虚拟仿真技术方案精选(九篇)

第1篇：虚拟仿真技术方案范文

【关键词】虚拟仿真艺术 警察办案 教育培训 设计

虚拟仿真艺术是技术与艺术的结合。仿真技术是采用计算机技术为核心生成的将视觉、听觉融合为一体的沉浸式交互环境，用户以自然的方式，借助必要的设备与虚拟对象进行交互，二者产生相互影响且具有一定的逻辑关系，与此同时，用户会感受如同甚至超越真实场景般的体验。仿真技术根据不同的行业需求表现不同的艺术效果，突出行业特色，增强表现力。

一、虚拟仿真技术现状

目前，仿真技术已经广泛应用于医疗、军事、交通以及建筑等领域，并将危险的、不能再现的多种环境逼真地再现于虚拟环境中，不仅增强视觉效果，而且提高了各项研究的效率，有很强的实用性和应用性。虚拟仿真技术也普遍应用在教育领域，尤其高危行业，例如，飞行员的教学、刑警办案教学、汽车驾驶教学等。虚拟仿真技术在俄罗斯和欧美地区的一些国家较为发达，尤其体现在军事方面的一些技术含量高、装备更新快、硬件条件相对不足的军事部门。

相对于发达国家，我国的虚拟仿真起步较晚，虚拟仿真在教育中的应用也不够成熟。随着技术的不断更新，一些行业不仅是资金技术的缺乏，更重要的是能否在保证人员生命安全的前提下操作。这就需要采用一种有效的手段解决现存的问题。

二、虚拟仿真警察办案教学系统

1. 警察办案遇到的难点

维护社会安定，保证居民人身和财产安全，一直以来都是国家、政府的基本职责，随着社会的转型，环境的变化，刑事案件的发生率逐渐升高。近年来，有关警察殉职的消息比较多，令人惋惜，究其原因，其一是犯罪分子手段残忍，二是办案人员实战经验不足。在这种特殊的工作环境中，刑警需在掌握综合职业素质的同时，进行实战演习。

面对狡猾的犯罪分子，只掌握理论知识是不能制服罪犯的，只有在掌握刑事办案的侦查规律、办案程序和工作流程的基础上与罪犯进行思想和行动斗争，警察具备了实战经验才能够胸有成竹，在保证人身安全的前提下顺利抓捕犯人。警察训练的随机性较大，突况多，培训成本高，效率低，这成为警察训练的难点，关系到警察办案人员的生命安危以及能否顺利破案。

2. 虚拟仿真教学为警察行业带来转机

近年来，计算机技术和虚拟仿真技术不断发展，配合警察办案教学培训的虚拟仿真软件不断涌现，将虚拟仿真软件应用于警察办理刑事案件的教学中，可较好地解决警察办案遇到的难点，模拟办案现场、技术室、抓捕现场等。实现办案过程的模拟训练、可根据需要部署现场、抓捕犯人，将警察伤亡率降低到最低甚至无伤亡率。

三、虚拟仿真系统的技术思路

1. 虚拟场景的制作

虚拟场景是通过软件建模描述场景存在的物品，包括模拟人物、动物、植物、建筑物等现实存在的物体。警察训练系统教学中，尽量还原案发现场，体现真实感，使训练者沉浸在办案过程。本教学使用Unity3D专业游戏引擎和3DMax软件结合建模，在不影响运行速度的情况下尽量减少模型面片数。

2. 灯光

灯光设计直接关系到整个环境的好坏，环境光能够烘托气氛，例如，暖色的灯光给人以柔和温馨舒适的感觉，冷色调的灯光预示坏事的发生，在警察办案教学中，灯光能够起到提示用户的作用（图1）。

3. 交互设计制作

办案系统不仅要有教学训练的功能，还要通过交互功能吸引用户，也就是我们常说的游戏性，寓教于乐。整个系统与用户进行全面自由地互动，带给用户视觉、听觉、触觉、嗅觉、运动感知等多方面的体验，使用户真实的感受“融入沉浸――接受挑战――解决问题――总结经验”全过程。

此虚拟仿真教学系统中，交互设计包括：提取血液、脚印、毛巾等证据（物），为证物贴标签拍照，显微镜与电脑等电子设备对证据（物）的比对与排查，以第一视角与“上帝视角”探测案发现场、技术室和抓捕现场，场景内存在多台摄像机，根据需要切换摄像机机位等。依托刑警办案程序进行仿真，同时增添趣味性，帮助用户快速学习专业知识，达到训练目的。

结语

“警察办案仿真训练系统”采用虚拟现实技术构建了一套基于网络的模拟系统，实现了刑警专业人员办理案件过程的训练，可以弥补实际训练资金不足和保证人员安全等缺陷，解决了在训练中受时间、地点、犯罪分子等限制院校教学无法实际训练的难题。实践证明，针对警察刑事办案内容和过程的复杂性，以虚拟仿真技术为基础，采用仿真系统模拟训练手段，不断建立综合完善的训练体系，有利于提高训练效率和质量，降低培训费用，更重要的是为社会安定培养专业型人才提供保障。

[注：本文系北京林业大学科技创新计划（行业仿真训练系统设计方法研究与实践）项目。]

参考文献：

[1]王文军，李冰，安川林.虚拟仿真技术在医学教学中的应用初探[J].中国医学教育技术，2008（06）.

[2]倪乐波，戚鹏产.Unity3D产品虚拟展示技术的研究与应用[J].数字技术与应用，2010（09）.

[3]康辉，于岩君，彭玲.远程讯问轻微刑事案件[J].检察日报，2007-3-21.

[4]施剑松.高校实践教育的“仿真工厂”[N].中国教育报，2014-1-7.

[5]邱建松.基于Unity3D的实时虚拟仿真系统的研究与实现[J].电子制作，2012（12）.

[6]陈洪，马钦，海.基于Unity3D的交互式虚拟农业仿真平台研究[J].农机化研究，2012（03）.

[7]吴屹.中国当代艺术设计学科实验教学体系研究――以中国美术学院实验教学改革为例[D].中国美术学院，2011.

[8]王晓明，黄卫权.某型导弹视景仿真系统研究与实现[D].哈尔滨工程大学，2012.

[9]林蝶. 数字艺术教育中的实践分析[J].大众文艺，2013（22）.

