三维建模与仿真分析（精选十篇）
三维建模与仿真分析 篇1
吊杯式移栽机是用于秧苗膜上移栽的一种半自动移栽机。20世纪80年代，欧美国家基本上实现了膜上移栽机械化，有各种膜上移栽机在生产中得到了广泛的推广，制钵、育苗和移栽已形成了完整的机械作业系统，由于膜上移栽可以争取更多的有效积温，使农产品提前上市，增加其经济价值，还可以保温、保湿、消除杂草。所以，到目前为止，膜上移栽技术在我国得到了广泛的应用[1]。很多学者对移栽机进行了设计研究，封俊等分析了吊杯式移栽机栽苗器的运动轨迹与特征系数λ的关系[2]，安凤平等提出了“零速投苗”原理[3];但对吊杯的开嘴运动与吊杯式栽苗器主要结构参数之间的关系研究得甚少。经研究发现，吊杯式栽苗器的结构设计直接关系到栽苗器的开嘴时间和开嘴大小这两个重要参数，如果结构设计不合理，移栽中就会出现卡苗、漏栽、破膜口过大和夹苗等现象。因此，为了确定合理的结构参数，本文完成了对吊杯式栽苗器的三维实体建模以及虚拟装配，并对其进行了运动仿真分析，为确定吊杯式栽苗器结构的合理参数提供了理论指导。
1 三维实体建模与虚拟装配
1.1 三维实体建模
吊杯式栽苗器三维模型的建立是基于Pro/E“自上而下”的建立模型原理完成的，即根据所设计栽苗器的结构将其拆装成各个单体的零件，然后再分别按照各单体零件的设计尺寸进行逐一建模的方法。吊杯零件的建模一般可以通过【拉伸】和【旋转】等简单命令来完成，但有些零件是用高级命令建模的，如投苗杯(如图1所示)的建模是应用【扫描混合】命令，尖嘴(如图2所示)的建模是应用“钣金件”类型中的【折弯】命令。由于零件较多，篇幅有限，这里不再赘述每个零件的建模过程，只归纳了栽苗器各零件的一般建模步骤[4]:首先，选取或建立基准特征作为模型空间定位的基准，如基准面、基准轴和基准坐标系等;其次，建立基础实体特征，如拉伸、旋转、扫描、混合等;再次，建立工程特征，如倒角、孔、折弯、成型等;最后，进行实体特征的修改和后处理等，如特征阵列、特征复制和图像渲染等操作。
1.2 吊杯式栽苗器的虚拟装配
完成栽苗器各零件的三维实体建模后，按照吊杯式栽苗器装配要求，根据零部件的约束条件选择合理的连接方式进行零件组装，完成栽苗器的虚拟装配。装配中发现吊杯臂设计不当会与吊杯主架相干涉，同时也会分别与吊杯平嘴和吊杯尖嘴相干涉。因此，通过虚拟装配可以检查零部件之间干涉情况，审查、有针对性地修改吊杯零部件的结构尺寸和安装尺寸，以保证栽苗器的可装配性和装配质量。吊杯式栽苗器虚拟装配图，如图3所示。
2 等效凸轮的参数化建模
栽苗器吊杯的杯嘴运动实质是由凸轮带动滚子推杆的运动。根据所设计凸轮的结构，吊杯滚子的运动规律如图4所示。
2.1 等效凸轮的参数确定
吊杯在随偏心圆盘旋转1周的过程中，等效凸轮转动1圈经历了4个阶段，即推程阶段、远休止阶段、回程阶段和近休止阶段。推程阶段是杯嘴张开阶段，以保证秧苗能落入穴中;远休止阶段是保持杯嘴开口最大状态的阶段，该阶段保证秧苗具有充分的落苗时间，防止夹苗、漏苗现象的发生;回程阶段是杯嘴闭合阶段，该阶段要注意避免杯嘴闭合过程可能引起的夹苗、挂苗现象发生;近休止阶段是杯嘴在闭合状态下运动的阶段，该阶段主要起着投苗和传输秧苗的作用。根据吊杯转子从动件的运动规律和吊杯凸轮三维模型的几何尺寸，确定等效凸轮的几何参数应满足如下条件:凸轮的基圆半径ro=100mm，滚子半径rg=8mm，升程h=21mm，推程运动角为:δ1=25°，远休止角δ2=35°，回程运动角δ3=25°，近休止角δ4=275°，凸轮回转中心半径r=10mm，凸轮壁厚b=15mm。
吊杯的转子从动件在推程和回程运动阶段做简谐运动，其数学表达式如式(1)和式(2)所示
2.2 凸轮参数化方程式的建立[5]
建立XOY平面直角坐标系，选取A0点为推程阶段凸轮理论廓线的起始点，并且起始状态凸轮的滚子中心刚好位于点A0处，如图5所示。
根据“反转法”原理可知，当凸轮转过δ角时，推杆产生相应的位移S。由图5可以看出，此时滚子中心处于A点，其直角坐标为
其中，s0=r0。
方程式(3)为凸轮的理论轮廓线的方程式。
在Pro/E中实现凸轮的参数化建模，前提是导入系统识别的参数化方程式。因此，要想在Pro/E中建立所需要的凸轮理论廓线，需根据凸轮理论廓线方程式(3)，将其转换成Pro/E系统识别的参数化方程并保存到记事本中。各阶段参数化方程如下所示。
凸轮推程阶段参数化曲线方程为
凸轮远休止阶段参数化曲线方程为
凸轮回程阶段参数化曲线方程为
凸轮近休止阶段参数化曲线方程为
其中，t为Pro/E中系统变量，0≤t≤1。
2.3 凸轮的参数化建模
打开Pro/E，点击【新建】按钮，在“零件”类型下创建一个新零件，接着单击【工具】→【参数】命令，系统会弹出参数对话框。接下来依次点击【添加新参数】命令，将2.1中的凸轮参数逐一添加到参数对话框中，输入完成后，点击【确定】命令，应用更改并退出窗口。接着在依次点击【工具】→【关系】命令，在打开的对话框中写入以下方程式，即s0=sqrt(r0·r0)。
完成以上步骤以后，依次点击Pro/E在三维模式下的下拉菜单命令【插入】→【模型基准】→【曲线】→【从方程】→【完成】→【选取】，选取图中PRT_CSYS_DEF坐标系，然后设置坐标类型为【笛卡尔】，随后系统会自动打开名称为rel.ptd的记事本。此记事本是用来编写曲线的参数方程的，接着分4步将3.1.2中4个阶段的参数化方程分别写入此记事本，单击保存并退出。系统会自动的依次生成凸轮在4个运动阶段分别对应的理论轮廓曲线。然后在依次点击【插入】→【模型基准】→【草绘】命令，在草绘模式下完成凸轮的实际轮廓曲线的绘制。把“FRONT”面设置为基准面，选择【通过边创建图元】→【边偏移】命令，接着依次点击选取已经生成的4段理论轮廓曲线沿凸轮的法向方向向内侧进行偏移，在系统的提示下，分别输入各阶段向内侧偏移的距离，并使其值均等于凸轮滚子中心半径RT大小。单击【完成】命令，实际轮廓曲线的绘制完成。
选择【拉伸】命令，选择“FRONT”面为基准面，进入草绘环境，单击【通过边创建图元】命令，按住“Ctrl键”依次选中4段实际轮廓曲线。再单击画圆工具，以两基准中心线交点为圆心画圆，半径取值为10，即凸轮回转中心半径r=10mm;再单击【完成】命令，选择单侧拉伸并对话框中输入距离10，即取凸轮厚度b=10mm;最后选择【完成】按钮，建立了的凸轮三维模型，如图6所示。
2.4 凸轮参数的程序写入
单击【工具】→【程序】→【编辑设计】命令，随后系统自动弹出一个记事本文件，在INPUT和END IN-PUT间输入基本参数。关闭记事本，随后系统提示:“要将所做的修改体现到模型中?”，单击[是]。然后点击【再生模型】按钮，选择输入项，勾选需要修改的参数，在选取完成后按照设计要求依次赋予参数所需的值，最后点击【完成】命令便能重新生成设计要求的三维凸轮模型。
3 吊杯的运动仿真分析
3.1 凸轮副的连接
吊杯的虚拟装配阶段，定义完成了杯嘴与吊杯主架的“销钉”的连接方式。凸轮副的连接是在Mechanism模块下完成的，在该模块点击【凸轮】命令定义等效凸轮与吊杯转子的凸轮副连接，这样吊杯用于运动仿真的机构装配工作完成。
3.2 运动仿真的步骤
在Pro/E的Mechanism模块下，对吊杯杯嘴的运动仿真主要通过以下3个步骤进行:(1)单击【伺服发动机】按钮选取运动轴对装配好的吊杯定义伺服电机，根据移栽实践经验，人工喂入秧苗一般为30～60株/min，故定义电机转速的36°/s;(2)单击【机构分析】按钮对吊杯进行机构运动分析，设定好伺服电机的运行时间点击【运行】按钮便可看到吊杯的杯嘴运动过程，并且保存运行结果;(3)单击【生成分析的测量结果】按钮对杯嘴的测量点进行分析测量，并输出分析结果。杯嘴测量点(平嘴底部的点)20s内的位移-时间特性曲线，如图7所示。
4 结论
1)基于Pro/E对移栽机吊杯进行的三维实体建模与虚拟装配，初步确定了吊杯各组成零部件的几何尺寸和吊杯的装配尺寸。
2)通过对吊杯的运动仿真分析测得了杯嘴运动过程中测量点的位移-时间特性曲线，验证了设计吊杯的杯嘴在各个阶段的运行状态和相应的运行时间，为吊杯凸轮机构的设计提供了基础数据。
3)完成了等效凸轮的参数化建模，从而只需更改等效凸轮的几何参数就可以通过运动仿真测得相应吊杯杯嘴的运动规律，更加快速地完成对移栽机吊杯结构的优化设计。
参考文献
[1]王晓东,封俊.国内外膜上移栽机械化的发展状况[J].中国农机化,2005(3):25-28.
[2]封俊,秦贵.移栽机的吊杯运动分析与设计准则[J].农业机械学报,2002,9(5):48-50.
[3]安凤平.2YZ-40型吊篮式钵苗栽植机的研究[J].现代化农业,1999(2):18-22.
[4]郑伯学,吴俊海.基于Pro/E的三维机械设计与运动仿真[J].煤矿机械,2007,12(12):94-96.
