计算机三维仿真技术范文第1篇

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AutoCAD和3DSMAX来完成的。

在 AutoCAD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。

5 结论

三维场景中的物理建模涉及到动力学系统,是虚拟现实系统中比较高层次的模型创建，因为它需要物理学中动力学和重力系统与计算机图形学相结合，涉及到动力学系统中力的作用问题，主要是三维模型的重力、摩擦力、反弹值。

除了人机交互中相互作用的系统程序应用外,还有在计算机模拟三维仿真系统平台中所呈现的粒子系统和动力学系统，创建粒子系统的动画运动行为模型。使得虚拟仿真系统平台可以自主性控制，也就是设定场景的动态信息后,用户不与之交互,指三维物体的活动变化以及周围环境和其它运动实体模型之间的动态关系，比如风效、雨景特效等，它们不受用户的输入控制（也就是说用户不与之交互）。

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).

计算机三维仿真技术范文第2篇

【关键词】载运工具运用工程 研究生仿真训练 汽车综合仿真

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0161-01

随着计算机技术和专业仿真技术的发展，要求汽车生产企业在设计研发阶段要加快进度。在这样新的形势下，对高校机械相关专业研究生培养提出了更高的要求：不仅要求研究生掌握数学、力学、机械、电子电工等传统基础课程知识，同时还要掌握现代设计方法，会运用成熟的专业仿真计算软件进行建模与优化设计。一个只懂得用传统机械设计方法进行设计计算、并根据计算结果作机械零部件图的学生，已经远远不能满足现代企业的需求。

我校载运工具运用工程学科，在充分利用中央地方共建资金和交通运输部建设资金基础上，建立了独立的载运工具运用工程仿真实验室。目前该仿真实验室有服务器一台、工作电脑20台。购买了Hyper-mesh、AVL-FIRE、GT-suite等专业仿真软件。本综合仿真实验项目通过利用这些专业仿真软件，分步骤、分阶段进行模拟仿真训练，在研究生开题之前，将课题研究中所用专业软件和基本技能训练一遍。下面以“汽车综合仿真实验项目”为例，将综合仿真实验项目分解为三个子训练项目，说明整个训练项目的流程。

一、发动机燃烧室三维设计仿真训练项目

本训练项目利用Hyper-mesh软件建立发动机整机三维模型，主要是包括燃烧室和进气道部分。然后将发动机燃烧室及进排气道模型分离出来。对燃烧室模型进行网格划分，进行缸内三维仿真计算，可以得到燃烧放热规律及缸压曲线。在进行改进设计过程中，可以对气道、活塞、凸轮轴（配气相位）等零部件进行优化设计。利用缸内三维仿真模型还可以进行气道流动仿真计算。特别针对带有进排气气道的燃烧室模型，可以对凸轮轴进行优化设计，开展进气流量、发动机回火等问题的研究。

本项目要求学生能够熟练掌握三维模型分离技术、掌握网格划分技术、初步掌握三维仿真的理论基础和三维仿真分析能力。

二、发动机整机性能仿真训练项目

在本训练项目中，首先获取发动机整机性能仿真所需要的基本几何参数数据，利用GT-POWER软件建立发动机整机仿真计算模型。在模型中，输入发动机管路及缸内几何尺寸、发动机点火顺序、气门升程曲线、摩擦功曲线、过量空气系数及边界等条件，将训练1中所得到的发动机燃烧放热规律带入到整机模型中，进行整机性能仿真计算。根据不同转速和不同负荷条件设置一系列计算工况，计算发动机在不同工况条件下的动力性、经济性，可以得到发动机的外特性曲线和万有特性图。

本训练项目要求学生掌握发动机整机仿真模型的建模方法，理解模型中参数的物理意义，掌握vibe等燃烧模型的设置方法。能够根据发动机不同工况对燃烧放热规律进行合理调节，得到精确合理的计算结果。

三、整车性能仿真训练项目

根据某整车的基本结构，简化物理模型，从GT-DRIVE的模板中选用复合模块、控制模块、连接模块、传感器及执行器模块等，搭建仿真模型，建立汽车系统的各总成和部件的机械连接和信号连接，并对各部件和总成进行参数化处理，完成整车建模。然后进行仿真计算得到各个挡位下的加速度、最大爬坡度、最高车速、最大功率等整车动力性指标和百公里油耗等经济性指标。可以进一步加深学生对动力传动一体化研究的认识。