第2篇：虚拟仿真技术方案范文

【关键词】虚拟仿真技术建筑工程工程施工

中图分类号：TU198文献标识码： A

工程建筑的信息技术研究与开发，包括工程信息化技术和括管理信息化技术。在建筑工程生产的过程中加强信息化技术的开发，不仅可以提高工程建筑的生产效率，还可以有效提高工程的生产力，提高建筑企业的管理水平。从建筑企业施工应用的需要，结合信息化技术的发展，对虚拟仿真技术实际应用于工程建筑施工中的现状进行分析。

一、虚拟仿真技术概述

仿真是基础学科，通过对理论和相似原理及模型、信息等相关技术作为基础，借助计算机设备作为工具，进行实际的或者设想的动态的综合实验技术研究。有着可控性和无损坏性等优势，而且耗费小，可以多次重复试验，具有强大的生命力与潜力，是目前比较经济有效的综合技术集成法，可以推动科学技术的进步与发展[1]。

仿真是系统模型的创建，通过对模型的试验与研究，进行各种技术的设计，系统的创建可以是机械、土木、电子等类型，也可能是社会、经济与管理非技术的系统类型。虚拟仿真技术已实现了深入的研究也发展，并且和控制、系统及计算机的发展有着十分密切的关系。控制、系统等工程技术的发展推动了虚拟仿真技术发展的脚步，计算机技术则为仿真技术的实现提供了基础的工具和表现方法。

仿真模型可以类似预测器，通过系统的运行，为用户提供系统运行的信息与资料，使用户更好的进行项目的更改与决策实施效果分析。仿真模型就是一种训练器，通过系统的操纵，实现对技术人员或者管理人员的控制。尤其应用于建筑工程领域，虚拟仿真技术能大幅度降低系统研制的成本，使系统保证安全、可靠的运行[2]。

二、建筑工程施工中虚拟仿真技术应用的意义

虚拟仿真技术应用于建筑工程施工中，可能使工程施工前对工程实际的结构位置进行了解，对多种工程施工方法进行尝试，计算出详细的工况应力，使工程设计方案进一步优化，对于工程施工来说具有重要意义。

1、优化施工方案

建筑工程施工中选择何种施工方案，如何对施工方案进一步优化，是工程施工中一直难以解决的问题，这是由于工程施工的鲜明特点决定的，工程施工具有不可重复性，所以，只是凭借工程施工经验，对施工方案的选择进行预估就具有十分明显的局限性。

2、技术革新与引进

建筑工程施工的虚拟仿真技术可以使施工的技术人员实现低成本的施工工艺试验，为新工艺的创新提供了广阔的发展空间，使工程设计人员更好的发挥设计的优势，设计出真正具有实际效果的新技术，使建筑工程施工能够对技术进行大胆的革新，对新技术更快的引进，降低由于使用新技术为工程施工带来的风险。

3、工程施工及建筑市场的管理

工程施工的虚拟仿真技术可以通过预前的模拟仿真施工，对工程施工管理中管理质量、管理安全等进行隐患的排查与预防，强化管理使工程施工质量得到进一步的提高。

建筑市场需要建立规范的标准，虚拟技术可以应用于建筑工程的招投标过程中，通过仿真施工对评标起着重要的参考作用，也可以实现评标的透明化与公正化。

4、安全与生产的培训

建筑工程施工过程中，通过虚拟仿真技术的直观显示，可以更好的应用于工程生产技术流程的培训与安全生产的培训，使施工人员更好的了解工程施工，保证施工安全。

5、虚拟仿真技术带动建筑行业的发展

建筑工程施工行业引入虚拟仿真技术，可以使建筑工程行业全面的发展与进步，使城市规划与市政规划进一步的完善，实现投资意图，更好的开展市场营销。

三、建筑工程施工中虚拟仿真技术应用的现状

虚拟仿真技术作为新兴的学科，并没有形成体系。目前为止，对虚拟仿真技术的应用与研究主要在三方面开展：

虚拟仿真技术建造理论研究，通过建造理论研究，为虚拟仿真技术提供了坚实的理论基础。为建筑工程领域实现可视化的仿真再现，使工程建筑实现更精益的建造、更敏捷的建造等研究方向。这些研究方向，组成虚拟建造核心的技术。

虚拟仿真技术应用于建筑工程中，一般应用于软件研究与系统的开发，例如：CAD技术与虚拟仿真技术的应用结合等方面如对虚拟技术于建筑的设计、建模与仿真中的研究与应用。我国对虚拟仿真技术建筑工程的应用也有了很大的发展，例如：上海正大广场，通过创建虚拟仿真系统，实现了商业建筑与城市场景的虚拟和温游，在建筑物真正建成前，就实现了建筑物建成后的环境虚拟显示。对正大广场钢结构的施工方案，也进一步的选择与优化，通过虚拟仿真技术的应用，为工程施工带来了十分重要的资料与信息经验[3]。

四、虚拟仿真技术在我国建筑工程施工中应用的展望

虚拟仿真技术可以在建筑工程行业取得重大的发展和进步，与计算机行业的发展有着重要的联系，可以说是计算机技术的发展，带动了虚拟仿真技术在工程施工中的应用。

1、虚拟仿真系统对于开发与应用的硬件要求比较高，所以，有必要建造专业的实验室进行虚拟系统的研究，这需要从国外进口设备与软件，需要投入大量资金。而且系统实验的演示效果受研究设备限制，并不适合到处移动。

2、我国对建筑工程的单项开发，也需要国外进口的VR软件平台。我国缺少建筑工程施工中的虚拟仿真系统集成软件，建筑工程施工受很多条件的限制，如果开发项目需要提高工程成本，满足建筑工程集成的软件系统，可以使单项的工程开发提供开发的平台。

3、建筑企业需要引进大量专业的软件人才，进行培养，使软件人才成长为建筑企业发展的主力，但是，专业人才的引进，需要建筑企业投入大量的资金。我国很多大型的建筑企业都有自己企业的设计研究院，这就为技术骨干的培养创造了条件。而且我国建筑工程技术人员已经掌握了一定的软件开发能力，高等院校与技术研究院也对工程中计算机设计软件进行了开发与研究，为计算机集成技术进行了深入的探索与实践，取得了重大的成果。可以说，我国的建筑工程施工行业伴随着计算机技术的发展逐渐完善，使仿真技术获得了实际推广的可行性。

虚拟技术中应用了并行计算的新方法，使仿真平台与编程技术得到更大的开发性，可以应用于更广阔的领域。

建筑企业可以和专业研究院进行合作，对高校与科研机构的专业人才进行合理利用，对虚拟仿真系统进一步的开发与应用。当前社会发展是高新技术的发展，也是信息技术的发展，建筑工程企业一定要对新信息和新技术进行吸收和利用，使工程施工技术实现更大的进步与发展，使建筑工程企业早日实现现代化的管理与施工，使建筑企业提高经济效益，获得更大的市场竞争力。

参考文献：

[1]张利,张希黔,陶全军,等.虚拟建造技术及其应用展望[J].建筑技术,2013, 34(5).