汽车发动机三维建模与仿真工作汇报 篇2
结合西南科技大学城市学院项目实践实施目的，本项目实践由机械设计及其自动化专业24人基于实验室桑塔纳2000Gi型轿车AJR型发动机，实验室拆装等设备，在前期学习《发动机构造与原理》的情况下，对该发动机进行拆装，测绘，二维绘图，三维绘图，装配仿真及运动仿真。通过本次项目实践到达让学生熟悉并掌握发动机结构及工作原理，熟练运用三维建模软件，了解机械设计专业所掌握的的有关工作构架。同时，为本专业后期毕业设计做好前期准备工作。
本项目实践于2014年9月在指导老师带领下召开工作会议，明确项目实践目的，并作出项目实践后期具体实施规划。在指导老师带领下，进行了如下工作。
注：其他相关附件和成果将以压缩包形式上传，一光盘形式保存。本次项目实践从2014年9月至12月，主要得到了如下收获：
第一，项目实践分为A、B两组，增大了彼此工作的积极性，同时给最后成果也有不同的结果。
第二，A、B两组分为六个小组，每小组采取2两人合作的形式共同完成自己手中的任务，起到了团队协作、积极互助的效果，给本次实践任务的顺利完成带来了很大的便利和正能量。
第三，三维建模五个小组通过前期对零件的测绘，草图绘制以及中期运用UG NX8.0等三维绘图软件生成零件图并上交装配仿真组后期处理这一过程中，各小组合理安排任务，采取一测一绘的工作分配是工作效率达到了最佳。同时也让所有组员掌握了发动机构造与原理，熟悉了发动机拆装技术，熟练运用三维绘图软件，熟悉了从实际零件到三维工程图这一过程。仿真组根据以上五个小组的零件图进行装配仿真，同时也负责部分尺寸不正确零件修改和完善，学会了从零件到总成，从局部到整体的框架式学习和运用。同时通过自学仿真加上后期发动机实体仿真的真是演练，从真正意义上做到了学习到实践的目的。
第四，充分体现了团队协作能力的重要性，同时让所有成员懂得了团队合作的重要性。本次项目实践让这24个兄弟和两位指导老师成为了一家人。和谐，共同进步。
第五，本次项目实践是为后期毕业设计做坚强的奠基，给我们毕业设计工作做了很好的铺垫。通过本次项目实践，我们为后期毕业设计获得了发动机各零件的二维、三维数据，同时在了解发动机构造和原理的情况下，让毕业设计更得心应手。
项目实践是大学应该开设并且需要不断扩大，项目需要不断更新的课程，它的存在使我们大学毕业之前的最后一次操练，是我们进入社会第一次操练的重要前奏。
最后，感谢学院队项目实践的大力支持，感谢本次项目实践的两位指导老师陈军老师和蒋莎老师，是陈军老师的带领让我们在这次项目实践中收获很多，是蒋莎老师专业知识的受教让我们对汽车发动机有了更生一层次的认识。
三维建模与仿真分析 篇3
关键词:数字校园 建模方法 三维景观
中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0073-02
引言
数字校园是传统校园的数字化表达。在传统校园的基础上,利用计算机网络等技术,将学校的环境、资源等要素进行数字化。实现办公、管理和服务的网络化。作为数字化校园建设的重要组成部分——虚拟校园,是对大学校园的数字化和虚拟化。它在大学的优化管理、校园规划、辅助决策和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。通过建立视觉效果逼真的三维虚拟校园,可以将真实的校园景观生动的展现在用户面前。用户可以利用计算机网络进行远程访问,并可通过计算机在虚拟校园中漫游[2]。
本文以某校园为例,对数字校园建设中的三维景观建模方法进行分析和实践,并建立部分虚拟校园三维景观。
1 三维景观建模方法分析
近年来,许多学者对三维景观建模技术进行了研究和实践。郝卫英研究了三维景观建模中地表山体的建模方法,利用二维矢量数据,通过三维地理信息系统软件IMAGIS平台,生成了研究区的DEM,并以此为基础构建了山体模型[3]。黄秀常等运用桌面式VR系统以3D MAX为建模工具,建立了虚拟校园漫游系统,并将其在网上发布,供用户浏览。毕晓佳等以遥感图像为基础数据,利用数字地球平台建立了成都理工大学虚拟校园系统[4]。从这些研究中可以看出,数字校园三维景观建模的关键问题是建模方法的选择。目前,用于数字校园三维建模的主要方法有基于AutoCAD、3DS MAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。这些方法各有优点。数字校园建筑物建模方法的选用,需充分考虑建筑物三维模型在数字校园系统的作用。本实验所建建筑物三维模型一方面是将现实校园景观进行虚拟化表达。另一方面还需满足后续建立数字校园三维地理信息系统的需求。因些,在选用建模方法时,选用了SketchUp软件平台。SketchUp是Goole公司的一款建筑草图设计工具软件。其主要特点是操作简单、建模速度快,使用者能方便地实现从二维平面图形到三维模型的设计。更重要的是其所建模型能够快速导入到地理信息系统软件ArcScene模块中。
2 建筑物三维建模过程
2.1 数据获取
在建筑物三维景观建模过程中,所需要的原始数据主要包括建模区域的二维平面图、建筑物的高度数据、粘贴纹理所需的建筑物照片和地形图。其中二维平面图和建筑物高度数据对于三维模型的质量有着重要的影响。目前地形图数据获取的方法主要有:原图数字化、航测方法、实地测绘等。在本实验中,我们利用全站仪和动态GPS对研究区域进行地形图的测绘。为保证数据质量,对主要建筑物的尺寸进行了检核测量。高度数据的获取采用了两种方法,一种是利用全站仪中的悬高测量程序,此方法的优点是测量的精度较高,缺点是安置仪器及观测的操作较复杂。对于建筑物高度测量精度要求不高时,可采用一些特殊的方法。在建筑物旁边适当位置立一个三米长的水准尺,在实地量取影子的长度,再量取建筑物影子的长度。根据影子的长度及水准尺的长度即可推算出建筑物的高度。
纹理数据是利用数码相机对建筑物侧面进行拍照,将所拍影像利用PhotoShop软件进行裁剪、拼接等处理。
2.2 建模步骤
(1)平面图形数据导入。
二维矢量图形在三维景观模型构建中的作用非常关键,是建筑物三维模型的数据基础,为建模提供了各地物的真实尺寸。本实验中建筑物平面图形的数据为CAD格式,所测平面图中包含了多个图层。为了加快软件的运行速度和减小文件数据量,在将数据导入SketchUp之前,需要將建模中不需要的部分图层和线条利用CAD中的“purge”命令清除掉。在数据导入时,一般采用的“单位”是mm,这样做的目的是使SketchUp中的图形尺寸与CAD中保持一致,在后续进行建筑物拉伸时可直接输入实际获得的建筑物高度,不必进行转换。导入的CAD数据不能直接用于三维模型的建立,需要将导入的线条进行连接处理形成面。导入的CAD平面图如图1所示。
(2)建筑物三维建模。
在SketchUp建模时,如需表达建筑物的细节,在建模时需要获取建筑物门、窗、阳台等细部尺寸。将这些部件模型建好,根据获取的位置数据将模型“安装”到建筑物的主体模型上。也可以在建模时只表达建筑物的主体部分,细节部分则通过纹理图片表达。初步建立的模型与真实的建筑物形状是一致的。如图2所示,为教学楼模型。为了使建立的三维模型更逼真,更具真实感,还需对模型进行纹理粘贴。SketchUp提供了两种贴图方式,普通贴图和投影贴图。对于模型中的平面墙体,采用普通贴图。贴图后通过调整贴图坐标即可达到满意的效果。弧形建筑物墙体需采用投影贴图,否则会出现贴图变形,不能达到预期效果。本实验中教学楼和实验楼的弧形墙体采用的就是投影贴图方法。如图3所示是粘贴纹理后的教学楼模型。图4所示为粘贴纹理后的实验楼模型。
(3)校园三维景观构建。
将校区二维矢量图或影像图导入到SketchUp中,生成三维场景底图。把建好的建筑物及相关附属设施模型导入到校园场景中。根据矢量图利用旋转、平移和缩放工具进行调整,使其大小和位置与底图相一致,形成校园三维景观。
3 建模应注意的问题
在利用SketchUp进行三维景观建模中,有以下几个问题需要注意。
(1)冗余数据的处理:作为建模所需的CAD格式的平面图,往往包含多个图层。而有些图层在建模中是不需要的。这些多余的数据会影响软件的运行速度。在图形数据导入之前,需要在CAD中将无用的图层数据进行删除,并利用purge命令进行处理。(2)平面的生成:图形数据导入后,多边形并没有自动生成面状区域,在操作时不需要沿多边形边线重新绘制,只需要绘制一条对角线,生成面状区域后将对角线删除即可。(3)分层管理:当所建场景中模型比较多时,一定要分层。将不同种类的模形定义为不同的图层,使模型的管理更加方便。(4)纹理贴图处理:数码相机拍摄得到的建筑物纹理,受拍摄位置及障碍物的影响,会存在着一定的变形。需要利用PhotoShop软件进行色彩平衡、纠正、裁剪和拼接等处理。对于相似的纹理,可只拍局部纹理进行拼接处理得到建筑物表面完整纹理。考虑到运行速度和数据量问题,纹理图片大小最好控制在100k以下。也可以在贴图时重点部位采用真实纹理,其他部位采用SketchUp软件本身提供的纹理和材质。
4 结语
利用SketchUp软件进行数字校园三维景观建模简单易行、效率高、建模周期短。所建模型可以直接导入到数字地球平台Google Earth或地理信息系统软件ArcScene模块中。对于大学校园新建校区建筑物进行建模时,还可以直接以校区建设的规划图作为源数据,通过规划平面图、立面图获取建筑物的位置、平面尺寸及相应细部构件(如门、窗)等几何尺寸。所建立的建筑物模型具有可量测性,为数字校园三维地理信息系统的建设提供可靠的基础数据。
参考文献
[1]徐峰,陈敏智.虚拟校园三维仿真系统的设计及实现[J].浙江工业大学学报,2007,35(2):156～158.
[2]汪娟娟,康玲.虚拟现实在数字校园中的应用[J].计算机仿真,2003,20(6):79～80.
[3]郝卫英.基于IMAGIS二维矢量数据的城市三维景观构建方法[J].城市勘测,2008(1),44～46.
[4]毕晓佳,苗放,叶成名.基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设[J].地理空间信息,2008,6(3),94～96.