本项目要求学生在掌握汽车基本结构和电控基本知识的基础上，掌握整车仿真建模方法、能够根据不同的设计目标进行仿真计算，并能够对计算结果进行分析。

四、小结

汽车综合仿真实验项目包含了发动机零部件优化设计、发动机缸内三维仿真于燃烧排放特性分析、发动机整机性能仿真分析、整车动力传动性能仿真等一系列优化设计与仿真的子训练项目。即使不能让每个学生全都做一遍，但通过团队合作，将与本学科领域相关的学生分组，可以分解完成每个子项目。既可以让学生充分认识仿真技术在汽车现代化设计中的作用，又锻炼了学生开展实际项目的科研能力和团队合作能力。

参考文献：

[1] 高琪瑞，李东海.能源动力仿真实验教学系统设计与应用[J].，实验技术与管理，2006.05.

[2] 杨秉耀，刘丽葵.加强研究生实验技能培训的研究[J].实验室研究与探索，2009.6.

计算机三维仿真技术范文第3篇

关键词：变电站 三维仿真系统 仿真场景

中图分类号： TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在电力系统的输送配电过程中，变电所是其重要环节，适用于调整电压的场所。其运行操作随着变电站系统不断发展，其自动化进程也趋于复杂，也使得对工作人员业务熟练程度及技术水平的要求越来越高。在系统实际运行中，因变电站系统具有特殊性，难以对工作人员开展培训工作。现如今仿真培训系统主要有两种：软件仿真与物理仿真模式。软件仿真主要是对现场录像、实体图片、平面接线图与数据图表等进行仿真，其过程沉浸感较为缺乏。物理仿真主要是依靠于专业设备，但其又具备可移植性较差、系统庞杂与实施时成本略高的缺点。目前，在变电站的仿真培训系统中最为常用的就是三维虚拟变电站的仿真系统，因其具有灵活多变的培训方式，且造价较为低廉，在运行上也较为便捷，在三维虚拟的变电站仿真系统中培训，其培训过程存在较强沉浸感与真实感。此外，虚拟现实仿真技术的实现不仅需对电气设备几何模型进行建模，建模中还需加入对变电站周围环境的仿真模拟。

1国内外对三维变电站仿真系统的研究现状

在电力系统中，电厂仿真培训首先对仿真培训系统进行了运用，变电站的仿真培训也因电网调度的仿真培训而逐渐展开。计算机技术的应用与发展，促使变电站的仿真培训系统也逐渐发展起来，其发展进程由于变电站中自动化水平的提高而起到了推动作用。

20世纪60年代～70年代左右，电力系统仿真培训系统兴起并在火电厂中被应用，之后随着发展其范围扩增至变电站及电网的培训中。早期的火电培训仿真机投入使用于日本及英国与美国，最具代表性的为日本的关西电力公司“变配电的技术培训中心”的建立。我国首套火电仿机组的研发建立时间为1982年，变电站及电网仿真培训系统直至80年代末期才开始建立。我国首套DTS为东北电网仿真系统，研制时间为1990年。早期应用的变电站的仿真系统由于其运行操作较为简便，变电站的数量增大，但容量较小，再加上自动化的水平过低，从而导致其应用的效率不高。

2三维变电站的仿真系统研究成果

通过研究三维建模、计算机图形与仿真场景生成这三种技术，从而使渲染和生成三维仿真场景、环境与变电站设备的建模及二维场景保存与绘制得到实现。三维场景图漫游与渲染、场景图由二维向三维的转变通过OSG技术都得以实现。通过研究应用系统子模型，三维变电站的仿真场景实现优化，具体研究如下。

2.1变电站中其设备建模的实现

电压互感器、变压器、隔离开关及电路器等组成了变电站设备。用三维方式将变电站设备的仿真场景进行表示。通过对三维建模技术研究，变电站的设备建模是使用 ， 的模型文件是通过 的插件将其以IVE三维格式导出，在OSG的编程中可方便调用。