第3篇：虚拟仿真技术方案范文

关键词:虚拟仿真;高职教育;建筑工程;实训教学

我国正处于社会信息化深入发展阶段，传统建筑业也在进行自我革新，朝着工业化、信息化以及智能化发展，衍生出工业装配式技术、BIM信息模型技术等。高职教育也在不断探索新技术新方法，2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》(教高［2006］16号)中就实训基地建设方面提出了要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。2017年，国务院印发《国家教育事业发展“十三五”规划》中明确指出我国教育进入高质量新阶段，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。高职建筑工程技术专业需适应时代的变迁与行业的发展。对此，本文将结合南京城市职业学院建设中的虚拟仿真实训体系探讨这项技术在建筑工程专业中的应用。

一、虚拟仿真技术在建筑工程专业实训体系中的应用

(一)高职建筑工程技术专业实训的困境简单来说，建筑工程技术专业培养的是基于施工员岗位的“懂建筑、精施工、会管理”的高素质技术技能人才，实训体系在整个人才培养方案中具有非常重要的地位。但由于建筑行业的特殊性，校内外实训基地的建设都普遍存在困难。校内实训基地受限于场地和经费，难以重现建筑过程中各项技术，即使一些条件较好、投入较多的学校，建设的一些实训项目也是以展示观摩为主，动手实践部分较少;采购的设备数量有限，难以满足全部学生的操作需求;一些操作难以反复，不利于学生探究性学习。在校外实习基地方面，由于建筑项目周期长并且具有一次性特征，工程进度难以和课程学习相匹配。此外，考虑施工现场的安全隐患和企业自身的经济效益，企业难以多次接待学生短期的参观学习。基于以上困境，不少高职院校建筑工程专业更像是简配版本科土木工程的“学科型”教学体系，工学结合不紧密，学生难以将学到的理论知识运用到实际工作岗位中去。

(二)虚拟现实技术的分类基于以上因素考虑，有必要将虚拟仿真技术融入专业的实训体系建设。虚拟仿真技术主要有以下三种类型:1．桌面虚拟仿真系统利用平面显示器呈现立体的虚拟环境，通常将施工二维平面图纸转换为三维模型，学生可通过鼠标等设备与虚拟环境进行交互，可以在环境中进行观察，将抽象的平面概念具象化，也可模拟某项施工技术过程，将书本枯燥生涩的理论知识转换为更容易接受的立体影像。这项技术成本较低，目前也使用得较为广泛。2．全沉浸式虚拟现实系统使用头盔、机械手柄、身体动作追踪等仪器设备将使用者完全沉浸在虚拟的三维环境中，使用者可以精确的与虚拟环境进行交互，视觉、听觉、触觉与实际环境完全隔离，完全置身于虚拟环境中，在虚拟环境中进行操作、体验。这项技术成本较高，很多高职院校虽有投资，但数量有限。3．分布式虚拟系统通过互联网构建一个多用户的虚拟环境平台，采用统一的结构、标准、协议和数据库将不同时间空间的虚拟终端整合，多名用户之间可以自由交互协同工作。这项技术目前在国外使用较多。

(三)构建三阶段虚实结合的实训教学体系建筑工程技术专业学生应具备识读工程施工图纸、查阅相关图集、测量放线的基础技能，参与工程施工、编制施工组织计划及专项施工方案、工程预决算的核心能力以及BIM技术相关的拓展能力。南京城市职业学院建筑工程技术专业根据人才培养目标，以施工员、资料员典型的工作任务、职业标准为依据，构建三阶段虚实结合的实训体系。校内构建虚实结合的实训体系:实训项目较为容易实现的，一般以实体操作为主，例如钢筋加工、绑扎钢筋、全站仪测量等;实训项目周期长，不易反复操作的，以虚拟仿真技术为主，如建筑工程项目施工———专业岗位仿真训练平台。同时，还配有建筑工程项目管理、招投标沙盘实训项目，大型施工现场布置实体模型。虚拟仿真技术填补了核心课程实训的空白，完善了校内实训体系。校外构建三阶段的实习体系。第一阶段认岗。该阶段主要在基础技能的第一学年，学生通过工程制图，建筑结构等课程的学习后，进入一线施工现场，与已学知识进行匹配，对专业和岗位进行感性认知活动。第二阶段跟岗。学生在第二学年学习了核心课程后，在校外实习基地进行为期两周的跟岗实习，在工程施工现场对已学习的核心技能进行验证和反思。第三阶段顶岗。学生在完成学校的所有学习、获得职业资格证书后，真正进入一线，成为一名工作者，用专业技术解决实际问题，完成学生到专业从业人员的过渡。三阶段的实习可以将校内不同阶段虚实结合的专项实训项目整合起来，体会各工序之间的联系，将不同课程融会贯通，提升学生对知识的掌握和技能的运用。

二、虚拟仿真技术在教学中的应用

(一)现有教学方法与学生不匹配随着高考招生制度的不断改革，高职生源不断多样化，学生素质参差不齐，理论基础薄弱，学习主动性不高。传统的课堂教学，即便配合了多媒体资源、信息化教学平台的使用，也很难集中学生的学习注意力。一方面，这样的教学方法本质上还是以教师的灌输为主，学生是被动的接受知识，知识还是被填到大脑中去，一旦填鸭的过程中出现了不理解、听不懂的环节，后面的学习全部崩塌。另一方面，高职学生的学习生涯很少出现学习的高光时刻，学生对自己的学习能力持否定态度，从内心排斥学习，畏难情绪严重，自信心不足。因此，不少学生在社团活动时候大放异彩，在上课学习时，大脑就停止思考。

(二)虚拟仿真技术下的情境化教学根据建构主义学习理论，学生是学习的中心，是知识信息的加工主体。由建构理论衍生出的情境化教学、探究性学习、问题导向等教学方法能够不断挑战学习者已有的知识架构和经验，从而在交互的过程中形成新的知识。学生在活动中主动学习，而教师是建构过程的引路人。虚拟仿真技术下的三维立体虚拟环境，具有沉浸性和交互性特征，学生置身其中，有很强的临场感，促使学生主动获取知识信息。同时，三维具象化的事物降低了学习的难度，增加了学生学习的自信心。以建筑施工组织中的施工现场布置为例，传统的教学中，教师会引用工程案例将场布中涉及的规范进行罗列。由于施工现场涉及多种对象，罗列的规范很多，注意事项琐碎，学生的上课效果较差，难以完成课程目标。在引入了桌面虚拟仿真技术的三维场布软件后，场布理论课程就转变为场布实训项目。项目源自真实施工案例，在教师的指引下，学生依据施工工程所处城市位置、周围道路环境，考虑风向和天气因素，借助软件中已有的各种施工现场的模型(如在建建筑、围挡、道路、临时设施、工程车辆、大型机械等)，对施工现场进行搭建和布置。搭建施工现场的过程就是学习施工现场规范的过程，同时，在搭建的过程中，学生对规范的理解运用各不相同。虚拟环境允许学生按个人理解对学习对象进行操作，观察不同操作下不同的结果，来验证自己对知识信息的接收加工是否正确，这是一个主动学习和修正过程。虚拟仿真技术下的情境教学，大大提高了学生学习的参与度与主动性，提升了学习效果。

(三)虚拟仿真竞赛由于专业的特殊性，高职建筑专业竞赛总体主要集中在建筑工程识图、CAD软件类等，如省级和部级的技能大赛就有此类赛项。此外，还有一些工程测量和建筑模型类的比赛。而针对专业核心技能的施工技术、施工组织设计以及工程项目管理类较为少见。虚拟仿真技术的出现，降低了这类竞赛的举办难度，只需电脑和网络便可开展。如某BIM施工项目管理应用技能大赛，包含施工组织设计、三维建模及建筑工程项目策划等。以赛促教的同时也为专业营造出浓厚的学习竞争氛围，走出去多比赛也拓宽了学生的眼界，增强了学生的自信心。