引言
数字校园是传统校园的数字化表达。在传统校园的基础上,利用计算机网络等技术,将学校的环境、资源等要素进行数字化。实现办公、管理和服务的网络化。作为数字化校园建设的重要组成部分——虚拟校园,是对大学校园的数字化和虚拟化。它在大学的优化管理、校园规划、辅助决策和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。通过建立视觉效果逼真的三维虚拟校园,可以将真实的校园景观生动的展现在用户面前。用户可以利用计算机网络进行远程访问,并可通过计算机在虚拟校园中漫游[2]。
本文以某校园为例,对数字校园建设中的三维景观建模方法进行分析和实践,并建立部分虚拟校园三维景观。
1 三维景观建模方法分析
近年来,许多学者对三维景观建模技术进行了研究和实践。郝卫英研究了三维景观建模中地表山体的建模方法,利用二维矢量数据,通过三维地理信息系统软件IMAGIS平台,生成了研究区的DEM,并以此为基础构建了山体模型[3]。黄秀常等运用桌面式VR系统以3D MAX为建模工具,建立了虚拟校园漫游系统,并将其在网上发布,供用户浏览。毕晓佳等以遥感图像为基础数据,利用数字地球平台建立了成都理工大学虚拟校园系统[4]。从这些研究中可以看出,数字校园三维景观建模的关键问题是建模方法的选择。目前,用于数字校园三维建模的主要方法有基于AutoCAD、3DS MAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。这些方法各有优点。数字校园建筑物建模方法的选用,需充分考虑建筑物三维模型在数字校园系统的作用。本实验所建建筑物三维模型一方面是将现实校园景观进行虚拟化表达。另一方面还需满足后续建立数字校园三维地理信息系统的需求。因些,在选用建模方法时,选用了SketchUp软件平台。SketchUp是Goole公司的一款建筑草图设计工具软件。其主要特点是操作简单、建模速度快,使用者能方便地实现从二维平面图形到三维模型的设计。更重要的是其所建模型能够快速导入到地理信息系统软件ArcScene模块中。
2 建筑物三维建模过程
2.1 数据获取
在建筑物三维景观建模过程中,所需要的原始数据主要包括建模区域的二维平面图、建筑物的高度数据、粘贴纹理所需的建筑物照片和地形图。其中二维平面图和建筑物高度数据对于三维模型的质量有着重要的影响。目前地形图数据获取的方法主要有:原图数字化、航测方法、实地测绘等。在本实验中,我们利用全站仪和动态GPS对研究区域进行地形图的测绘。为保证数据质量,对主要建筑物的尺寸进行了检核测量。高度数据的获取采用了两种方法,一种是利用全站仪中的悬高测量程序,此方法的优点是测量的精度较高,缺点是安置仪器及观测的操作较复杂。对于建筑物高度测量精度要求不高时,可采用一些特殊的方法。在建筑物旁边适当位置立一个三米长的水准尺,在实地量取影子的长度,再量取建筑物影子的长度。根据影子的长度及水准尺的长度即可推算出建筑物的高度。
纹理数据是利用数码相机对建筑物侧面进行拍照,将所拍影像利用PhotoShop软件进行裁剪、拼接等处理。
2.2 建模步骤
(1)平面图形数据导入。
二维矢量图形在三维景观模型构建中的作用非常关键,是建筑物三维模型的数据基础,为建模提供了各地物的真实尺寸。本实验中建筑物平面图形的数据为CAD格式,所测平面图中包含了多个图层。为了加快软件的运行速度和减小文件数据量,在将数据导入SketchUp之前,需要将建模中不需要的部分图层和线条利用CAD中的“purge”命令清除掉。在数据导入时,一般采用的“单位”是mm,这样做的目的是使SketchUp中的图形尺寸与CAD中保持一致,在后续进行建筑物拉伸时可直接输入实际获得的建筑物高度,不必进行转换。导入的CAD数据不能直接用于三维模型的建立,需要将导入的线条进行连接处理形成面。导入的CAD平面图如图1所示。
(2)建筑物三维建模。
在SketchUp建模时,如需表达建筑物的细节,在建模时需要获取建筑物门、窗、阳台等细部尺寸。将这些部件模型建好,根据获取的位置数据将模型“安装”到建筑物的主体模型上。也可以在建模时只表达建筑物的主体部分,细节部分则通过纹理图片表达。初步建立的模型与真实的建筑物形状是一致的。如图2所示,为教学楼模型。为了使建立的三维模型更逼真,更具真实感,还需对模型进行纹理粘贴。SketchUp提供了两种贴图方式,普通贴图和投影贴图。对于模型中的平面墙体,采用普通贴图。贴图后通过调整贴图坐标即可达到满意的效果。弧形建筑物墙体需采用投影贴图,否则会出现贴图变形,不能达到预期效果。本实验中教学楼和实验楼的弧形墙体采用的就是投影贴图方法。如图3所示是粘贴纹理后的教学楼模型。图4所示为粘贴纹理后的实验楼模型。
(3)校园三维景观构建。
将校区二维矢量图或影像图导入到SketchUp中,生成三维场景底图。把建好的建筑物及相关附属设施模型导入到校园场景中。根据矢量图利用旋转、平移和缩放工具进行调整,使其大小和位置与底图相一致,形成校园三维景观。
3 建模应注意的问题
在利用SketchUp进行三维景观建模中,有以下几个问题需要注意。
(1)冗余数据的处理:作为建模所需的CAD格式的平面图,往往包含多个图层。而有些图层在建模中是不需要的。这些多余的数据会影响软件的运行速度。在图形数据导入之前,需要在CAD中将无用的图层数据进行删除,并利用purge命令进行处理。(2)平面的生成:图形数据导入后,多边形并没有自动生成面状区域,在操作时不需要沿多边形边线重新绘制,只需要绘制一条对角线,生成面状区域后将对角线删除即可。(3)分层管理:当所建场景中模型比较多时,一定要分层。将不同种类的模形定义为不同的图层,使模型的管理更加方便。(4)纹理贴图处理:数码相机拍摄得到的建筑物纹理,受拍摄位置及障碍物的影响,会存在着一定的变形。需要利用PhotoShop软件进行色彩平衡、纠正、裁剪和拼接等处理。对于相似的纹理,可只拍局部纹理进行拼接处理得到建筑物表面完整纹理。考虑到运行速度和数据量问题,纹理图片大小最好控制在100k以下。也可以在贴图时重点部位采用真实纹理,其他部位采用SketchUp软件本身提供的纹理和材质。
4 结语
利用SketchUp软件进行数字校园三维景观建模简单易行、效率高、建模周期短。所建模型可以直接导入到数字地球平台Google Earth或地理信息系统软件ArcScene模块中。对于大学校园新建校区建筑物进行建模时,还可以直接以校区建设的规划图作为源数据,通过规划平面圖、立面图获取建筑物的位置、平面尺寸及相应细部构件(如门、窗)等几何尺寸。所建立的建筑物模型具有可量测性,为数字校园三维地理信息系统的建设提供可靠的基础数据。
参考文献
[1]徐峰,陈敏智.虚拟校园三维仿真系统的设计及实现[J].浙江工业大学学报,2007,35(2):156～158.
[2]汪娟娟,康玲.虚拟现实在数字校园中的应用[J].计算机仿真,2003,20(6):79～80.
[3]郝卫英.基于IMAGIS二维矢量数据的城市三维景观构建方法[J].城市勘测,2008(1),44～46.
[4]毕晓佳,苗放,叶成名.基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设[J].地理空间信息,2008,6(3),94～96.
三维建模与仿真分析 篇4
叶轮是风机的主要结构部件之一, 风机的性能不同, 对叶轮的要求也不尽相同。如涡轮式发动机中的叶轮, 发动机的性能在很大程度上取决于叶轮的加工质量, 因此对其要求较高。而生活中电风扇中的叶轮, 其加工精度显然就不如发动机中的要求高, 采用的加工方法也不一样, 所以说整体叶轮的加工是根据零件的要求来选择加工方式的。随着科学技术的发展, 对叶轮的加工精度要求越来越高, 叶轮加工的复杂性主要取决于叶片的曲面造型的复杂程度。所以本文提出了使用数控加工中心制造铸造轴式叶轮压铸模具的动模部分, 相比直接对叶轮进行四、五轴联动数控加工, 既能减少设备需求, 节约加工时间, 提高生产效率, 又能保证制造出的叶轮精度满足要求。
2 叶轮动模的三维建模
2.1 建模软件平台
本文采用的是CAXA2011制造工程师软件对叶轮动模零件进行三维建模, CAXA制造工程师是在Windows系统上运行的一款同时具有CAD三维实体建模和CAM数控加工编程功能, 并集成了数据接口、几何造型、轨迹生成、加工仿真、代码生成、工艺单生成功能的软件。该软件功能强大, 简单易学, 是目前在数控加工中应用非常广泛的一种自动编程软件。
2.2 零件的三维建模[1]
在工作平面XOY平面上画两个直线, 使用三点圆弧方式绘制圆弧, 沿旋转轴旋转即可生成叶轮曲面。采用“草图-拉伸-增料 (除料) ”, 然后过渡棱边, 即可生成叶轮主体, 如图1所示。文件存盘为*.X_T格式。同理, 可作出动模板的实体造型如图2所示。最后进行布尔运算, 合并文件, 得出叶轮动模的初模型, 如图3所示。
在叶轮动模初形的基础上, 根据相同的创建原理, 创建导柱孔、大过孔和穿顶杆孔, 完成工艺倒角, 完成叶轮动模的实体造型, 如图4所示。
3 零件的工艺性分析
3.1 零件材料
零件材料选为3Cr2W8V, 它是热作模具钢, 具有较高的强度、硬度和较好的淬透性, 同时还具有良好的耐冷热激变的疲劳性, 主要适用于制作在较高温度和较高应力下工作、不受冲击负荷的凹模和凸模。
3.2 加工顺序
加工顺序的拟定按照基面先行、先粗后精、先面后孔这三个基本原则确定。因此, 先加工毛坯的各个表面, 然后再依次对叶轮动模零件进行外轮廓粗加工、外轮廓精加工, 使用中心钻打定位孔、钻孔、铣削导柱孔等。
3.3 刀具的选择
(1) 加工上下表面是采用φ125mm的硬质合金面铣刀, 齿数为8; (2) 粗加工时采用φ16mm和φ10mm的硬质合金铣刀, 切除大部分的加工余量, 减少走刀次数; (3) 精加工轮廓时, 选取准6mm硬质合金球头铣刀; (4) φ4mm的中心钻; (5) φ10mm的钻头。
3.4 切削速度及主轴转速的选择
根据式 (1) 来计算各个数控加工方法的主轴转速N:
Vc-切削速度, m/min;D-铣刀直径, mm。
刀具材料为硬质合金钢, 主轴转速的计算结果经查表选取如表1所示。
4 刀具路线的生成及G代码的输出
在弹出的加工参数对话框中设置毛坯、刀具参数、加工参数和切削用量参数, 设置完成后, 按提示拾取加工对象后按确定, 计算机便开始分析加工模型、计算刀具轨迹, 最终生成加工刀具轨迹。图5为等高线粗加工刀具轨迹。
点击“加工”、“后置处理”、“生成G代码”, 然后输入文件名并保存文件, 拾取生成的加工刀具轨迹, 按右键确认, 立即弹出加工G代码文件, 保存即可[4]。图6为生成的G代码。
5 数控仿真加工
CAXA制造工程师软件的轨迹仿真器可以实现CAXA的实体仿真, 其仿真过程可以显示毛坯、刀具、刀柄和夹具, 并进行动态的仿真加工过程, 具有很强烈的真实感。一方面可以根据事先设定的零件的加工参数, 展现刀具在工件实际加工中的切削轨迹, 另一方面可以根据CAXA实体仿真, 检查刀具、刀柄和夹具及机床之间是否存在相互干涉, 判断刀具轨迹路径是否符合要求, 进而校验数控加工过程中的程序的正确性, 从而编辑和优化各个刀具的轨迹路径, 以满足加工程序正确性的要求和零件的加工精度及总体质量的要求[3]。
打开加工管理栏中点击刀具轨迹, 选取所有刀具轨迹并按右键, 在弹出的菜单中选择实体仿真, 弹出仿真界面, 设置加工参数, 点击开始, 即可完成实体仿真加工, 最后的仿真结果如图7所示。
6 编制数控加工工序卡
根据前面所选用的工艺顺序和刀具, 可以编制叶轮动模的数控加工工序卡, 将工序卡送去车间可以直接用于指导叶轮动模的数控加工。表2为叶轮动模的数控加工工序卡。
7 结语
本论文以CAXA软件为平台对叶轮动模零件进行了三维建模, 利用CAXA制造工程师强大的CAM功能, 自动编程并生成刀具轨迹路径, 优化切削参数, 运用实体仿真功能检验在加工过程中是否存在问题, 并预测切削过程的正确性, 以减少工件的试切, 提高生产效率。
参考文献
[1]陈明, 刘钢.CAXA制造工程师-数控加工[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.
[2]王亚辉, 任保臣, 王全贵.典型零件数控铣床/加工中心编程方法解析[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[3]郭满荣.CAXA制造工程师进行平面轮廓加工的技巧[J].机械工人, 2003 (2) :11-12.