2.2绘制二维变电站的场景图

变电站周围的建筑环境与其各设备表示为二维图元，图元的编辑操作与其绘制使利用MFC所封装各类的绘图函数来进行的。读写操作是通过二维图形文件的格式研究，在设计中将二维场景图的文件格式与文件存储设置成自定义来实现的。

2.3生成三维变电站的场景图

通过研究现有仿真的生成技术，三维变电站其场景图的设计是通过OSG技术来实现的，在这一过程中还对变电站的场景图由二维向三维转换得以实现，由此证明，生成三维变电站的场景图是以其二维场景图为基础的。

2.4渲染三维变电站的仿真场景

渲染三维变电站的仿真场景实现是利用OSG技术，在此过程中还实现了场景的碰撞检测与漫游等。通过研究粒子系统，使其仿真场景天气模拟得以实现（如雪与雾及雨、风等），使模拟效果更为逼真。

3什么是三维仿真场景

通过对现实环境形象的三维模拟技术，在虚拟场景中，用户可对于其中的信息进行查询与预览，还可对虚拟物体进行场景交互的操纵，使用户在使用过程中仿佛身临其境，无需处于真实环境中即可有相同效果的感受。三维的仿真场景涉及多门学科，如人工智能、现实虚拟及计算机的图形学等，在人机工程的工作环境、培训及教育等仿真领域中被广泛应用，除此之外，该技术还应用于规划领域、动画的制作领域、建筑领域、产品的展示领域及园林领域等。

4三维仿真场景结构

仿真场景应用于虚拟现实中，一般为是用来描述场景图。三维场景的元素存储就是场景图，在场景中对所有物体与物体相互间的关系有保存作用。本身场景图就属于一种层次结构，其空间的数据集所使用的是自上而下树状结构图，以此为组织形式来达到渲染效率得到提升的目的。

诸多类型不同的节点构成了场景图，物体是由节点表示的。根节点是全部三维的仿真场景图，场景图位于树形结构顶端；场景图最底端为叶节点，物体在场景中实际的几何信息包含其中，叶节点场景效、光源、实体及地形等基本单元构成；组节点位于根节点下一层，包括的控制信息为物体的外观渲染状态及其几何信息，每个组节点与根节点都对子成员拥有零个或者多个（注：组节点为零个子成员，则不对其进行任何的操作），组节点中场景几何体的排列是通过OSG的程序进行的。在此种层次的结构中各节点可准确将其环境中的父子关系与其位置进行描述，在场景图生成前，各图层数据都要分别建模。如图1所示，各节点间与场景图层次结构位置关系。

图1 各节点间与场景图层次结构位置关系

场景图中所包括的节点其功能是不同的，比如说，开关节点 对其子节点的设置作用是可用或不可用，LOD细节的层次节点，其不同子节点的距离调用是依据观察者对其作出的观察决定的， 变换节点可对其几何体坐标根据子节点的改变来对其状态进行更换。所有的节点类都有相同的基类，又各具不同的功能方法，场景图的继承机制，可为节点提供多样性。

5三维仿真技术

通过对计算机技术的使用，生成一个具备触觉、听觉及视觉等包含多种感知、虚拟且逼真的环境，用户可通过虚拟环境中虚拟对象与外设装置的相互作用来体会，此种技术就是三维仿真技术。其技术包括粒子的系统模拟、碰撞检测及包围盒技术。

5.1粒子系统

粒子系统在三维的计算机图形学中，是对某些特定模糊的现象进行模拟的技术。在此系统中，粒子模拟过程通过OSG实现了较为复杂的过程，比如雨天特效、雪天特效及雾天特效等。粒子行为在粒子系统中的控制是通过对其空间的扭曲实现的，对粒子流施加仿真特效的影响，如风力、阻力及重力等，可对天气现象在三维场景中被有效的模拟出来，从而使视觉效果更为逼真。

5.2碰撞检测

碰撞检测随着分布交互及虚拟现实等技术发展，已成为该领域中的热点研究对象。在虚拟的环境中，培训者沉浸感随碰撞检测精度越高而越强，促进虚拟环境中真实性的提高。虚拟场景仿真场景渲染率与实时性受实时碰撞的影响很大，所以，在该领域中，碰撞的检测技术也是难点之一。需要碰撞检测解决的核心问题就是虚拟场景中漫游实时性的保证、算法效率的提高及相交测试中对象数目的减少，碰撞检测基本任务就是确定物体之间（多个或两个）是否有穿透或者接触。碰撞检测的算法有空间分解法与层次包围盒法。这两种算法加速碰撞检测都是通过相交测试的几何数目减少为基本思想的。