三、虚拟仿真技术的困境和发展

(一)虚拟仿真实训室投入成本过高虚拟仿真实训室虽然能够支持建筑工程技术专业不少实训项目，但是建设成本很高。以一款全景沉浸式虚拟仿真系统为例，虽然该设备可以模拟仿真全站仪测量各种不同地形，但建设投入达两百万。同时，随着建筑行业新技术、新工艺的不断发展，虚拟仿真实训项目也面临软硬件的升级改造，后期的运行维护也需要学校持续的投入。

(二)虚拟仿真对空间想象能力的影响虚拟仿真技术利用信息化手段将抽象的符号具象化，建筑工程专业同样要求学生具有将二维图纸转换为三维立体建筑物实体的能力。由于高职学生空间想象能力较差，所以虚拟仿真技术有助于学生的学习，降低学习如建筑构造等课程的难度。但是如果过分依赖虚拟仿真，学生的空间想象能力反而得不到锻炼和提高。这就要求教师在教学时合理使用虚拟仿真这个工具，教学时需要安排学生进行空间转换的思考过程。

(三)虚拟仿真对注意力的影响虚拟技术打造的虚拟环境通过视觉、听觉、体感向学生传递图形、文字、声音等信息。打造沉浸式体验学习的同时也传递了大量丰富的信息，学生会对情境中某些信息产生更强的临场感，投入更多的注意力，而对其他信息的注意力减少，无法实现学习的目的。例如，安全生产课程通过虚拟现实(VR)技术让学生体验了高空坠落、脚手架坍塌等情境，模拟情境很真实，但学生体验到的是坠楼的刺激，反而忽视了安全的意识、课程的目的。所以，在虚拟仿真的学习过程中，教师要加强引导，同时合理设计虚拟仿真学习的脚本和内容。

(四)多用户虚拟仿真环境“ActiveWorld”平台是国外广泛使用的一款多用户虚拟环境。多名不同地点学习者可以在同一个虚拟环境中自由交互、协同工作。目前，国内使用的虚拟仿真项目多为单人、单项。学习者只能与计算机虚拟的环境交互，实训的内容也是较为单一的观察性学习或是操作性学习。虚拟仿真技术应朝着多用户平台发展，虚拟的环境更综合、更完整，学习者彼此之间以虚拟身份共同探索、观察、讨论和分析，开展更富有效果的合作式学习，特别适合远程教学。同时，参与学习的各方可以共同建设虚拟环境，做到共建共享，节约资源，降低成本。

第4篇：虚拟仿真技术方案范文

【关键词】虚拟化；虚拟计算机网络设备；模拟；仿真

虚拟化技术产生于20世纪70年代，是一个广义的术语。它可以指一种资源在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行的简化管理，优化资源配置的解决方案，在IT方面，它是指运用模拟仿真的技术创造一个虚拟的（而不是真实）的的东西，例如硬件平台、操作系统、软件环境、一个存储设备或网络资源等等，来达到将固定的计算机资源根据不同需求达到最大利用率的一种思路。目前虚拟化技术主要关注于服务器虚拟化，即在一个宿主计算机上提供多个独立操作系统运行。

一、常用的四种虚拟化方法

实现虚拟化的方法不止一种，有几种方法都可以通过不同层次的抽象来实现相同的结果，以下介绍Linux系统下常用的四种虚拟化方法及其特点，其中宿主机表示真实计算机，客户机表示虚拟计算机。

1、硬件虚拟化

最复杂的虚拟化实现技术无疑是硬件虚拟化。在这种方法中，可以在宿主机系统上创建一个硬件虚拟机（Virtual Machine）来仿真所想要的硬件。硬件虚拟化分为硬件指令虚拟化和硬件资源虚拟化，硬件指令虚拟化目的是将客户机发出的指令翻译成所在主机平台的指令，从而实现对客户机指令的模拟执行。硬件资源虚拟化将虚拟资源映射到物理资源，并在虚拟机计算中使用本地硬件。

硬件虚拟化技术的优点是可以仿真一个与宿主机指令不同的系统，例如可以在X86的宿主机上可以虚拟仿真出MIPS或者PowerPC架构的系统来，而且X86宿主机不需要任何修改；其缺点是由于对指令的虚拟仿真，使得虚拟机的运行速度大大降低。Dynamips就是这个技术的代表产品。

2、完全虚拟化

这种方法使用一个Hypervisor或者VMM（Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器）在客户机操作系统和宿主机的裸硬件之间提供一种协调。宿主机的特定受保护指令必须被分离出来并在Hypervisor中进行处理，底层硬件也通过Hypervisor共享被其客户机使用。虽然完全虚拟化的运行速度比硬件虚拟化的速度要快，但是由于中间经过了Hypervisor的协调过程，故其性能要低于硬件虚拟化。完全虚拟化的优点是对宿主机的操作系统无需修改就可以直接运行客户机，惟一的限制是客户机必须要受到宿主机硬件的支持。Vmware、Virtual PC 和Virtual Box是这个技术的代表产品。

3、超虚拟化

超虚拟化不仅使用了一个Hypervisor来实现对宿主机硬件的共享，而且将与虚拟化有关的代码都集成到了客户机的操作系统中，这样不再需要分离或重新编译特权指令，因为宿主机和客户机的操作系统在虚拟化进程中会相互协作。超虚拟化技术缺点是要为Hypervisor来改客户机操作系统，但优点是提供了与未经虚拟化的系统相接近的性能。与完全虚拟化相类似地，超虚拟化技术也可以同时支持多个不同的操作系统，Xen是一个超虚拟化的免费开源解决方案。

4、操作系统级别的虚拟化

这种技术在操作系统本身之上实现服务器的虚拟化。这种方法支持单个操作系统，并可以将独立的服务器相互简单地隔离开来。操作系统级的虚拟化要求对操作系统的内核进行一些修改，但是其优点是可以获得原始性能。Linux-VServer是一个操作系统级虚拟化解决方案。

二、模拟和仿真

对于虚拟化技术，不能不提到模拟仿真的概念，这两个词分别是由Simulation或者Emulation翻译过来的，关于Simulation和Emulation的定义在计算机科学里有很多的争议，一般认为Simulation是指在计算机上用软件的方式去模拟系统的一个功能，并不要求系统功能的实现细节等问题，只要保证在同样的输入下，软件的输出和所模拟部分的真实输出保持一致相似，而对具体实现过程并不注重，Simulation System设计的过程如图1。Emulation一般是指在计算机上用软件或者少量硬件去模拟仿真出系统的各个部件，真实的体现出所仿真系统的运行机制，这就要求开发者先建立真实系统的模型，即真正了解真实系统的内部结构，这样才能用编程等方法实现各个部件的模型。相比Simulation，Emulation方法更注重了实现过程，而且其输入输出结果更能真实反映真实系统的输入输出，因此Emulation System更接近真实系统，其设计过程如图2。