三维人体与服装建模技术综述总结 篇5
三维人体与服装建模技术综述
摘要：在参阅了大量资料与文献的基础上综述了现有的三维人体建模的一般方法并对各自的优缺点进行了分析，着重介绍了三维人体建模与服装建模，可对三维人体与服装建模技术有一定的了解。
引言：关于人体建模技术的研究始于20世纪70年代末，计算机人体建模技术发展到现在, 已经出现了大量的不同实现方法, 且随着时间的推移, 还可能不断地有一些新方法出现, 而一些老方法也可能会得到进一步完善和发展。三维人体建模是计算机人体动画、人机系统计算机仿真等系统首要解决的问题之一。三维人体建模首先要建立逼真的人体模型，同时要考虑人体模型的动态特征。本文将从各个方面介绍三维人体与服装建模得技术的各个方法，这将有助更清晰地区别和了解各种方法的特点。在服装CAD、网络虚拟试衣、三维人体动画和游戏等应用领域，都面临着如何解决真实人体与服装的三维重建问题，即人体与服装的真实感虚拟建模。在计算机图形学中，物体的造型一般分为传统几何建模和物理建模两大类。传统几何建模采用线框、表面和实体等造型技术，只描述物体的外部几何特征，适合静止刚体的造型。物理建模则是将物体的物理特征和行为特征融进传统的几何模型中，既包含了表达物体所需要的几何信息，又包含了物体材料的物理性能参数。在现实世界中，服装的运动受织物材料特性和人体运动的共同影响。人体运动所产生的肢体位移造成人体皮肤表面和服装布料之间的碰撞，力的相互作用驱动服装跟随人体运动。由于用计算机模拟人体与服装真实效果的复杂性，在三维人体与服装的造型中出现了几何建模技术、物理建模技术、结合几何与物理的混合建模技术。一、三维人体与服装的几何建模技术
1．人体
三维虚拟人体的几何建模技术主要是曲面建模，又称表面建模，这种建模方法的重点是由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。在人体曲面建模时，主要采用基于特征的和参数化的人体曲面建模两种具体建模方法。
2.基于特征的人体曲面建模
基于特征的人体曲面建模根据人体的整体结构，将人体模型划分为若干个基
杨孝辉-201107004240-W112 本的结构特征。为进行曲面造型，针对每个结构特征可定义相应的造型特征。造型特征分为主要造型特征(即人体模型中指定的特征)和辅助造型特征(即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定义的造型特征)。该方法的优点在于．它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表达方式。此外，还可较方便地改进人体模型建模方法。根据人体模型尺寸表，可定义一系列的特征曲线，曲线的生成通过相关特征点(根据人体物理特性定义的点)和模型样本点(根据人体模型曲面造型需要定义的点)来得到。仅靠特征曲线还不足以表达人体模型的所有几何形状，需补充定义几何造型曲线，与特征曲线共同构造出曲线网络。网络曲线多采用3次B样条曲线表达，人体曲面模型的构建则采用B样条曲面。
二、参数化的人体曲面建模
参数化的人体曲面建模采用几何约束来表达人体模型的形状特征，从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。即在建模过程中应结合人机工程学原理，利用人体各部分固有的比例关系，从人体模型的众多特殊尺寸中提取出起决定性作用的参数。一旦几何特征参数确定下来，系统将根据人机工程学原理，修改相应的主要造型特征，使其满足新的尺寸要求。同时，利用人体模型主、辅造型特征问的关联结构，修改相关的辅助造型特征，获得新的人体模型造型特征，对新的人体模型造型特征进行曲面造型，最终得到用户所需的人体模型。参数化建模是一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高、更抽象的层面上进行人体设计。NM Thalmann和DThalmann最早使用多边形表面生成虚拟人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于对人体表面的变形。Forsey将分层B样条技术用于三维人体建模。Douros等使用B样条曲面重构三维扫描人体模型。曲面模型的优点是速度较快，缺点是不考虑人体解剖结构，取得非常逼真的模拟效果比较困难。提高表面模型的逼真性是目前的研究热点之一。尽管曲面建模技术已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系，但所描述的主要是人体的外部几何特征，对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述，对于人体动态建模仍有一定的局限性。
除曲面建模方法外，还有棒状体建模和实体建模方法。棒状体建模是最早出
杨孝辉-201107004240-W112 现的虚拟人体几何建模方法，人体表示为分段和关节组成的简单连接体，使用运动学模型来实现动画模拟，实现人体的大致动作。实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状，例如圆柱体、椭球体、球体等，然后采用隐表面的显示方法，其计算量大，且建模过程非常复杂。在三维人体模型结构中，实体模型和棍棒体模型基本上已较少使用。
三、服装的几何建模方法
服装的几何建模方法着重模拟布料的几何表象，尤其是波纹、褶皱等，不考虑服装面料的物理特性，将织物视为可变形对象，用几何方程表达并模拟虚拟现实环境中的织物动画效果。目前常用B样条曲面、Bezier曲面：INURBS曲面来进行服装曲面造型。
Lalfeur等开始用简单的圆锥曲面代表一条裙子，并穿着在一个虚拟模特上，以人体周围生成的排斥力场来模拟碰撞检测。Hinds等将人体模型的上半躯干进行数字化图像处理以获得基础人形，提出了在人体模型上定义一系列位移曲面片的、典型的几何三维服装建模方法，用三维数字化仪取得人体模型上的三维空间点，然后用双3次B样条曲面拟合得到数字化的人体模型，服装衣片被设计成围绕人体模型的曲面，然后将之展开到二维，这些服装衣片是通过几何建模得到的。此方法计算速度较快，模拟出的服装具有其形态特点，生成的图形具有一定的织物视觉效果，但不能代表特定的服装织物，仿真效果较差。1.线框建模
线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术，它是计算机图形学在CAD/CAM应用中最早用来表示形体模型的建模方法，并且至今仍在广泛应用。线框建模只是单纯的用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快，符合服装生产中人们打样的习惯。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。人体的线框建模是将人体轮廓用线框图形和关节表示。由于包含的信息有限，因此该法存在缺陷[1]：
(1)有模糊性和歧义性，即不能够无二义性地表达三维人体；(2)无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示；(3)无法进行剖面操作；
杨孝辉-201107004240-W112 但线框建模方法很容易产生人体的动作，并且可作为实体建模、曲面建模的基础，因此至今仍在广泛应用。最早开发商品化人机系统仿真软件的英国诺丁汉大学SAMMIE系统生成的人体模型APPOLLO(包含17个关节点和21个节段)、Chrysler公司用Fortran开发的CYBER-MAN系统生成的人体模型以及由Pennsylvania大学计算机图形实验室用C语言开发JACK软件生成的人体模型(包含88个关节点，17个节段)采用的就是线框建模的方法。2.实体建模
实体建模[2]的概念尽管早在20 世纪60 年代就已提出, 但到20 世纪70 年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统.到20 世纪70 年代后期, 实体建模技术在理论、算法、和应用方面才比较成熟.三维人体的实体建模由于增加了实心部分表达，信息更加完备，从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了顶点、边界、表面和实体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。
实体建模技术包含两部分内容，一部分是体素(长方体、球体、柱体、锥体等)定义和描述;另一部分是体素之间的集合运算(并、差、交等)。但是随着物体结构复杂性的增加,计算量会随之加大,导致计算效率差、耗时长。
采用实体建模的方法构建的系统有:波音公司开发的Boeman人体建模软件、以及后来在该系统中开发的允许用户建立任意尺寸和比例的人体几何建模程序生成的人体模型、KomyisB等在IBMRs/600CATIA系统上构造的三维人体模型等。毛恩荣等在研究用于机械系统人机界面匹配的人体模型中，采用面向对象的继承方法，将人体构造成由一系列立方体所组成的三维人体模型实际上也是实体建模方法。3.多面体建模
多面体建模[3]是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体(即基本立体)，然后通过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计。多面体人体建模的步骤如下：
（1）首先它将产生一个由直线和平面所组成的基本立体, 作为人体形状的原型；
杨孝辉-201107004240-W112（2）由基本立体产生曲线模型；
（3）曲面的产生： 在曲线模型的基础上, 用参数曲面进行拟合； 四、三维人体与服装的物理建模技术
传统的人体建模技术经历了从线框建模，曲面建模到实体建模的发展历程，其对人体的几何信息和拓扑信息的描述已相当完备。但它们所描述的主要是人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)则缺乏描述。传统的人体建模方法对静止人体的建模是非常成功的，但对于人体动态建模却相当乏力。正是针对这一问题，人们尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中，形成了全新的基于物理的建模方法[4]。
基于物理的建模方法是针对传统的人体建模技术主要描述人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)缺乏描述的基础上发展起来的。因此它尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境的各个方面因素引人到传统的几何建模方法中，形成的一种全新的建模方法。由于在建模过程中引人了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因而基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果。同时也由于引人了时间变量，对人体或服装进行三角、网格或粒子划分,进行能量、受力分析,能较真实地模拟柔性物体的特性，人体的动态特征将得到有效地描述。但基于物理的建模方法在人体的动态运动规律表达多是采用微分方程组数值求解方法来进行动态系统的计算，与传统的人体建模方法相比，基于物理的建模方法在计算上要复杂得多。但此法能弥补传统人体建模方法的不足，自产生以来也得到了迅速的发展。
与传统的建模方法相比，基于物理的建模方法具有以下几个特点：(1)在建模过程中引入了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因此，基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果；
(2)在建模过程中引入了时间变量，因此，基于物理的建模方法能对人体的动态过程进行有效地描述；
(3)人体的动态运动规律多采用微分方程组的形式表达，在基于物理的建模过程中，通常采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统的计算，因此，与传统的建模方法相比, 基于物理的建模方法在计算上要复杂得多,由于基于物理
杨孝辉-201107004240-W112 的建模方法弥补了传统的几何建模方法的不足, 自产生以来便得到了迅速的发展。物理建模方法虽然仿真效果更接近真实状态，但因模型中包含的有效织物力学结构参数很难确定，加之运算时间太长，应用受到了限制。
五、离散模型的建立
织物是由大量纤维、纱线形成的复杂结构体，是非连续的，宜使用离散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互联系的粒子系统模型模拟织物的悬垂特性，1996年Eberhardt等发展了Breen的粒子模型，体现了织物的滞后效应，增加了风动、身动等外力对服装面料的影响。在粒子系统的基础上，由Provot和Howlett先后提出的质点一弹簧模型结构简单，容易实现，计算效率较高，取得了较好的应用效果。该模型将服装裁片离散表达为规则网格的质点～弹簧系统。每一个质点与周围相连的若干个质点由弹簧相连，整个质点一弹簧系是一个规则的三角形网格系统。Desbrun等对质点～弹簧模型加以延伸、扩展和改进，综合显式、隐式积分，提出一种实时积分算法，可实现碰撞和风吹等检测和反应。刘卉等也用改进的质点一弹簧模型完成了模拟服装的尝试。