5.3包围盒技术

包围盒技术在计算机几何领域与计算机图形学中，在虚拟场景将几何体（简单且规则）对象进行包围，简化其计算方法，以此促进几何运算效率的提高。

5.3.1碰撞检测

判断两个包围盒或者物体包围盒和检测线是否有相交，无相交，物体间则无碰撞发生；相交，则有碰撞发生。

物体在场景中的构建是以实体为依据的，一般几何体为不规则，但物体包围盒的几何体一般都是规则的，因此碰撞检测不对物体本身直接使用，碰撞检测的检测效率提高是通过物体包围盒直接碰撞进行的。

5.3.2光线渲染与跟踪

包线盒用于光线跟踪时，其功能为相交检测，用于渲染算法，则是检测视体。如包线盒与视体或者光线无相交，则盒内物体不相交。物体列表可通过相交检测来获得，如果场景中物体在列表中显示，就说明被栅格化或者渲染。

6结语

三维变电站的仿真场景生成系统，可使其开发周期有效缩短，避免重复性的开发工作，利于开发成本的降低。此外，该仿真场景的实现，不仅提供了高效且安全的培训平台，也促使变电站工作人员对其各部分有了更为深刻的了解，从而使其业务能力与操作技能得到提高。

参考文献

[1]赵晓冬，孙大伟，王斌，等.330kV变电站仿真系统的设计和实现研究[J].电源技术应用，2013（1）.

计算机三维仿真技术范文第4篇

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）04-0000-00

1、论文研究背景及意义

近多年来，由于计算机及网络相关技术的迅猛发展，世界经济发展的必然趋势就是数字化，数字城市也逐渐引起了人们的注意。那么怎样应用计算机技术来构建数字城市，近而实现城市的数字化已经引起城市规划及管理人员和城市居民的共同关注。城市仿真技术在构造数字城市过程中发挥着非常重要的作用，因此成为当前一个新的研究热点。仿真(Simulation)技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，使之在感知行为的逼真体验中获得直接参与和探索仿真技术对象在所处环境中的作用和变化。城市仿真(Urban Simulation)技术就是仿真技术在城市规划、建筑设计等领域中的应用，表现为人机交互、真实建筑空间感与大面积三维地形仿真，即交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。采用虚拟现实技术构造出来的城市视景仿真系统是数字地球的重要组成部分和支撑手段，已经被广泛应用在城市的规划、建设以及管理当中，对于城市发展规划的各个方面都具有相当重要的意义。

2、国内、外的视景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三维建模软件是世界上流行的实时三维数据库生成系统的软件环境，在仿真系统中得到广泛的应用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境。Urbansim是基于城市交通需求模拟分析和城市土地综合分析的新型城市发展仿真软件。MagicCity属于WinTel架构基础上的虚拟现实和视景仿真系统。我国在视景仿真系统开发的同时，也在进行仿真系统软件平台的开发。TrueSim v2.0 三维实时仿真软件平台是深圳市创想科技发展有限公司在综合了国内外多项最新三维仿真技术的研究成果以及多年来从事三维仿真研究所积累的多种经验的基础之上推出的具有自主知识产权的仿真平台。神州视景信息技术有限公司自主研发了“基于普通PC和Internet的大规模场景实时漫游引擎系统――SCVR”。 Virtools是一个实时三维虚拟现实编辑软件，可将多种常用文件格式（三维模型、二维图表、声音等）整合到一起，并具备交互功能，能够开发出电脑游戏、建筑仿真、交互娱乐等多种3D产品。

3、本文的研究目的及重要内容

本文通过研究虚拟现实视景仿真技术的相关知识，实现以我们学院校园为虚拟环境的视景漫游系统。通过对虚拟场景的构建，能够实现视景漫游中的自动漫游和交互漫游等效果。本系统应用建筑草图大师Sketchup和MultiGen Creator软件工具来构建虚拟场景中地形及建筑物的三维模型，并建立道路、树木、路灯等虚拟景物，借助Vega Prime软件平台和工具集对校园虚拟场景进行仿真，在VC++开发平台下实现三维景观及模型的交互式（以鼠标、键盘等交互方式）控制，实现了虚拟校园景观的视景仿真漫游系统。