而我们中文的模拟的含义大多数指的是用在一个平台上用软件其实现另一个平台程序运行，这个含义同时包含了Simulation和Emulation的概念；仿真的含义大多数指结合硬件来实现另一个平台上程序的运行。

三、三种虚拟计算机网络设备比较

按照对于虚拟技术——Simulation和Emulation的分析，我们对虚拟计算机网络设备三种软件进行分类：Boson NetSim和Packet Tracer是从软件结果上模拟了CISCO设备的功能，即给出部分相关的输入能得到相应的输出，但中间如何实现和原真实设备无关，属于Simulation的范畴；而Dynamips是从真实设备各个部件的模型出发实现了虚拟设备，输入输出和真实设备运行过程相关，属于Emulation的范畴。因此从网络设备的虚拟效果来看，Dynamips更能真实的反映实验效果。

另外路由器、交换机等网络设备主要采用MIPS或者PowerPC架构，而我们的宿主机一般是X86架构，因此对这些网络设备的虚拟化技术一般才用硬件虚拟化技术实现，而Dynamips正是硬件虚拟化技术的一个代表产品，因此仿真度高的网络设备虚拟化技术主要采用Dynamips仿真器来实现。

第5篇：虚拟仿真技术方案范文

关键词：实验实践教学；虚拟仿真；软件开发；教学平台

一、开发背景

人才培养中涉及大量工程案例、工程实践、实验与综合训练，教学实践中存在以下问题[6]：（1）高水平科研成果及优秀工程实践案例转化为教学资源，周期长、成本高；（2）工程实践及综合训练涉及高危极端的作业环境，受制于高危作业环境及生产任务压力，实践基地建设困难；（3）实习实践中，学生往往集中于矿山庞大生产系统的某一环节，对生产全貌认知有限；（4）安全生产专业知识及技能教育培训环节缺失；（5）涉及大量高成本、高消耗、不可逆操作的实验，实验教学开展困难。虚拟仿真技术有助于解决这些问题。因此，本文依托矿业工程部级实验教学示范中心、采矿工程部级虚拟仿真实验教学中心、江苏省矿业工程虚拟仿真教学资源共享平台，研发采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件。

二、软件设计与开发

1.软件功能定位。采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件以采矿工程专业知识的学习与综合应用为目的，利用虚拟现实、仿真技术与计算机技术重构虚拟空间，再现实验室与矿山生产场景，在高度逼真的环境中实现系统认知、设备仿真操作、专业知识学习、过程跟踪与考核评价等。本软件既要作为理论环节的示教工具，也要作为实验、实习环节的教学平台与资源，实现任意时间、任意地点、任意内容、任意人员的定制化学习。2.软件架构。基于功能定位，围绕采矿工程人才培养的实验教学、安全培训、认识实习、生产实习四个教学环节，对软件内容架构进行了如下设计。虚拟实验室部分：以中国矿业大学矿业工程实验教学中心为蓝本，根据仪器设备运行原理及规律开发仿真仪器，根据实验过程及可能结果开发虚拟实验，可进行岩石力学、相似物理模拟、探测监测技术、分析测试技术、采矿模型认识等五大类实验；安全生产教育培训部分：以原国家安全生产监督管理总局的《煤矿安全规程》及相关规范为依据，总结大量真实的工程实例，根据灾害事故发生机理、致灾规律及专家组认定意见，制作煤矿安全生产规程视频教程、煤矿典型灾害警示教程、煤矿事故案例教育教程等一套完整的可视化教程；矿井生产系统漫游部分：以麦垛山煤矿、南梁煤矿等现代化生产矿井为蓝本，运用虚拟现实、仿真技术，重构高度逼真的三维场景，学生可以直观、形象、全面地了解回采、掘进、运输、调度、监测监控等矿山生产系统及其运行过程；虚拟矿山工程实践部分：在以现代化矿井为蓝本重构的虚拟环境中，学生可以在回采工作面与掘进工作面开展生产工艺设计、生产装备选型与操作、矿压观测等工程实践活动。3.软件开发。在上述架构下，采用统一的技术体系，使用3DMax制作三维模型、使用Unity3D制作三维场景、使用VisualStudio设计程序、使用MySQL制作数据库、采用PhotoShop设计界面。本软件按模块分步开发，并最后集成，为保持软件连贯与风格一致，开发过程中制定了统一的标准与接口。

第6篇：虚拟仿真技术方案范文

关键词：虚拟样机技术；人才培养；机械工程类；仿真分析；创新

作者简介：路永婕（1981-），女，甘肃靖远人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；陈娜（1979-），女，辽宁辽阳人，石家庄铁道大学信息学院，讲师。（河北　石家庄　050043）

基金项目：本文系石家庄铁道大学教育教学改革研究项目（项目编号：110408、110326）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0033-01

在20世纪80年代，随着计算机科学技术的进步与发展，导致了虚拟样机技术（VPT，virtual prototyping technology）的出现，从而加快了工业发展的步伐。虚拟样机技术以自身的优势大大提高了工业产品的设计和研发的效率，极大地缩短了产品的生产和制造周期。目前虚拟样机技术在各领域的企业和研究机构里已经取得了良好的经济效益，得到了广泛的应用。因此各企业单位对熟练掌握虚拟样机技术的人才需求不断增长，这就势必要求在高等教育过程中更加注重培养大量的此类人才，以满足人才市场的巨大需求，进一步促进我国工业水平的提高。

虚拟样机技术作为一种先进的技术，在推动工业发展的同时也为高等教育培养高质量、高水平的人才提供了良好的手段和思路。在机械工程类本科教学实践中充分应用虚拟样机技术将会有力地促进工科类教学方式和教学体系的改革，会大幅度地变革旧的教学模式，实现大学生学习的多元化和主体化，使学生跟随工业技术发展的步伐，牢固夯实知识要点，掌握学科体系。

一、虚拟样机技术的理论依据与应用前景

虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，该技术结合了先进的建模技术、仿真技术、信息技术、优化技术、制造技术和先进的信息管理技术，涵盖了工业产品的概念、设计、实验、生产和制造的各个环节。可见，虚拟样机技术重点强调了工业产品的系统观，它针对产品的全生命周期，对产品进行全方位的测试、分析与评估，实现了不同领域的虚拟化的协同设计。

总之，虚拟样机技术是以虚拟样机为主体，可视化为界面，仿真分析为主要手段，三维造型软件为工具，建立起的多学科、多领域、多角度的协同设计平台。在机械领域中，虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学、传热学和控制理论为核心理论，几乎涵盖了机械工程体系中的各个子系统。目前基于虚拟样机技术，涌现出来了大量成熟的商业化软件，大体可以分为几何建模（SolidWork，UG，Pro/E）、结构分析（ABAQUS，ANSYS，NATRA）、多体动力学（SIMPACK，ADAMS，DADS）、液压与控制（AMESIM）、振动与噪声（SYSNOISE，AUTOSEA）等几个范畴，在机械工程、航空航天、国防和医学等各个领域发挥越来越重要的作用，在企业中已经得到了普遍的应用，获得了很多的成功案例。