人体多层次模型是最接近人体解剖结构的模型，通常使用骨架支撑中间层和皮肤层，中间层包含骨骼、肌肉、脂肪组织等，因此人体从内到外分成骨架、骨头、肌肉、脂肪和皮肤等几个层次，可分别采用不同的建模技术。骨头层可看成刚性物体，采用几何模型。皮肤层属于最外层，需要较多的真实性，可采用基于物理的模型，指定皮肤层每个顶点的质量、弹性、阻尼等物理参数，计算每个点的运动特性，实现皮肤的变形。皮肤需要匹配到骨架上，其动态挤压和拉伸效果由底层骨架运动及肌肉体膨胀、脂肪组织的运动获得，附着于骨头上的肌肉和脂肪也得适当地采用物理建模方式形成。
Chadwick等提出了“人体分层表示法”的概念。在此基础上，Thalmann等提出一种更加高效的、基于解剖学的分层建模算法来实现人体的建模与仿真。通过这种方法建立的人体模型从生理学和物理学角度都能实现更加逼真的效果，但模型复杂度高，人体变形时计算量大。
几何建模能赋予服装更灵活的形状，可以方便地修改服装的长短胖瘦、结构线等外观形状，模型简单，执行速度快，但不能通过参数控制服装的悬垂及质感。物理建模允许通过选择参数值较为直观地控制服装的悬垂及质感，如增加质量参
杨孝辉-201107004240-W112 数值将得到厚重织物，但模型复杂，计算费时。服装的混合建模技术吸取了几何和物理的优点。通常在图形生成或模拟过程中，先用几何方法获得大致轮廓，再用物理约束和参数条件进行局部结构细化，从而获得逼真、快速的模拟图形。
Kunii和Godota使用混合模型实现了对服装皱褶的模拟。Rudomin在进行模拟时先使用几何逼近的方法，在人体的外围生成„个3DJ]~装凸包，给出了悬垂织物的大致形状，后利用Terzopoulos的弹性形变模型对织物的形态进行细化处理。在实际应用中，混合建模技术更适合于织物和服装变形形态的模拟，既能满足对服装三维效果的仿真，且能在一定程度上实现三维交互设计，计算时间也将显著缩短，可以满足实时的要求，是目前较好的选择。在三维人体建模上，对静止人体的实现主要采用面建模技术，重点描述人体的外表面，即皮肤的外形。为了实现人体的动态仿真，需要考虑人体本身的物理特征(如质量、密度、材料属性等)和行为特征，使得计算机模拟的人体活动符合真人的运动效果，采用了物理建模技术，但由于人对人体解剖结构、自身组织及器官的物理特性、人体运动及动力学行为等研究和了解得并不充分，很难建立起完整的三维人体物理模型。
在三维服装模拟上，需要设置面料的质地、图案、色彩、尺寸及环境的灯光、重力、风源、风速、风向等，以及人体与服装的动力学约束，才能完成服装动态特性的运动模拟和仿真。服装的几何建模能方便模拟面料的几何表象，但也只能实现服装的外观形状。物理建模技术大多用于对单个织物的动态模拟，对整个由衣片缝合而成的、具有一定款式和饰物的服装造型则过于复杂。
要实现虚拟试衣、虚拟时装表演、服装的网上展示和虚拟购物等的虚拟环境，不仅需要建立人体和服装的模型，而且还要考虑人体、服装间、人体与服装间的碰撞，因此统一人体和服装的造型是必需的。结合几何建模和物理建模的各自优点，接近人体解剖结构，把最外层设置为服饰层的人体多层次模型将是今后重点研究的方向。
六、结束语
一种三维人体建模方法能否在具体人体模型实现中发挥作用，主要由建模方法本身性能和实现方法(如计算机程序)的质量两方面共同决定。实现方法的好坏很大程度上依赖于建模方法的原理，因此对人体建模方法本身进行理论上的分析研究，寻求一种好的建模方法是非常重要的。并且随着人体建模方法研究的深人，杨孝辉-201107004240-W112 还可能会有一些新的建模方法出现，原有的方法也可能会得到进一步完善和发展。
参考文献：
[1] 胡敏, 李敏，张新民.三维人体建模综述[J].焦作工学院学报, 2001,05(3):234 –235.[2] 孙家广.计算机辅助几何造型技术[M].北京: 清华大学出版社, 1990.[3] 付世波,袁修干.基于B样条曲面的人体模型的建立[J].计算机学报,1998,21(12): 1131-1135.[4] 樊劲.基于物理的建模研究以及在服装CAD中的应用[D].武汉:华中理工大学机械科学与工程学院,1997.胡敏, 李敏，张新民.三维人体建模综述[J].焦作工学院学报, 2001,05(3):236.杨东梅，朱胜缘，路伟成.OpenGL与3D MAX结合实现三维仿真[J]；应用科技；2004年02期 吴咏梅,赵敏;基于OpenGL的高效三维物体建模的研究[J];机械与电子;2004年10期 翁建广;基于人体体模型的三维形状检索和形变研究[D];浙江大学;2005年
A Model-Based Approach for Estimating Human 3D Poses in Static Images
Mun Wai Lee , Isaac Cohen，IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence
卷次: 28 刊期: 6，June 2006
Medical Imaging: Registration of 3D Objects and Surfaces
Klaus D.Toennies , Jayaram K.Udupa , Gabor T.Herman , Isaac L.Wornom III , Steven R.Buchman IEEE Computer Graphics and Applications 卷次: 10 刊期: 3，May 1990 Generating Semantic 3D Models of Underground Infrastructure
Erick Mendez , Gerhard Schall , Sven Havemann , Sebastian Junghanns , Dieter Fellner , Dieter Schmalstieg IEEE Computer Graphics and Applications
三维建模与仿真分析 篇6
目前,营养基育苗移栽作为果园苗木高产稳产的重要栽培措施,在我国的长江和黄河流域地区得到广泛的推广应用,取得了明显的增产效果。然而,随着经济的发展、农业产业结构的调整、农村劳动力的转移和劳动力价格的大幅度攀升,传统的营养基育苗移栽技术显现出许多弊端和不足,传统模式已不适应果园产业向机械化和规模化发展的高需求。因而,改革现行的育苗移栽方法,研究开发轻型简化的营养基成型技术十分重要。我国是种植大国,营养钵混料成型机发展较晚,机械化程度不高,已经严重制约了我国种植产业的发展,而营养钵混料成型机可以满足机械化生产的要求[1]。
本研究以营养钵混料成型机为对象,进行了整机结构的三维建模,并在Inventor的运动仿真模块对营养钵混料成型机搅拌过程进行了运动仿真。
1 总体结构及主要技术参数
在总体结构上,首先要考虑机具作业条件、机具性能的稳定性、作业特点及实际工作中安装方便等因素;另外,还要考虑在保证机组工作可靠和配套合理的前提下,实现机构紧凑,保证连接与安装工作部件的机架有足够的强度、刚度以及部件总成相对独立,以便于拆装、更换和保养[2]。
1.1 基本机构
营养钵混料成型机的机构简图如图1所示。
1.水槽 2.刮板 3.布料辊 4.注料器5.搅龙和搅拌器 6.添加剂装置 7.连续混料机 8.水9.提升机 10.滑差器 11.调速电机
1.2 工作过程及特点
营养钵机械由钢架机构利用地脚螺栓与地面连接,主要由V带轮运送机构、搅拌推送机构和入模成型机构等组成。机器工作时,皮带在V带轮的作用下往复运动,将机体平台上营养钵连续不断地推至入料口,进入搅拌推进工位进行搅拌。待物料充分搅拌后,进入下一个成型搅拌工序。进入成型搅拌桶,在此过程中不断地加入适量的水和胶。搅拌完成后,由搅拌轴叶轮推进至出料口,进入营养钵模型中反复压实。经各个工位的机械作业后,完成营养基的成型过程。通过营养钵机械的工作过程,使混合后的基质中营养物质与水、胶的比例合理,使基质具有较好的成型能力,能够疏松多孔、通气保水和营养丰富的固体营养基原料。
1.3 工作技术参数
设计要求适用于工厂及家庭作坊的生产,体积适中,方便安装生产使用,造价低,安全可靠,使用寿命长,可以普及到农村。主要技术参数如下:
外形尺寸/mm:3 000×500×1 500(工作状态)
工作形式:搅龙搅拌
电机功率/kW:10
搅拌转速/r·min-1:150～1 500
传动速度/km·h-1:7.2
成型模具/:12×6 个穴
2 营养钵混料成型机部件及运动仿真
2.1 主要工作部件工作性能及三维造型
Inventor是一种三维参数化实体模拟软件,在实体建模方面,它采用精确三维数字样机,能生成各种特征和实体模型及工艺特征[3]。
营养钵混料成型机的主要结构有入料机构、搅拌机构和成型机构等。根据入料搅拌机构的组成对其进行了三维建模。建模时,忽略了对结构影响较小的标准零件。建模过程基于Inventor的数字化设计和实体造型技术,完成了对搅拌辊、整机机架和传送机构等的实体建模。
差速器是营养钵混料成型机中的关键部位,其设计直接影响机具的作业质量,差速器控制两个搅拌桶的转速不同,差速搅拌是混料成型机的主要技术难点。差速器的设计是在保证整机运转的情况下,尽量实现机械的简单、实用和低成本。
在Inventor中,进行装配时要合理地安排装配路径。装配路径是指所装配的零件在装配过程中所遵循的装配顺序及空间路径,合理的装配路径应使各个零件在装配过程中不出现干涉现象,而且能够保证装配工艺的合理性[4]。
在Inventor中,连接类型有6种,营养钵混料成型机部件及运动仿真用到的有配合、相切、插入和对准角度。如整机机架的连接类型为配合和对准角度,搅拌辊与滚子链之间的连接类型为相切与插入。营养钵混料成型机的装配模型,如图2所示。
2.2 营养钵混料成型机的运动仿真
Inventor的运动仿真是把静态设计的模型转换为可以按实际工作状态运行的动态虚拟模型。在运动仿真模型中,设计者可以根据所建立的模型对实体进行客观评估。营养钵混料成型机的运动仿真可以真实地表现出混料成型机在工作时由启动到营养钵成型的全部工作过程,能使设计者更为清晰地了解营养钵成型的工作过程,验证运动的合理性及各个机构的工作关系,为进一步优化结构提供参考。营养钵混料成型机的运动仿真主要是研究营养钵混料成型机搅拌辊随时间运动的位置。图3为运动仿真界面[5]。
1)选择主菜单“应用程序”中的“运动仿真”命令,进入运动仿真环境。
在默认情况下的装配部件处在构造模式,可以使用工具面板上的“插入运动类型”和其他的工具来产生连接、施加外力和悬着等仿真设置。装配部件的运动机理构造好后,便可以直接运行仿真。在插入运动类型完成后,在浏览器的标准连接中旋转运动(滚子链和搅拌轴)单击右键,选择“特性”,点击自由度选项中的编辑驱动条件,点击允许驱动条件中的速度,输入速度为200r/min,点击确定。
2)在“仿真”面板上单击“运动或重放仿真”按钮来运动仿真。
图示器显示结果表明,搅拌辊最大受力很小,搅拌辊可以完成规定的运动而不被损坏。图4为搅拌辊受力图示器[5]。
营养钵混料成型机由电机带动,速度恒定,图示器显示结果为恒定直线。图5为搅拌辊速度图示器图 。
3 实验与分析
为了检验营养钵混料成型机的生产质量,在北京顺义试验站进行了测验,实验物料、营养基质和营养钵模具等充足。
3.1 实验方法
对每个营养钵基质成型质量及根系入土质量进行记录,并根据营养钵混料成型机在生产过程中的性能,综合评定营养钵混料成型机的作业质量。
3.2 实验结果
对营养钵混料成型机进行了5组模具的记录,从每组模具中随机抽出4行数据,如表1所示。
3.3 结果分析
将记录数据通过下列公式进行计算。
1)每组模具的平均成型数。
2)5组模具的平均成型数。
3)每组模具的成型标准差。
4)5组模具的成型标准差。
5)每组模具的成型变异系数。
6)5组模具的成型变异系数。
7)每组模具成型的稳定性系数。
U=1-V
8)5组模具成型的稳定性系数。
Um=1-Vm
式中 ai—各测点的成型数;
n—每组模具的测定点数;
nm—5组模具的测定点数;
S,Sm—成型标准差;
V,Vm—成型变异系数;
U,Um—成型稳定性系数。
计算结果为成型稳定性系数Um=92.2%。
4 结语
应用Inventor三维建模功能对营养钵混料成型机的主要结构进行三维建模,并进行了虚拟装配。根据混料成型机搅拌辊的驱动条件,运用Inventor的运动仿真功能,对营养钵混料成型机从启动到营养基成型的全部工作过程进行了仿真。从仿真结果可以看出,营养钵混料成型机的运动仿真过程与实际工作过程相同,其结果形象直观,为营养钵混料成型机结构设计提供了参考。经过试验证明,营养钵混料成型机在生产实践中能够完成成型要求,设计满足需求,能够投入生产使用。
参考文献
[1]陈建平,张萼,王海洋,等.棉花机械制钵微钵育苗栽培效应及配套技术研究[J].江苏农业科学,2009(5):103.
[2]谢俊花,改青,张飞.营养钵装料机设计[J].安徽农业科学,2008,36(12):36.
[3]陈伯雄,董仁扬,张云飞,等.Autodesk Inventor Professional2008机械设计实战教程[M].北京:化学工业出版社,2008.
[4]闫向彤.基于Pro/E的凸轮机构的三维建模和运动仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2009(7):12-15.
[5]唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社,2009.