本文主要研究内容和所做工作总结如下：

(1)了解视景漫游技术以及虚拟现实的发展，对国内外虚拟现实技术应用现状进行调研。

(2)对黑龙江农垦科技职业学院的视景环境数据进行搜集和整理，包括地形数据的获取、建筑物数据的获取、纹理数据的获取等等。

(3)研究用虚拟现实建模软件Sketchup、Creator以及三维建模技术、模型真实感技术以及模型优化技术等对地形、道路、教学楼和图书馆等建筑以及校园之中的花草树木等进行建模，构建出虚拟场景模型库，然后用视景漫游软件Vega Prime和VC++对虚拟场景进行漫游和交互控制。

(4)研究模型数据库建模和优化技术问题，模型数据库的建构、调整和优化对提高实时仿真系统中运行的速度和流畅性起着至关重要的作用，成为目前重要的研究课题。

(5)碰撞检测技术。开发虚拟现实仿真系统有一个主要目标就是能够让用户以尽可能接近自然的方式与构建的虚拟场景中的物体直接进行交互。要实现自然的、精确的人机交互功能首先要解决的是碰撞检测的问题。碰撞检测是虚拟场景中动态物体与静态物体之间或动态物体与动态物体之间进行交互的基础。在碰撞检测中有两个问题需要解决，一是检测到碰撞的发生和碰撞的位置，二是计算碰撞后的反应。而碰撞检测是计算碰撞反应的先决条件，因此，碰撞检测是虚拟环境中一个必不可少的部分。

(6)为保证虚拟场景的真实性、生动性及其对用户的感染力，对基于粒子系统的虚拟场景环境特效技术进行研究。

校园视景仿真就是在计算机环境中对真实校园的景观进行虚拟再现，采用虚拟现实相关技术，生成一个实时的、能给用户各种真实感受的三维虚拟环境。利用计算机软硬件及其相关输入输出设备，使用户可以在虚拟的校园场景中进行浏览和交互漫游，感受校园中的风景。利用这种方法可以让更多的人来了解我们的学校，对本校园的环境及交通现状等方面有更深刻的认识。

参考文献

计算机三维仿真技术范文第5篇

关键词：“CAD/CAM”系列课程；教学方法；实践教学；创新设计

Reform and practice of teaching content and textbook system on the CAD / CAM series of curriculum

Duan Hongjie， Xiao Yanqiu， Bai Daiping

Zhengzhou university of light industry， Zhengzhou， 450002， China

Abstract： The development of three-dimension CAD/CAM technologies stimulates the changes in the domain of product design and manufacturing， and determines the direction of mechanical talents ' training and teaching reformation. This article focuses on the overall thought and practice process of the CAD / CAM series of curriculum reform as follows： integrating textbook content； forming new course system； updating teaching means； innovating teaching methods； highlighting the practice link； strengthening students' engineering consciousness and creative ability.

Key words： CAD/CAM series of curriculum； teaching methods； practice teaching； creative design

目前高等教育发展的重点已由数量扩张转变为质量的提高，教学内容和课程体系直接反映教育的目的和培养目标，同时也是培养高素质人才、提高教育质量的核心环节。多年来针对机械类专业的CAD/CAM系列课程的教学改革一直都在进行，并取得了一定的效果，但整个改革主要还是围绕二维绘图、二维设计展开的，较少触及目前制造业广泛使用的三维实体设计技术，设计、绘图、修改工作量大，浪费了大量的精力和时间，在课程设计与毕业设计过程中问题尤其突出，不利于培养造就制造业急需的具有现代设计能力和创新意识的人才。

