，直到得到最优的设计结果。此反复，直到得到最优的设计结果。第第 3 3 章章 多刚体系统动力学基础多刚体系统动力学基础 计算机虚拟技术计算机虚拟技术几何模型装配：在建模和求解过程中，涉及到几种类型的运算和求解，首先是物理建模过程中的几何模型装配，即根据运动学约束和初始位置条件进行的几何模型装配，是非线性方程的求解问题；数学建模：是系统运动方程中的各系数矩阵自动组装过程，涉及大型矩阵的填充和组装问题；数值求解：包括多种类型的分析计算，如运动学分析、动力学分析、静平衡分析、逆向动力学分析等。在多体系统建模与求解过程中，求解器是核心，涉及所有运算和求解运动学分析：是非线性的位置方程和线性的速度、加速度方程的求