三维建模与仿真分析 篇7
关键词：solidworks软件,齿轮建模,虚拟装配,运动仿真
随着现代科学技术的发展, 三维CAD技术得到普及。Solid Works作为主流机械设计软件, 功能强大简便易学。本文通过solidworks软件对齿轮油泵各组成零部件的实体造型、虚拟装配、拆装动画、运动仿真的描述, 真实地展示了齿轮油泵的实际装配和工作过程, 及时发现设计中存在的问题, 从而降低成本, 提高设计效率, 缩短设计时间。本文中所有实例均采用solidworks2012 版完成。
1 齿轮油泵三维实体建模
齿轮油泵是各种机械润滑和液压系统的输油装置。是机械设计中基本部件。由泵体、泵盖、主动轴、主动齿轮、从动轴、从动齿轮、垫片、紧盖螺钉、填料、压盖、压盖螺母、定位销等十几个零件组成。
要实现齿轮油泵虚拟装配和运动仿真, 首先要对组成零件进行实体造型。在齿轮油泵的组成零件中, 螺钉、螺母、垫片和定位销等为标准件, 可从Solid Works标准件库存中直接调用;泵体、泵盖为铸造箱体类零件, 齿轮轴为典型的回转体零件, 这些都是机械零件中的典型结构, 建模过程不再赘述。
对初学者或对Solid Works软件不太熟悉的设计师来说, 齿轮建模比较困难, 下面介绍几种方便实用的建模方法。
1.1 方法1——利用Gear Trax中文版齿轮插件
Gear Trax是一个Solid Works常用插件, 为机械工程师提供了一种简单方便用于精确齿轮及齿轮副的自动设计工具, 可设计的圆柱齿轮、圆锥齿轮、齿形带轮、蜗轮蜗杆、花键、带轮等, 方便快捷, 且模型精确程度较高。
在Gear Trax操作界面中按齿轮参数要求输入齿轮模数, 齿数、齿面厚度、斜齿轮需输入螺旋角及左右旋向, 点击完成按钮, 使用时最好提前打开solidworks软件并设置使用英文菜单, 齿轮轮齿将在Solid Works软件中自动完成, 再自行建造齿轮轮毂、轮辐、键槽或销孔等结构即可完成齿轮建模。
1.2 方法2——利用参数方程控制齿轮建模
(1) 点击主菜单“工具/ 方程式”, 根据齿轮参数关系输入齿轮基本参数及分度圆、齿顶圆、齿根圆、基圆等方程式。 (2) 建造回转体齿轮齿坯。 (3) 根据齿轮轮廓曲线性质, 用圆弧近似代替渐渐开线齿廓的齿槽, 拉伸切除, 完成一个齿槽。 (4) 圆周阵列完成所有齿槽切除。
这种方法要求熟悉齿轮基本公式及软件的参数方程控制方法, 对设计人员要求较高, 且建模齿轮精确度不高, 为以后的干涉检查等有限元分析带来麻烦。但此方法具有一般性, 可完成一些不能直接完成的曲线, 值得学习的一种方法。
1.3 利用CAXA电子图板齿轮曲线
CAXA电子图板中有渐开线齿轮轮廓曲线, 输入直齿圆柱齿轮模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数等基本参数, 即可生成直齿齿轮端面轮廓曲线, 保存成CAD类型文件, Solid Works软件与CAD软件有很好的数据交换性能, 插入dwg图形文件, 通过拉伸或扫描可生成直齿或斜齿齿轮轮廓, 然后再对齿轮轮毂、轮辐结构, 完成齿轮造型, 这种方法简便易行, 对设计人员要求不要, 而且齿轮精度也比较高, 是一种不错的方法。
2 齿轮油泵虚拟装配
在机械设计中, 单个零件的造型没有实际意义, 必须将零件装配成完整机器或部件以表达工作原理、各零件之间的配合关系, 也是以后进行运动分析、干涉检查以及实现机器工作动画的基础。装配在机械设计中有非常重要的意义。
Solid Works软件装配是将已经建模完成的零件逐一插入装配体文件, 并依次添加共面、同轴、平行等各零件间的相互配合关系, 使各零件保持准确的工作位置。一般来说固定零件需要完全定位, 而运动零件需要部分定位而保留相应方向移动、转动等相应运动关系。Solid Works系统默认首个插入零件是固定的, 作为其它后续零件装配的基础和参考。所以装配时首个零件选择很重要, 一般选择产品的支架、底座等基础件。
齿轮油泵具体装配过程如下:新建装配体文件, 选择泵体作为首个插入零件。然后逐一插入齿轮轴, 齿轮、销、密封件、泵盖、螺钉等零件。在装配过程中齿轮的装配是难点, 这里重点介绍一下齿轮的装配以保证齿轮轮齿的正确啮合。 (1) 油泵总装前最好将主/从动齿轮、主/ 从动齿轮轴及销分别装配成主动/ 从动齿轮轴装配体, 以便于整体装配; (2) 分别插入主动、从动齿轮轴装配体, 分别保持与泵体的两轴孔同轴, 以保证两齿轮中心距正确, 选择轴向位置准确; (3) 齿轮造型时, 无论采用哪种齿轮造型方法都要选择齿轮轮廓草图中分别绘制由中心到齿轮齿顶中点及中心到齿根中点的中心线, 并绘制齿轮分度圆。装配时选择分别属于两齿轮的上述两线重合, 即啮合时保证一齿轮的齿廓插入另一齿轮的齿槽, 使齿轮保持正确的初始啮合位置;如图1 所示。 (4) 压缩该重合配合, 选择插入/ 配合/ 机械配合/ 齿轮, 选择齿轮分度圆弧, 系统自动出现两齿轮传动比率, 回车确定完成机械配合。如图1 所示。
完成后的齿轮机械配合初始位置准确, 保证齿轮正确啮合及动画仿真的及后续干涉检查准确性。
3 齿轮油泵运动仿真动画制作
为了能够展示产品的设计方案及运动效果, 需要制作装配体仿真动画。
Solid Works软件能够通过模拟实现机械的各种仿真运动。添加模拟马达、弹簧或引力在装配体的原动件上, 通过各零件的装配关系使从动件随之运动起来, 观察机构的运动效果, 实现装配体的运动仿真。
下面以齿轮油泵主动轴旋转运动为例介绍装配体工作原理及仿真动画的制作方法。
齿轮油泵主动轴通过键或销连接齿轮带动主动齿轮旋转, 主动齿轮通过齿轮啮合带动从动齿轮动, 从而引起齿轮两侧体积变化产生压力差, 体积增大一侧压力降低, 从进油口吸油进入泵腔内。随着齿轮的转动, 齿槽中的油不断沿运动方向被轮齿带出油口一侧, 高压油从出油口送到输油系统中。
通过添加旋转马达给主动齿轮的方法模拟运动。具体方法:单击装配体文件主界面下侧运动算例1, 单击马达图标, 系统弹出“马达”对话框, 马达类型选择旋转马达 (R) , 马达位置选择主动齿轮, 选定旋转方向, 相对此项而移动的零部件选择从动齿轮, 运动选项选择等速, 设定转速大小, 单击确定, 马达添加完成。
选择播放或从头播放按钮即可看到齿轮周而复始的旋转情况, 完成动画制作, 单击保存动画按钮即可将动画保存为AVI或其他类型文件。用普通的播放软件就能看制作的动画。
其他类型的动画模拟方法基本类似, 比如液压活塞的往复运动可以添加线性马达来实现, 设计者都可以参照以上方法制作完成。
4 拆卸与安装仿真动画的制作
产品的仿真拆卸与安装可以让用户了解产品的内部结构以及零件之间的装配及连接关系。Solid Works软件可以使用户在软件的虚拟环境下体验真实的拆卸和安装过程。通过生成装配体的爆炸视图可以实现装配体装拆的动态仿真。
Solid Works软件建立爆炸视图具体方法如下: 单击主菜单“插入/ 爆炸视图”, 打开“爆炸”属性管理器。在装配体上单击要爆炸的零件, 此时被选中的零件高亮显示, 同时出现一个设置移动方向的坐标系, 单击坐标上的箭头, 确定爆炸方向, 直接拖至理想位置, 或者在“爆炸”属性管理器中的“设定”面板中输入爆炸距离, 单击“应用” 按钮, 预览爆炸效果, 调整满意后单击“完成”。重复上述步骤, 合理灵活地选择每个零件的爆炸顺序、爆炸方向和爆炸距离, 逐一按拆卸顺序生成每个零件的爆炸操作, 这样可能使拆装动画效果更逼真。
完成爆炸视图后, 右键单击设计管理树中装配体名称, 在弹出的菜单中单击“动画解除爆炸”, “动画控制器”运动管理器, 选择正常模式可以观察的安装动画, 循环模式或以周而复始观察安装动画, 选择往复模式那么安装与拆卸动画将会交替进行。如图2 所示。
点击“保存动画”按钮, 弹出“保存动画到文件”对话框, 选择文件类型及路径, 将拆装动画保存为AVI或其它文件类型, 可以使观看者用普通的播放软件观看动画效果, 方便观察者学习和交流。
5 结束语
以Solid Works作为设计平台, 可以进行零件实体建模和虚拟装配, 制作装拆过程的仿真动画, 进行装配体干涉检查, 完成检查设计功能和性能等一系列任务。越来越多的工程师使用Solid Works, 大大简化机械产品设计的开发过程, 减少设计中的错误, 提高产品的设计质量, 使产品快速高效的投向市场, 值得在校生和设计师进一步研究和推广。
参考文献
[1]王骞.基于Solid Works的齿轮参数化实体模型设计[M].武昌工学院, 2012 (05) .