因此在运用虚拟样机技术进行工业生产时，需要具备扎实的计算机、运动学、动力学和控制学多个学科的知识，这就对高等教育人才的培养提出更高的要求。从上述虚拟样机技术的内涵和理论依据可以发现，该技术具有很强的实践性强、可重复性和操作直观的特点，所以这些特点既是学生最终学习的目的，也为教师提高教育水平提供了很好的手段。

二、充分发挥虚拟样机技术在机械工程类教学中的作用

1.培养学生的仿真分析意识

在计算机技术高速发展的今天，基于虚拟样机技术的仿真分析已经日趋完善，分析的结果可靠、逼真，在工业生产中已经被广泛认可。所以，在教学过程中应引导学生积极掌握和利用仿真分析的技巧，在学习和吸纳新知识时充分应用仿真的手段进行分析和验证，提升对知识的理解程度，提高对专业知识的认知水平，形成良好的仿真分析习惯。

由浅入深地让学生在学习过程中随时借助虚拟样机技术对书本中的例题、课程设计中的案例和毕业设计命题从仿真的角度预演解题过程，树立起良好的仿真意识，这不仅提高了学生分析、解决问题的能力，而且在反反复复的仿真实践中对虚拟样机的综合应用能力得到提高，对专业知识的准确应用也会有一个比较深刻的认识。

2.注重理论与仿真实践结合

在机械工程相关专业的学习中，“机械原理”、“机械设计”、“机电控制”、“测试技术”等都是必修的专业基础课程，在以往的教学中，学生在掌握这些课程时比较头疼，教师在教授过程中诠释概念、分析原理时也比较吃力。分析其中的原因，主要就是学生在认知这些专业知识之前，相应的背景知识比较欠缺，对难懂的知识点存在很大的陌生感，教学的效果差强人意。然而虚拟样机技术恰恰可以弥补这一点，可以在教学的各个阶段都发挥不同的效用，在每门课程学习之前，教师可通过基于虚拟样机技术的成功工程案例的展示，激发学生对本专业知识求知的欲望，对课程设计的过程产生浓厚的兴趣，以最短的时间融入到课堂中。

因此在学习理论的过程中，对于那些晦涩难懂的理论就可以通过结合虚拟样机的仿真分析实践的方式，以鲜活的仿真现象直观揭示理论的真正内涵。例如，对于“机械原理”教学可以通过多体动力学的仿真软件建立机构的虚拟样机模型、定义部件的约束、动态仿真运动的轨迹、获取各构件的运动学特性曲线等等就可以清晰展现机械原理的整个理论体系，让学生轻松享受学习的过程。

第7篇：虚拟仿真技术方案范文

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.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。现有的传感器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，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的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、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

二、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

在力学仿真方面，可以通过降低系统的粒度即降低系统复杂度来达到适度仿真的目的，也就是说可以只仿真最主要的力场相互作用，而使用模仿动力学如预设动画来处理非关键相互作用，就可以大大降低仿真设计的复杂度，从而控制成本，当然，粒度的选择要依据实际问题进行精确的优化和选择。

最后，使用成熟的系统集成来台可以避免重复开发带来的巨大成本和时间消耗，增加系统的复用率及通用性，此类系统通常都可以提供相当理想的实时渲染引擎及灵活开放的设计架构，对系统开发的管理和接口控制也能提供低成本的支持，因此是实现低成本的可靠保障。

【摘要】虚拟现实与仿真技术在工业产品设计生产方面的应用有十分广阔的前景。仿真难度大、成本高昂是此类系统应用的主要障碍，适度仿真及高效的解决方案是实现低成本化的关键。

第8篇：虚拟仿真技术方案范文

随着国民经济的高速发展，人民生活水平的大幅提高，人们对汽车的需求量越来越大，汽车模具的市场竞争也越来越激烈。“质量好”、“精度高”、“价格低”、“交货期短”等是人们对现代汽车模具的基本要求。但是，汽车模具是一种大型模具，它体积庞大、结构复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，制造相当困难。而且，为了减轻模具的重量采用的底座掏空的薄壁式结构和为了维修容易中间型面采用的镶拼结构，给设计和制造带来了更大的困难。通常来说，一个汽车覆盖件零件需要3道或3道以上的工序才能完成，也就是说，生产一个汽车覆盖件零件至少需要3副或3副以上的模具。如果汽车覆盖件零件在设计的时候没有考虑到实际制造情况，那么设计出来的模具在制造的时候可能根本就无法进行加工，或者是制造出来的模具无法生产出预期的产品，从而导致模具的报废，延长产品的开发周期，这种经济损失是无法想象的。但是，模具在设计阶段是无法预料在制造过程中将出现的困难的。虚拟制造技术是一种软件技术，是cad/cae/cam/capp和仿真技术的更高阶段，它能在计算机上实现模具从设计到制造到检验的全过程，根据虚拟模型的仿真过程，可以在计算机上根据“实际”的加工情况来修改模具的设计，避免了在模具制造过程中可能出现的问题，从而达到缩短模具的开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的，因而是汽车模具开发最有潜力最实用最有效的技术之一。

2 虚拟制造(vm)

虚拟制造(virtualm anufacturing)又叫拟实制造，是80年代后期美国首先提出来的一种新思想，它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，使得产品一次性制造成功，以达到降低成本、缩短产品开发周期，增强企业竞争力的目的。在虚拟制造中，产品从初始外形设计、生产过程的建模、仿真加工、模型装配到检验整个的生产周期都是在计算机上进行模拟和仿真的，不需要实际生产出产品来检验模具设计的合理性，因而可以减少前期设计给后期加工制造带来的麻烦，更可以避免模具报废的情况出现，从而达到提高产品开发的一次成品率，缩短产品开发周期，降低企业的制造成本的目的。

虚拟制造自从产生以来人们就力图给它一个统一的定义，但虚拟制造涉及的知识范围十分广泛，不同的研究人员，出发点和侧重点也不同，因而理解也大不相同，导致虚拟制造至今为止仍没有一个确切的定义。在不同的定义中，我们可以把虚拟制造理解为产品的虚拟设计技术、产品的虚拟制造技术和虚拟制造系统3方面关键技术的一个技术综合。

2.1 产品的虚拟设计技术(vdt)

产品的虚拟设计技术(virtuald esignt echnology)是面向数字化产品模型的原理、结构和性能在计算机上对产品进行设计，仿真多种制造方案，分析产品的结构性能和可装配性，以获得产品的设计评估和性能预测结果，从而优化产品设计和工艺设计，减少制造过程中可能出现的问题，以到达降低成本、缩短生产周期的目的。

2.2 产品的虚拟制造技术(vmt)

