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1、提供各专业设计目录1绪论12仿真技术的概述13仿真模拟技术的特点与分类23.1仿真模拟的分类23.2仿真模拟与虚拟现实技术24仿真模拟中的关键技术34. 1动态环境建模技术 34.2交互设备和工具44. 3仿真场景管理技术44.4网络环境技术44. 5应用环境系统45仿真模拟技术的几个典型应用55. 1制造工业中的模拟仿真技术55.2作战演习的仿真模拟56基于SOLIDWORKS的手动气阀的模拟仿真66. 1 SolidWorks 概述66. 2手动气阀的基本工作原理66. 3手动气阀组成零件的实体建模76. 3. 1阀体的实体建模86.4手动气阀的装配136. 5手动气阀的动画演示146.
2、5.1手动气阀的爆炸演示的制作过程156.5.2手动气阀的模拟仿真动画演示的制作过程 167结论18致谢19参考文献191绪论计算机仿真技术是世界各国十分重视的一项高新技术。仿真是以计算机系统 为基础，根据用户的要求，建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿真模型， 在不同的工况下，在计算机系统中运行演示，从而真实地展现实际系统运行状态 的过程。它是涉及计算数学、工程控制、各种实际系统的专业知识、计算机软硬 件技术等多学科领域的一项综合性高科技技术;是科学工作者、工程技术人员、 运行操作人员进行系统分析、优化设计、性能评估、运行试验、教育培训、操作 训练的有力工具。它在国防、能源、交通、航空航天
3、等重要的军事与非军事领域, 得到了越来越广泛的应用。美国1992年提出的22项国家重点发展的关键技术报 告中，计算机仿真技术被列为第16项。同年提出的21项国防及军事重点发展的 关键技术报告中，被列为第6项。充分说明了模拟仿真技术在现代科学技术领域 中的重要地位。Solidworks软件是一种强大的虚拟样机设计和仿真平台，具有方便易用、 直观简单、功能丰富等优点。利用该项技术可以快速地发现机械系统设计中的缺 陷，并可以直接更改模型，大大地减少了设计中的错误，缩短了新产品的开发 周期；同时基于该软件的模拟仿真可以在教学上直观形象的演示给学生，使学生 通过通俗易懂的画面，快捷、高效地接受新知识。仿
4、真（emulation）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。模拟（simulation,有时也译作仿真）是指用一个数字处理 系统表达某个物理系统或抽象系统中选取的行为特征但在习惯上我们总是 将仿真模拟两个词连用，有时也简称为仿真，以simulation来表示，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。确切地说，仿真模拟技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及 其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理
5、效应设备为工具，利用 系统模型对实际或者设想的系统进行试验研究的一门综合性技术2】。它综合了 计算机、信息处理、自动控制等等多个高新领域的技术，已经成为科学研究中除 理论研究和科学实验以外的第三种方法心门。目前的广泛应用不仅有力地推动了 计算机、电子和控制技术等相关学科的发展，其应用成果也产生了巨大的经济效 益和社会效益。用仿真模拟系统进行试验，不受气候、场地和时间等客观条件限 制，具有经济、灵活、可多次重复使用的优点，尤其适用于航空、航天、国防、航 海及其他大规模复杂系统的分析、设计、试验和评估过程，已经成为许多复杂系 统必不可少的辅助设计手段。其中著名的有美国NASA在航天器外的空间活动和