三维建模与仿真分析 篇8
关键词：生物建模,粒子动态,动力学系统
1 生物建模技术的数据源
计算机仿真技术平台系统从各个角度, 不同路径设置, 形象地展示集声音、粒子动画方案的设计效果展示。使客户可以身临其境的在三维虚拟空间感受到方案完成后的动态效果, 有利于更加清晰的规划方案, 确定方案的合理性与可行性。
针对几何对象的设置方案和无缝编辑的生物建模技术的分类研究。
创建对象的几何模型分为stand primitie与extended primitie两种创建方式为几何模型对象内部所固有的有着几何性质的可编辑的抽象模型, 它们也可以作为基础模型辅助高级模型的创建, 其精度线段细分都可以通过修改面板进行调节。几何模型所表现的属性性质可分为子层级, 子层级内部可以分层编辑修改, 最终完成基础模型的创建工作, 修改包括三维几何体对象的基本点、线、面、多边形形态的子层级, 反映几何体对象的面层级的特点;在三维仿真平台系统应用中体现要求的说明信息等。
2 三维建模的技术分类
我们通过不同的设计方案完成初步草图的设定, 以及建筑模型的平面、立面设计, 或是应用图形图像资源库中的标准几何体来完成初始模型的创建工作。细致模型的创建需要通过无缝编辑的生物模型来完成, 或是根据不同的造型结构, 通过物体合成命令来完成建筑模型的最终创建工作。建筑的不同环境效果和不同材质的划分以模型的不同面的表现来区分, 并根据不同的分隔面来设置不同的ID号码, 通过不同的ID号码由系统来区分不同的材质连接属性。
目前, 根据模型的分类差异, 三维建模在计算机仿真领域中技术上分为几何建模类型和动态建模类型。
3 静态三维模型库数据的获取
模型库建立的难度主要在三维模型建模的精模与低模的转化过程, 在三维模型创建之前, 首先需要数字资源的收集整理, 主要包括DWG地图和地形的测量数据、航拍、设计图纸、以及常用模型的数据资源等数据资料。三维仿真系统中建立模型资源库, 针对静态三维模型而创建的, 为了方便静态模型资源的重复利用, 以及方便静态模型的资源管理和模型信息升级, 因此设置模型信息分类存储。
静态模型资源库大致分为以下几类:建筑三维模型以及公共设施附属模型:地标性建筑模型;交通设施模型;公共模型设施;绿化植被模型;水体模型;景观及游乐设施;模型库资源的建立主要是由Auto CAD和3DSMAX来完成的。
在Auto CAD中完成三维场景的平面图创建后, 将其导入3 DSMAX中, 进行地面模型的创建, 并且分割地形、地势, 以便之后三维模型的面数与贴图的赋予不产生面的轴向UV问题。应用3DSMAX进行初使模型的创建, 由于造型能力强, 并且可以很好的与仿真软件进行模型的应用导入, 因此常用于虚拟仿真的三维建模部分, 模型有很强的仿真立体效果。植物模型的创建, 一般植物建模通常面数很高, 也就产生了数据量的问题, 因此现今植物建模的各种效果展示中真正的植物模型应用比较少, 通常是应用大量的以面为单位的植物贴图以达到场景中需要的视觉效果, 尤其是应用通道透明贴图。三维模型创建完成后, 通过三维仿真资源数据库进行管理和操作的。
三维模型资源库将模型分为:高精度模型、中精度模型、低精度模型, 方便三维仿真场景中对于近景、中景、远景的不同需求, 当摄影机跟随路径约束到视图远景时, 所显示的模型为低精度模型, 如此可以大量的节省场景中模型的计算量, 以达到实时交互的刷新频率要求;当摄影机跟随路径约束到视图近景时, 所显示的模型为高精度模型, 保证了实时交互, 对三维场景中的近景模型的高精度的视觉要求。三维场景数据库的模型资源表现了真实环境中的建筑模型合并到虚拟三维场景中的细节效果反应, 包括三维场景中的天空作为一个球天模型的环境贴图对建筑模型群体的色彩影响。
4 粒子动态现象的建模
计算机仿真技术在虚拟环境中, 创建静态的三维几何体模型的交互效果显示, 对于实时仿真来说是无法满足用户的视觉显示效果要求的, 三维物体的性质还涉及动态模型的应用, 从三维物体运动的位置改变、以及物体之间的相互碰撞、三维模型的角度捕获、物体的缩放变形、以及三维模型的子层集表面变形等等。我们以视图坐标为中心, 以运动的物体自身坐标进行轴向的运动变化。三维场景中的每个对象都有一个自身坐标, 物体可以以自身为轴向进行运动, 这样的坐标称为自身坐标系统。这个坐标系统的位置随物体的移动、旋转、缩放而改变。通过关键帧的设置, 完成需要的动态模型创建。
针对三维场景还有一个世界坐标, 场景中的所有建筑模型都遵从于这个世界坐标。通常动态现象建模应用粒子系统, 以及动力学系统, 表现水景、云雾、风、火焰等, 水体模型建造在地形变化中起着重要的作用, 同时是建筑表现效果的重要内容, 场景实时渲染的要求, 通常应用粒子系统完成水景动态特效后输出动态文件, 再将其以贴图纹理的方式附予场景中的建立好的面片中。虚拟对象reactor的空间绑定, 这是配合粒子系统的动力学系统, 属于物理建模方式, 通过对于虚拟物体的空间绑定, 确定reactor的质量、重量、摩擦力、惯性, 以及物体的反弹参数值等等, 这些特性与三维建模及其虚拟仿真平台结合起来, 形成一个虚拟模型空间。
3.3信息化办公
普通工作人员在工作过程中也可以用到数字证书。办公人员的工作内容大致包括交流信息、收发文件、共享资源、管理财务等[5]。数字证书的强力加密功能在核心信息保护上表现出很高的优越性, 若工作单位电脑被黑客袭击、同行窃取资料或不法分子盗窃信息等情况, 及时电脑密码被破译, 也不至于丢失核心信息或重要财务数据, 造成重大损失。在员工的管理上, 由于数字证书的身份识别系统, 使各个员工各司其职, 降低了工作失误的发生率, 工作效率大为提高, 节约了人力资源。故而也不会出现权限越级现象, 够很好的达到信息保密、有效管理、限制权限等各项工作要求。
参考文献
[1]曾金发.虚拟现实复杂场景生成简化和优化技术研究[D].南京理工大学, 2004.
[2]张文君.城市规划中虚拟现实景观设计及其应用展望[J].计算机工程与应用, 2005 (35) .
[3]唐世林.电站计算机仿真技术[J].科学出版社, 1996.
CCD噪声建模与仿真分析 篇9
电荷耦合器件CCD(charge coupled devices)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体器件.由于其具有自扫描、高分辨率、易与计算机连接等特点,以及噪声低、动态范围大、量子效率高、电荷转移效率高、光谱响应范围宽、几何稳定性好等突出优点,使得其作为一种自扫描式光电接收器件,广泛应用于工业监控、非接触测量、PC、多媒体技术、天文观测、图像识别、可视通信等领域[1].在CCD采集系统中,CCD图像传感器输出的信号是一组空间采样离散的模拟信号,其中夹杂着各种噪声和干扰.首先介绍了CCD 的噪声来源与分类、以及传统的降噪措施,接着重点分析了复位噪声,并介绍数字域滤波算法对复位噪声的抑制,以及通过数学仿真软件MATLAB,建立CCD噪声分析平台,分析带有复位噪声的视频信号.
1 CCD噪声来源
噪声概括起来主要包括以下几种[2,3]:光子散粒噪声、复位噪声、暗电流噪声、模式噪声、1/f 噪声、宽带白噪声及量化噪声;其中模式噪声分为固定模式噪声和像元响应不均匀性噪声2种;1/f噪声、宽带白噪声均属于放大电路引入的噪声,因此根据放大电路是否在CCD 内部,将其分为片上放大器噪声和片外放大器噪声2种.光子散粒噪声、复位噪声、暗电流噪声、模式噪声及片上放大器噪声是由CCD 探测器本身引入;而片外放大器噪声和量化噪声是在CCD 视频处理链路中引入的.CCD 相机系统噪声模型及各噪声引入示意图如图1 所示.
由于光子噪声是不能消除的系统噪声,暗电流噪声可以采用制冷技术将其降低到可以忽略的程度,固定模式噪声可以采用制冷和定标技术将其消除,采用高分辨率A/D转换器可以减小量化噪声,而对于复位噪声和1/f噪声等读出噪声,即使采用目前广泛应用的相关双采样技术(correlated double sampling)[1]也只能将其减小到十分之一左右,而这十分之一通常是决定光学探测器噪声水平的主要因素.因而,必须考虑进一步减小读出噪声的新思路和新途径,以提高光学探测器的动态范围和对弱目标的探测能力.
2 CCD读出噪声抑制
2.1 复位噪声的来源
读出噪声中的复位噪声与CCD的输出结构有密切关系,主要由CCD输出级复位的电阻热噪声所引起.典型的CCD浮置扩散输出结构如图2所示,其中复位管的等效RC电路如图3所示.
在图2中,每一次信号的读取都以单个电荷包的形式出现在放大器的栅节点A上.每个信号电荷包产生的电压变化被读出后,输出管T的栅节点需加以复位.当复位脉冲到来时,复位管导通,Ron为导通时的电阻,它所产生的电阻热噪声加在电容Cs的两端,使输出的视频信号中引入了复位噪声,由于复位脉冲周期t≫Ron×Cs,故此时栅节点A的复位噪声电压均方值为
式中,K为波尔兹曼常数,K =1.38×10-23 J/K;T为CCD的工作温度[1].当复位脉冲过去后,复位管截止,截止沟道电阻为Roff,此时Cs处于放电状态,此时既要考虑复位噪声按RoffCs 时间常数在Cs 上充电,又要考虑缓慢放电.又因为充电作用近似为零,于是可以认为此时栅节点处的复位噪声电压均方值为
从式(2)可以看出,当读出速率很慢时(大约20 kHz),在一个像元时钟周期内,复位噪声在复位脉冲过去后,在慢输出速率下,KTC噪声值是逐渐衰减的,所以,此时传统的相关双采样技术(CDS)并不能很好地抑制复位噪声.
2.2 片上放大噪声
除了复位管构成的复位电路引入到复位噪声外,由图2 可以看出还包括由输出MOSFET管T以及负载电阻RL构成的输出放大电路,该输出放大电路会引入低频1/f噪声和白噪声,综合考虑1/f噪声和白噪声2个噪声源,可以得到片上输出放大器的噪声方程如式(3)所示
其中,Vnw为白噪声电平;fknee为转角频率(即当1/f 噪声功率等于白噪声功率时的频率); △f 为输出放大电路的噪声等效带宽,它与像元读出频率成正比.片上输出放大器噪声实际即为CCD器件手册上通常给出的读出噪声.
2.3 噪声抑制技术
针对复位噪声的特点,当前降低CCD读出噪声水平的主要技术措施有2种:电子倍增技术[4,5]和相关双采样(CDS)技术.电子倍增技术的原理是在CCD芯片内部采用电子倍增技术将读出之前的光电荷放大较高的倍数,从而将读出噪声减小到亚电子水平,E2V公司和TI公司有采用该技术的产品,但产品种类有限,大信号时信噪比常规技术的CCD差.相关双采样(CDS)技术是目前比较通用的和最主要的CCD噪声抑制技术,自20世纪70年代提出以来一直被广泛采用,其原理是利用复位噪声的缓变特性,采用相关处理技术将其抑制,它有多种实现形式,但都是模拟实现,其频域特性对于CCD信号噪声特性而言不是最佳的,因而其抑制噪声的能力限制在十分之一左右.
为了突破传统相关双采样(CDS)技术的技术瓶颈,必须考虑新的解决方案.一种可行的思路是:借鉴软件无线电技术的概念,利用高速高分辨率A/D转换器以远高于读出速率的采样频率将CCD视频信号数字化,然后针对CCD信号读出噪声的特性设计最优的数字信号处理算法,将噪声抑制到亚电子水平,当前大规模集成电路技术尤其是高速高分辨率A/D转换器技术和数字信号处理技术为这一新思路的实现提供了技术基础.该新技术相对EMCCD技术具有更强的通用性,不仅能减小CCD读出噪声,而且也为用高速低分辨率ADC实现低速高分辨(16 bit)要求提供了一种技术途径.
为此,文献[6]提出了一种权值滤波的方案,通过分析CCD输出信号的特点,发现CCD输出信号在一个像元周期内,参考电平和像元输出附近采样数据的相关性明显比其两边较远处的高得多,也就是说,此处的采样点包含了更多的有用信息,所以对该处的采样数据赋予更大的权值可以有效抑制输出噪声.这样对一个像元周期内的采样数据赋予的权值近似高斯概率分布函数的钟形,为了达到数字CDS 的效果,其中前一半参考电平采样值的权值系数取负值.具体算法如下
式中,si是第i个采样值;αi为第i个采样点的加权系数,而且αi=α2n+1-i.一个像元周期内采样2n 个数据,其中前n 个是参考电平的采样点数.实际应用中式(4)还可以再简化,即给前n个加权系数取负值,简化为
其中,ωi=-ω2n+1-i,实验中用到的一组高斯形权值数据数值分布图如图4所示.
对CCD输出的像元数据直接采样,并进行权值滤波,既可以得到模拟CDS的效果,又可以省去实际中CDS电路引入的噪声,从而可以提高信号的信噪比.
2.4 数字滤波模拟实现
2.4.1 频域滤波实现
文中重点介绍视频信号噪声的频域处理方法,首先在数学仿真软件MATLAB中建立CCD噪声分析平台,该平台操作界面如图6 所示,通过此模拟平台,不但可以很方便地模拟出传统CDS技术对复位噪声的抑制效果,还可以分析视频信号的频谱特性,典型视频信号如图5所示,复位噪声在复位管导通阶段,其噪声电压的均方值为KT/Cs,在复位管截止阶段,由式(2)可知复位噪声按指数衰减,其频谱只与复位管截止电阻(Roff)和Cs有关,所以基本不会变化.而CCD的读出噪声为高斯白噪声,分布于整个频谱,但一般读出噪声都很小,只有几个电子,所以可以通过频域滤波的方法消除复位噪声,同时也能减小高斯白噪声.