产品的虚拟制造技术(virtualm anufacturingtechnology)是利用计算机仿真技术，根据企业现有的资源、环境、生产能力等对零件的加工方法、工序顺序、工装及工艺参数进行选用，在计算机上建立虚拟模型，进行加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件之间的运动性等的仿真分析。通过分析，可以提前发现加工中的缺陷及装配时出现的问题，从而对制造工艺过程进行相应修改，直到整个制造过程完全合理，来达到优化的目的。产品的虚拟制造技术主要包括材料热加工工艺模拟、装配工艺模拟、板材成形模拟、加工过程仿真、模具制造仿真、产品试模仿真等。

2.3 虚拟制造系统(vms)

虚拟制造系统(virtualm anufacturings ystem)是将仿真技术引入到数控模型中，提供模拟实际生产过程的虚拟环境，即将机器控制模型用于仿真，使企业在考虑车间控制行为的基础上对制造过程进行优化控制，其目标是实际生产中的过程优化，更优的配置制造系统随着 网 络 时代的来临虚拟制造技术得到了快速的发展，研究的领域也越来越宽，除了虚拟制造领域本身包含的虚拟制造的理论体系、设计信息和生产过程的三维可视化、虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术、虚拟制造系统的开放式体系结构、虚拟产品的装配仿真、虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等内容外，现阶段专家们正投人大量的时间精力研究虚拟制造技术集成系统和相关的软件开发。美国华盛顿州立大学在ptc的pro/enginee:等cad/cam系统上开发了面向设计与制造的虚拟环境vedam系统，它包括加工设备建模环境、虚拟设计环境、虚拟制造环境和虚拟装配环境。新加坡国立大学lee和noh等人利用因特网、专家系统开发工具、html/vrml和数据库系统开发了一个作为工程和生产活动实验台的虚拟制造原型系统。国外软件公司在巨大应用需求的推动下，也先后推出了deneb, multigen, dvise, world-toolkit, ea1等一批支持虚拟制造的软件。虚拟制造技术是一个多学科多技术的综合，它的相关技术支持包括仿真技术、建模技术、计算机图形学、可视化技术、多媒体技术、虚拟现实技术等，把这些技术很好的集成起来应用是目前研究的重点。

3 虚拟制造在汽车覆盖件模具中的应用

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。

3.1 汽车覆盖件模具虚拟制造的开发流程

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f1s7。由图1可知，汽车覆盖件模具在投人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。

3.2 汽车覆盖件模具虚拟制造中的关键技术

在汽车覆盖件模具虚拟制造过程中，涉及的相关技术非常多，任何一项技术应用的好坏都会影响模具的最后质量，这也是虚拟制造技术应用进展缓慢的原因之一。只有每项技术都掌握应用的很好，虚拟制造出的产品才能和实际制造出的产品达成一致，才能达到减少开发成本、缩短开发周期、提高模具质量的目的。其中比较难于掌握而又非常关键的技术:

(1) 数 学 模型的建立建立一个简单而又能反映动态制造过程的数学模型是虚拟制造技术在汽车覆盖件模具中应用的关键。数学模型建立的不合理，那么虚拟环境下仿真出来的制造过程就会与实际制造过程不一样，起不到优化模具设计的作用，从而达不到缩短开发周期和减少开发费用的目的。因此，在使用虚拟制造技术来开发汽车覆盖件模具的时候，必须建立一套合理的数学模型。在建立数学模型的时候，要认真分析汽车覆盖件模具的特征，根据模具功能和制造需求，找出其中主要的影响因数，提出合理的假设。建立的模型必须能反映模具全部的功能和制造关系，包括工作时模具型面受力的变化关系和冲压件受力形状的变化关系等，这样才能仿真出实际的生产关系，才能预测生产中可能产生的问题，达到优化设计和制造的目的。

(2) 系 统 集成与方案评估是汽车模具虚拟制造中前期工作的基础。系统集成就是一个最优化的综合统筹设计，需要诸多的技术支持，包括计算机软件、硬件、操作系统技术、数据库技术、网络信息等，需要从全局出发考虑各子系统之间的关系，研究各子系统之间的接口关系。系统集成所要达到的目标— 整体性能最优，即所有部件和成分合在一起后不但能工作，而且全系统是低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充和可维护的系统。但是对于一般企业来说，购置齐全仿真分析的软件系统是一个高成本的投人，而且，没有专业的人员是无法让这些软件发挥淋漓尽致的作用的。

在计算机虚拟制造系统提供的良好的拟实环境下，工作人员可以对建立起的虚拟模型进行评价与修改。在这个阶段，可以模拟模具的制造过程，解决各部件制造的可行性和难易性;可以模拟模具的装配过程，解决各部件之间的连接性和装备性及操作的难易程度;可以进行虚拟测试，通过测试检验模具的生产能力和生产质量。在多种方案中评定各方案的执行难易度、耗费成本高低度、花费时间长短度等，选择最适合生产条件的最优生产方案。

(3)并行工程实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求等。并行工程强调的是所有工作人员的所有工作同时进行，强调的是团队工作精神，因而工作链上的每一个人都有权利对设计的产品进行审查，力求让设计的产品更便于加工、便于装配、便于维修，制造成本更低，制造周期更短。汽车模具的虚拟制造工程在进行初期也必须从汽车模具的总体结构和功能出发，考虑构成虚拟模型各部分之间的相互连接关系和相互作用关系，将他们看作一个有机的整体，实现内部数据和资源的共享，才能使生产出的模具达到预期的效果。汽车模具虚拟制造过程中，每个部分的工作均由不同的工作人员并行进行，但各部分的功能活动又存在着大量的相互依赖关系，要保证各部分工作人员间的工作协同顺利的进行，实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享，就必须对设计过程进行动态调整和监控，提供并行设计的工作环境，保证并行设计的顺利进行，这是虚拟制造模具缩短开发周期的关键。并行工程实施的条件就是要有支持各方面人员并行工作、甚至异地工作的计算机网络系统和监控调解人员，才可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突。一个适当的管理调解人员是并行工程中的重要软件，也是并行工程能否顺利进行的关键。

(4)仿真分析与数据处理是汽车模具虚拟制造中一个难点，也是阻碍虚拟制造技术在企业中大规模使用的一个重要因素。仿真分析需要多方面的技术支持，数据处理需要庞大的数据库和有专业知识的人才，需要从全局出发考虑各个子系统之间的关系，研究各个子系统之间的接口问题。这一技术需要多领域的专业仿真软件协同工作，需要专业人员共同研究探讨，然而多数的企业难以配置齐全所需的仿真分析软件及具备所需的专业人员。

日本丰田汽车公司利用虚拟制造技术成功开发出了新车型丰田avalon。因为在生产前期就能预测生产中可能出现的问题，使得工作人员较早的发现并解决问题，在设计早期阶段得到更多的信息，从而降低企业的开发风险。丰田avalon在整个开发过程中，开发周期减少了10个月，开发人员减少了20%，生产样车减少70%，开发成本减少了35%;而且生产出的轿车质量有了显著的提高。由此可见，虚拟制造技术不但能缩短产品的开发周期，减少企业的开发成本，而且可以提高产品的质量和一次研发成功率。