6、 哈勃天文望远镜修复的地面仿真模拟训练系统门】。因此，美国国防部将建模和仿 真技术列为21世纪保证美军优势地位的七大关键技术之一“】。国外产业界也将 其视为一项参与新世纪竞争的重要技术。3仿真模拟技术的特点与分类传统上，仿真模拟技术是探讨系统、模型、仿真三者之间的关系，仿真就是对 模型的实验，模型是系统的抽象，仿真建模就是对不同形式的系统模型研究其求 解算法。现代的仿真技术，更多的是根据物理规律通过计算机的程序计算，建模方 法和手段更为丰富，如通过基于模型库的结构化建模，采用面向对象建模方法，在 类库的基础上实现模型拼合与重用等软件工程技术。由此涌现出来的众多的新算 法和新软件,大大加快了仿真
7、模拟过程。要想通过仿真模拟得出正确、有效地结论，必须对仿真结果进行科学的分析。 现代仿真软件广泛采用了可视化技术，通过图形、图表，甚至动画生动逼真地显示 出被仿真对象的各种状态,使模拟仿真的输出信息更加丰富、更加详尽、更加有 利于对仿真结果的科学分析。3.1仿真模拟的分类仿真模拟技术在不同的应用领域和应用中，具有不同的实现形式，主要体现 在系统模型或者仿真模型的不同实现形式，根据系统模型中是否包含随机因素, 可分为随机型和确定型模型;根据模型是否具有时变性，可分为动态模型和静态 模型；从仿真模拟的形态区分,通常有实物仿真和半实物仿真甚至全软件仿真等 形式;从系统状态来区分主要可以分为离散事件仿
8、真、Monte - Carlo仿真和连 续仿真等形式。3.2仿真模拟与虚拟现实技术在有关文献中，我们经常可以看到仿真模拟技术与虚拟现实技术等表达方式 密切相关，虚拟现实和仿真模拟是从不同的角度、不同的对象或者不同的应用范 围来阐述实物虚化和虚物实化的控制操作过程间的研究目标和实现手段等大部 分是相似的。虚拟现实从用户感受角度分为桌面级虚拟现实和沉浸式虚拟现实两 种类型，从研究对象角度分为仿真虚拟现实和假想性虚拟现实，还有其他依据不 同的背景和要求对虚拟现实研究方法和表现形式的各种分类I通常我们要求 虚拟环境满足三要素：沉浸感(immersion)、互动性(interaction)和构想性 (i
9、magination)，但是对于不同的应用目标，虚拟现实技术对三个要素的实现要 求也有很大的不同。仿真模拟技术按照技术交互手段和实现目的不同分为过程仿 真和结果仿真，前者侧重在系统行为过程活动的真实性验证，它与虚拟现实技术 联系更为紧密，后者侧重在对系统模型计算结果的验证，通常借助于高性能计算 机等设备获得数据，再对计算结果作可视化重现。而通常我们所说的计算机仿真 更侧重在利用计算机软件模拟环境与真实环境结合进行的操作和推演，因此仿真 模拟更注重于系统中的一些物理特性或真实特性，有时并不注重系统的沉浸感。 但是目前越来越多的仿真模拟技术与虚拟现实技术相结合以提高仿真模拟的沉 浸感，虚拟现实也越
10、来越多地使用仿真模拟常用的设备和装置来提高虚拟现实的 真实感，因此两者的界限也越来越模糊。这里我们不对两者作清晰的区分，这里所 说的仿真模拟技术就是综合使用这两种技术的统称。4仿真模拟中的关键技术仿真模拟技术的关键是模型和环境的构建以及实时交互和反馈技术。它涉及 到数据表示、运动计算和实时视景生成等基本环节。数据表示与管理不仅与物理 模型或者数学模型的构建和环境生成等图形图像数据有关，也与其他数据格式和 具体应用背景所需要的数据有关。运动计算不仅需要高性能的计算能力也与仿真 应用背景密切相关，它包括动力学或者运动学方程等具体的数学物理模型求解以 及实时交互计算。实时视景生成对于强调过程真实感的
11、体验型仿真模系统尤为重 要。4.1动态环境建模技术虚拟环境的建立是体验型虚拟仿真模拟技术的核心内容。动态环境建模技术 的目的是根据应用的需要获取实际环境的三维数据,建立相应的虚拟环境模型和 仿真对象。三维数据和三维对象的获取可以采用场景建模，图像等多种形式，有效 提高数据获取的效率。它的技术特点是执行人在一个通过计算机和其他设备构建 起来的三维视觉或者听觉、以及包括触觉反馈在内的操作环境中，对执行人的反 馈做出及时响应，造成与真实场景和系统几乎一样的操作感觉，因此系统要求具 有很强的实时交互性。据统计，仿真模拟系统所提供的视景为仿真模拟提供了 70%的有用信息m，仿真模拟系统内容的丰富程度、逼