具体方法为:直接对每个像元采样,经过快速傅里叶变换,在频域进行滤波.通过此仿真平台,可以修改各种参数,如:复位管截止电阻Roff、工作温度T、像元读出频率、每个像元的采样点数,以及不同CCD的输出响应度和读出噪声电子数.然后改变像元的输出峰值和CCD的读出噪声电子数,分析复位噪声和高斯白噪声对滤波结果的影响.文中以E2V公司的CCD47-20 AIMO为例,其读出噪声在20 kHz时为2e-,输出响应度为4.5 uv/e-,读出噪声电子数为2e-.由输出响应度可计算出Cs=35.6 fF.通过仿真分析,可以得出频域滤波能更好地抑制噪声.
2.4.2 高斯权值滤波器仿真
通过以上对复位噪声的定量分析可得,高斯权值滤波不仅比传统的相关双采样(CDS)技术能更有效地抑制复位噪声,而且由于完全在数字信号下处理,也就不会再引入其他电路噪声.通过此噪声分析平台在不同工作频率和不同的采样点数下,可得出一组最佳的高斯滤波权值.对CCD47-20 AIMO 的实验结果可以看出,在读出频率20 kHz时,数字域下的高斯权值滤波能够很好地抑制复位噪声,如图6中的坐标轴-1所示,比传统CDS技术达到更好地抑制噪声效果.
3 结 束 语
虽然在高速输出应用场合,相关双采样技术(CDS)能够很好地抑制CCD复位噪声,但随着DSP、FPGA等大规模集成电路的发展和模数转换器性能的进一步提高,以及各种新算法的出现,使得数字域对信号处理的灵活性和实时性越来越可行.分析了CCD各种噪声来源及其特性,特别在天文观测这种弱光照、低输出速率应用时,研究了针对CCD的主要噪声复位噪声抑制的滤波算法,在MATLAB中建立CCD 噪声产生与分析平台,并以CCD47-20AIMO为例,分析比较了不同滤波方法的结果,为后续实际电路的设计提供依据.
摘要：为了提高在弱光照下电荷藕合器件图像传感器CCD(charge coupled device)工作性能,分析了传统相关双采样(correlated double sampling)技术的不足,介绍了在数字域对CCD读出噪声抑制的方法.首先,分析了CCD的各种噪声源,然后在MATLAB中建立CCD噪声的产生与分析平台.由此平台的分析结果可以看出,在弱光照、低频输出速率情况下,能为实际数字滤波电路设计出合适的数字滤波器.因此,在数字域处理CCD噪声,不仅没有引入其他电路噪声,而且比传统方法能更好地抑制复位噪声.
关键词：电荷藕合器件,噪声分析,数字滤波器,离散傅里叶变换
参考文献
[1]佟首峰,阮锦,郝志航.CCD图像传感器降噪技术的研究[J].光学精密工程,2000,8(2):140-145.
[2]王书宏,胡谋法,陈曾平.天文CCD相机的噪声分析与信噪比模型的研究[J].半导体光电,2007,28(5):731-734.
[3]李云飞,李敏杰,司国良,等.TDI-CCD图像传感器的噪声分析与处理[J].光学精密工程,2007,15(8):1196-1202.
[4]张闻文,陈钱.电子倍增CCD噪音特性研究[J].光子学报,2009,38(4):756-760.
[5]唐红民,魏宏刚,廖胜.电子倍增CCD(EMCCD)的噪声特性分析[J].应用光学,2009,30(3):386-390.
[6]Gach J L,Darson D,Guillaume C M,et al.A new digitalCCD readout technique for ultra-low-noise CCDs[J].TheAstronomical Society of the Pacific,2003,115(9):1 068-1 071.
车辆平顺性建模与仿真分析 篇10
汽车平顺性是指汽车在一定速度范围内行驶时保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉以及保持所运货物完好无损的性能[1]。汽车平顺性研究的本质是研究“路面—车—人”构成的振动系统[2],使汽车振动系统在给定“输入”下的“输出”限制在一定界限范围内,确保乘员具有良好的舒适性[3]。某型号专用车在低速行驶时主要担负某装备的运输保障任务,在较高车速下行驶时主要担负各种路面条件下运送人员、物资和器材的任务,相应地对车辆本身的行驶平顺性提出了较高的要求。
在给出某型号专用车的总体结构以及技术特点的基础上,应用多体动力学理论及ADAMS软件进行车辆建模和运动学仿真分析,为车辆的优化设计提供理论和试验依据。
1 总体结构及技术特点
1.1 总体结构
该车发动机前置,长头驾驶室结构,单排座,双侧门;变速箱中置,3个前进挡和一个倒退挡,传动形式为液力传动,能随着外负荷的变化而相应改变其输出扭矩和转速,而且能够吸收和消除来自发动机和外负荷对传动系统的冲击振动;分时四轮驱动,前后桥带机械式差速锁;前悬挂采用双摆臂扭杆弹簧独立悬挂,后悬挂采用二级变刚度钢板弹簧悬挂;制动系采用液压制动、独立双管路系统,前盘式制动器、后鼓式制动器;转向系采用齿轮齿条式转向器;车厢为敞开式,便于运送人员和机具、器材等物资。整车结构如图1所示。
1.2 技术特点
由于该车担负的特殊保障任务,要求该车起动、变速、制动平稳可靠,故传动系统采用了液力传动形式,设计行驶速度较低;同时,还要考虑运载人员、物资和器材的日常勤务保障功能,因此,又要以相对较高的车速在各种路面下行驶,并具有较好的平顺性。
2 车辆参数与试验
2.1 车辆基础数据
车辆外形尺寸、质量参数等基础数据:
外形尺寸(长×宽×高)/mm:5 063×1 970×1 860
空载状态:
整备质量/kg: 3 500
前轴承载质量/kg:1 550
后轴承载质量/kg:1 950
左侧承载质量/kg:1 750
右侧承载质量/kg:1 750
前轴负荷率/%:44.3
质心至后轴中心线/mm:1 346.5
质心距纵轴中心线距离/mm:0
质心高度/mm:553.3
模拟满载状态:
总质量/kg: 4 700
前轴承载质量/kg: 2 050
后轴承载质量/kg: 2 650
左侧承载质量/kg: 2 350
右侧承载质量/kg: 2 350
前轴负荷率/%:43.6
质心至后轴中心线距离/mm:1 326.0
质心距纵轴中心线距离/mm:0
2.2 脉冲路面试验
按照GB/T4970-2009“汽车平顺性试验方法[4]”,对车辆进行试验,根据测得的数据进行车辆平顺性评价,试验现场如图2所示。
试验路面为GB7031-2005“机械振动道路路面谱测量数据报告”中规定的B级路面;测量试验仪器包括加速度传感器(3个)、数据放大器、数据采集仪、车速仪和四通道滤波器等。
脉冲输入行驶车速分别为10,20,30,40,50 ,60km/h。脉冲试验用三角块高度为40mm,宽度大于轮宽,脉冲块横向中心距为前后轮轮距平均值,纵向直线距离为24.6m。
在车辆上安装加速度测试传感器的位置点分别为座椅椅垫上方、座椅靠背、脚部地板和车厢地板共4个位置。
2.3 脉冲路面试验结果
座椅垫上方、座椅靠背、脚部地板和车厢底板4个测试点处的加权加速度比较曲线如图3所示;加权加速度空间分布曲线如图4所示;加权加速度三维曲面如图5所示。图6为座椅垫上方平顺性,图7为脚部地板平顺性,图8为座椅靠背处平顺性,图9为车厢地板处平顺性。
由图3～图5的曲线分布可知,4个测试点中,座椅垫上方的加权加速度值最低,车厢地板处加权加速度值较低,垂向振动经过座椅垫有一定的衰减作用;座椅靠背处与车厢地板处的加速度值比较大,车厢地板处直接承受底盘传递过来的振动,振动较大,座椅靠背处振动最大。有必要考虑改进结构参数,提高整车的行驶平顺性。
由图6～图9的平顺性评价可知,当车速达到30km/h时,座椅靠背处、车厢地板处最先达到“比较不舒服”,可以考虑改进座椅结构和车厢结构,增加减振效果;当车速达到50km/h时,座椅垫上方、脚部地板处,乘员主观感受均达到“比较不舒适”,可以考虑在这两个位置点通过增加减振措施或优化悬挂系统结构来提高舒适性。
3 路面模型
汽车的平顺性研究针对“路面-车-人”构成的振动系统,系统的输入是路面纵剖面的变化,再经过轮胎、悬架和座椅垫等弹性元件滤波后传到人体,人体对振动的反应为系统的输出。车辆振动输入主要与路面不平度和车速有关[5]。
根据GB/T4970-2009汽车平顺性试验方法,建立用于汽车平顺性仿真的脉冲路面,如图10所示。
图11将脉冲路面模型左右轮相干函数模拟值和理论值进行了比较。从图11中曲线可以看出,左右轮的相干函数与理论相吻合,表明仿真设计的四轮相关脉冲路面模型可靠。
4 车辆建模
利用ADAMS软件分5个步骤建立整车模型:①对整车的运动部件、约束等进行简化抽象,获取模型的运动学参数;②建立运动学模型并校验模型的正确性[6];③获取模型的动力学参数,定义模型中部件、铰链与弹性及外界条件的特性;④建立动力学模型,验证动力学模型并进行调整;⑤对模型进行仿真[7],对仿真结果进行后期处理。
利用 ADAMS/Car建立该车前后悬架刚体、转向系、传动系、横向稳定杆等子系统模型,并将子系统模型进行装配得到整车模型如图12所示。总体坐标系原点为汽车左右对称面与前轮旋转轴线的交点,X轴平行于地面指向汽车行驶的反方向,Y轴指向汽车行驶方向的右侧,Z轴方向为竖直向上。
5 仿真分析
应用ADAMS建立的整车模型在脉冲路面下以50km/h的车速行驶,对脚部底板、座椅垫上方、座椅靠背、车厢底板处进行仿真并对结果进行分析,4个测点处的加速度曲线和功率谱曲线如图13～图20所示。
当试验车速为50km/h时,由4个测点的加速度曲线可知,车厢地板处的加速度最大,座椅靠背处加速度较大,脚部地板处加速度较小,座椅垫处加速度最小;由4个测点的功率谱曲线可知,脚部地板振动峰值在10Hz处,座椅垫上方振动峰值在4Hz左右,座椅靠处振动峰值在10Hz左右,车厢地板振动峰值在12Hz左右。因此,为了改善整车的行驶平顺性,首先要对车辆的悬挂系统参数进行优化,其次是对座椅靠背和车厢地板的结构和参数进行优化设计,以减小对车辆由于地面不平产生振动的响应频率和幅值。
6 结论
1)实车试验结果表明,在车速30km/h以下时,该车的平顺性较好;当车速超过30km/h时,各测点的加权加速度显著增加,该车的行驶平顺性明显降低,需进行优化改进。
2)仿真分析结果表明,当车速为50km/h时,各测点的加速度变化情况与实车试验结果基本一致,证明车辆仿真分析模型正确。
3)由4个测点的功率谱曲线可知,加权加速度较大的座椅靠背和车厢地板处的振动峰值出现在10～12Hz左右。因此,在下一步的优化设计中应重点考虑对上述两个测点的部件结构和参数进行优化设计。
参考文献
[1]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]王其东,乔明侠,梅奋永.汽车随机路面输入平顺性的仿真分析[J].合肥工业大学学报,2005,28(4):347-350.
[3]倪晋尚,阮米庆.车辆的平顺性优化及仿真试验[J].现代机械,2006(2):8-10.
[4]马广发,赵六奇,卢士富.GB/T4970-2009《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》[M].北京:中国标准出版社,2010.
[5]李双艳,秦芳,丁丰梅.基于虚拟样机的整车平顺性仿真分析[J].甘肃科技,2009,25(3):83-85.
[6]卢少波,徐中明,张志飞,等.基于ADAMS的摩托车平顺性虚拟试验研究[J].计算机仿真,2007,24(3):250-253.
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