4 虚拟制造目前的发展状况

虚拟制造从提出到现在已历经了20多年，技术上得到了很大的发展，应用方面也得到了广泛的扩展。在国外，有很多学校、研究所、科研单位、大型企业等都在不断的研究和应用虚拟制造技术。近年来，虚拟现实技术已较多地应用到汽车开发工作中，已初步形成一种集专业理论、工程设计、科学试验等为一身的较为完整的应用体系。例如，1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造(dvm)，即虚拟企业的概念;而美国国家研究委员会的报告“制造中的信息技术”，则探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信息技术问题。福特汽车公司也已经计划应用虚拟环境技术来设计和开发汽车，该公司的先进车辆技术组把虚拟制造技术应用于装配仿真和虚拟成形，以提高空气动力学、人机工程学和表面建模的效果。

世界最大的挖土机和建筑设备制造企业caterpillar inc将虚拟设计技术用于评价新样车的内部可视性;该公司还打算用该技术让客户对新产品进行“实际试车”。日本在进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境方面也展开了大量的研究，几个大型的汽车公司如三菱、丰田、本田等都在应用虚拟制造方面取得了较大的成果。近年，法国雷诺汽车公司应用的全息技术的虚拟现实系统，具有很好的可视化水平，把虚拟技术在汽车模具中的应用推向了一个新的台阶。

我国在虚拟制造方面的技术研究和实际应用正处于初级阶段，在虚拟制造理论方面的知识还不成熟，把这项技术应用于汽车模具的开发和制造方面还较少。一些高校联合研究所和企业在虚拟制造理论方面进行了大量的研究，也开发出了许多适合我国企业的技术。如同济大学与香港理工大学联合机械科学研究院研究的分散网络化制造、异地设计与制造等技术已经取得了不少进展;武汉理工大学智能设计与制造研究所与上海振华港机股份有限公司合作，已开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”;清华大学在虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究也取得了很大的进展。但是由于受到cad/cam/cae/capp等基础软件、仿真软件、建模技术的制约，我国虚拟制造技术的研究多为虚拟制造的一些单元技术，研究的内容基本上为虚拟产品的装配、虚拟塑性成形、机床总体方案设计、虚拟测试、虚拟板材成形、虚拟数控加工以及虚拟企业等。

虚拟制造技术是一个具有生命力的技术。国外对虚拟技术的研究已经达到了能将其很好的用于实际生产的水平，而我国暂时还没有开发出支持虚拟制造技术的软件产品，对引进的国外的商业软件也没有完全的理解和吸收，不能很好的将之用到实际生产中。与国外研究相比，我国的研究多数停留在系统框架和总体技术上，实质性的面向应用的关键技术还有待进一步提高。

第9篇：虚拟仿真技术方案范文

本设计是一个对IA32CPU模拟并动态演示的设计，它应用了VC6.0的MFC开发出的一个仿真硬件的虚拟实验平台，该平台为我们提供了一个对各类硬件定义与实现功能的规范，依据规范我们将CPU、主存等硬件设计成抽象的器件类，并将其封装成随时供平台调用的动态链接库。DLL库中包含了对CPU模型设计，我们通过移植虚拟机Bochs下的CPU库来实现核心功能。

CPU核心功能采用调用bochs里的相关库来实现，因此我们将虚拟机bochs中的CPU指令库移植到设计中，并将它封装成一个静态库，器件类可通过调用该库中的程序来完成相关操作。为了使DLL调用这个指令库，CPU内的cpu_loop函数进行了修改，同时又在boshs中的stubs库中扩展了CPU功能。

关键词：虚拟实验平台；IA32逻辑功能；仿真；封装；移植

概述

随着计算机技术的迅猛发展，越来越多的电子器件被开发出来，CPU、主存等硬件的功能更加强大、结构更加复杂，为了更方便地了解硬件的工作时序和逻辑功能，人们开始采用虚拟技术来仿真硬件的工作时序和逻辑功能。计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

2 需求分析

2.1 虚拟实验台中的CPU仿真

计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，为虚拟实验的发展奠定了坚实的基础。虚拟实验就是在通用计算机上加载相应的软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台专用的传统试验设备一样。在虚拟实验系统中，软件是整个系统的关键，任何以个使用者都可以通过软件的相关设置来达到要实现实验的效果。

虚拟实验就是利用外部输入(如鼠标的点击、拖动和键盘的敲击等)，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程，组装成一个完整的实验环境，同时在这个环境中完成实验操作，包括实验器材的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。它包含了虚拟仿真技术、计算机技术、实验技术、网络技术与专业等多方面理论知识。该平台已经设计好了，我们的任务就是能够正确无误的使用它，使各自的设计在平台下正常显示出来。

2.2 采用VC为开发工具

Visual C++是一款比较好的面向对象的软件开发工具，使用次工具我们开发出了可视化虚拟的CPU器件。

2.3 实验台器件需封装成DLL

设计的CPU器件以及这些器件的逻辑功能被封装成DLL，提供给实验平台使用。实验台可根据需要随时调用DLL来进行相关操作。

2.4 CPU的核心功能采用移植bochs

上述的DLL中CPU器件逻辑功能是采用移植虚拟机bochs中CPU库的指令系统来实现的。

3 相关知识介绍

3.1 CPU虚拟化技术

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。 虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。虚拟化技术也与目前VMware Workstation等同样能达到虚拟效果的软件不同，是一个巨大的技术进步，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。而CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能。虚拟化技术可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM软件能够改进纯软件解决方案。由于虚拟化硬件可提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，从而无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写，性能更加强大。

3.2 VC++6.0及MFC介绍

随着多媒体技术和图形图象技术的不断发展，可视（Visual）技术得到广泛的重视，越来越多的人开始研究并使用可视化技术。Visual C++是一个很好的可视化编程工具，使用它开发基于Windows的应用程序大大缩短了开发时间，而且它的界面友好，便于程序员操作。

MFC用类编写Windows应用程序的C++类集，以层次结构组织起来，其中封装了大部分Windows API函数和 Windows控件，而基础的虚拟平台就是在次基础之上而开发出的。使用MFC类库和Visual C++提供的高度可视的应用程序开发工具，可是应用程序开发变的更简单，开发周期极大地缩短，提高代码的可靠性和可重用性。它提供的类库对程序设计的高度抽象，使得程序员不用放在程序设计的具体细节上，而是对功能的扩展上，大大简化了开发工作。在开发过程中，我们所做的就是编写封装器件的程序，由平台调用之来显示出控件，除了编写一些相关消息响应函数外，大部分工作由系统完成。

3.3 动态连接库 DLL

动态连接库DLL是Dynamic Link Library 的缩写形式，动态链接库 (DLL) 是作为共享函数库的可执行文件。动态链接提供了一种方法，使进程可以调用不属于其可执行代码的函数。函数的可执行代码位于一个 DLL 中，该 DLL 包含一个或多个已被编译、链接并与使用它们的进程分开存储的函数。DLL 还有助于共享数据和资源。多个应用程序可同时访问内存中单个 DLL 副本的内容。