12、真度、清晰度和视场角的 大小，直接影响到仿真系统的质量和仿真模拟效果。尽管目前构成的虚拟场景已 经有了较为逼真的场景效果，但是利用图形图像技术生成的真实感场景与真实场 景相比仍有不小的差距。目前采用的增强现实技术,采用部分真实的场景对象代 替计算机生成对象，对仿真模拟过程起到了很好的效果。三维声音处理也是一个 虚拟仿真场景所需要的，它包括声音合成、三维声音定位和语音识别等技术。在 某些应用中，还需要声光电磁等环境因素的考虑。4.2交互设备和工具人与虚拟环境交互的硬件接口装置，涉及图形图像硬件设备,用于产生沉浸 感，以及跟踪装置，用于跟踪用户头部的位置和方向及从手的位置跟踪到全身各 肢体的位置,
13、跟踪装置把这些信息送入应用软件，以确定眼睛的位置及视线方向。 如头盔式显示器(HMD)、空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和圆顶式)。触觉和力 反馈系统提供触觉刺激，如三维动作跟踪器可提供32个关节传感器，带力反馈的 数据手套等。虚拟仿真模拟技术的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发 展。现有的虚拟仿真技术还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、 分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围 也有待提高。4.3仿真场景管理技术虚拟仿真中旬括大量的感知信息和模型,如信息的同步技术、模型的标定技 术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。同时需要协调
14、景、物、 事件、输入信息等。仿真场景的管理技术为系统的正常运行提供技术保障。尤其 对于当前的分布式模拟仿真技术，仿真场景的数据组织和管理更为复杂也更为重 要。4.4网络环境技术当前，随着计算机网络技术的发展和广泛应用，也由于各种应用需求的驱动, 分布式仿真模拟系统成为目前的研究热点之一。系统中数据和交互命令的快速传 输，要求分布式系统能够及时响应，同时系统的规模还要求可扩展、功能可扩充、 甚至要求是异构型的软件结构。4.5应用环境系统应用系统是面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容,包括仿真的动 态逻辑、结构以及仿真对象与用户之间的交互关系，与具体的应用有关，仿真对象 的行为模拟的真实性和
15、可信性很大程度上取决于对场景对象构建的物理模型和 数学模型的量化程度和模型的精度。5仿真模拟技术的几个典型应用仿真模拟活动对社会和科学技术的影响体现在很多方面。例如，在军事领域 的应用，有力地推动了军事理论和军事思想的深刻变革，提升了国家的国防安全 实力；在设计制造业中的广泛应用，不仅缩短了企业的产品设计与制造周期，而且 提高了产品质量,从而提高了企业的竞争力；在政府决策和管理领域的应用，提高 了决策管理的科学水平，减少了决策错误，提高了政府管理效率；在文化娱乐方 面的应用，不仅丰富了娱乐内容，也提高了节目的观赏性，创造了更多的梦幻效果, 同时节约了娱乐节目制作的成本，提高了文化传播能力。随着
16、计算机技术和其他 相关装备技术的发展，仿真模拟技术越来越朝着真实性、实时性和隐形性方向发 展。仿真模拟技术已经越来越多地融合到我们的生活中，并影响着我们的生活方 式和生活习惯。5.1制造工业中的模拟仿真技术试验阶段是产品设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机， 投入试验，如果某些地方试验失败,则重新设计、重新制造、重新试验，如此反复， 直到通过定型。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程,耗时长，成本 高。制造工业中的产品设计仿真分析，主要是为了发现设计缺陷、减少重量、增 加强度、优化零部件尺寸、优化性能等。在数字样机的仿真试验中发现问题、修 改设计，与物理样机相比，显然其成本降低很多。据统计，数字样机的开发方式能 够减少一半以上的物理样机制造和试验，从而争取到更多的时间，节约大量的费 用。例如汽