1 构建CAD/CAM系列课程新体系，培养高素质人才

针对目前CAD/CAM系列课程教学内容和课程体系存在的问题，密切结合当今世界制造技术的飞速发展，采用现代三维CAD/CAM技术，对传统的二维绘图、二维设计教学内容与课程体系进行全面重组与整体优化，以先进的三维实体设计系统为平台，以培养学生的现代化工程素质和创新能力为目的，将现代三维设计、分析与制造理念和方法全面引入CAD/CAM系列课程教学过程，建立了全新的基于三维CAD/CAM技术的系列课程体系。在课程设置上，充分考虑社会与时代要求、科学知识及个性发展的需求，并实施了新的人才培养计划。经过实践、完善，建成了CAD/CAM系列课程体系，如图1所示。

2 优化教学内容，培养学生创新设计、分析、制造的理念和方法

在教学改革中，教学内容决定着学生的知识结构和专业能力，教学内容必须紧跟科技的发展，紧密联系客观实际。在教学内容的优化过程中，应结合先进的制造技术，将三维实体技术贯穿于教学全过程，重点构建好三维CAD/CAE/CAM技术平台[1，2]。

2.1 以三维CAD技术为平台，培养新的设计方法和设计表达方法

现代CAD/CAE/CAM技术使得数字化三维实体成为产品设计和加工的数据源头和载体，三维实体成为工程技术界的新语言。在三维CAD平台下，设计者从产品的实际需要出发，可以利用所掌握的三维实体设计理论和方法，建立三维实体模型并真实显示在计算机屏幕上，直接观察产品的结构是否合理、设计上有无缺陷、各零部件的装配关系有无干涉现象等，并且可以通过机构运动仿真对设计结果加以检验。因此，学习和使用三维CAD平台进行设计，可以将设计构思和表达统一起来，有利于思维的创新。

为此，在机械类教学中，我们将三维实体设计作为设计方向，引入主流三维设计软件Solid Works。Solid Works的学习，使学生掌握计算机辅助设计工具，为工程设计打下基础。同时也可以在教学过程中，将Solid Works软件作为辅助的教学工具，充分利用其真实三维环境，形象、直观地演示从物体——平面图形——物体的投影转化过程，以及各种实体建模的方法，帮助学生理解投影的基本知识、三维建模理论知识等内容，提高学习效率。

2.2 以三维CAE技术为平台，开设现代分析计算方法学课程

将有限元分析和优化设计知识引入到新的课程体系中，改变传统机械设计依靠经验公式、手工计算的方法。借助Cosmos/Works等三维CAE设计软件，直观地进行有限元网格划分，载荷和边界条件确定，强度、刚度分析计算。培养新的设计理念，使学生掌握全新的设计计算方法，实现教学内容的3个转变：

（1）由手工设计计算向应用计算机分析计算转变，强化计算机应用能力；（2）由过去的图解法向解析法转变，使理论与计算机技术统一起来，提高设计效率和质量；（3）由过去重机构分析计算向重机构综合转变，提高学生机构方案构思、设计创新能力与综合应用知识解决实际问题的能力。

将机构运动仿真基本知识和三维CAD设计软件的使用结合起来，借助三维CAE设计软件分析计算零件应力、应变、变形大小、约束反力等。使学生掌握有限元分析计算方法，机构运动仿真等新的设计分析方法。

通过现代设计计算方法课程的教学，生动具体地讲解优化设计、可靠性设计的工程应用，提高教学效果，培养学生提出、分析和解决问题的能力。

2.3 以三维CAM技术为平台，培养现代加工制造技能

为了使机械专业学生更好地掌握现代加工制造方法，在教学内容上进行两方面的改革，一是浓缩传统的专业课，将金属切削原理与刀具、金属切削机床、机械制造工艺、机床夹具设计等整合为机械制造技术基础，保证基础知识的掌握。二是增加现代三维CAM技术方面的知识内容，主要讲解数控技术概念和数控加工原理，数控编程基础及手工和自动编程方法及数控加工仿真等。

为达到突出“学为所用”的目的，使学生真正掌握现代加工制造方法和技能，在教学中，引入三维CAM软件So1id CAM。So1id CAM是Solid Works的嵌入式NC软件，Solid CAM软件完全运行在Solid Works内，可以获得所有Solid Works的数据，利用Solid Works设计的三维实体模型自动成为Solid CAM的数据源，真正实现了CAD/CAE/CAM集成。此外，Solid CAM提供了3种仿真标准，即基本刀具路径仿真、2D仿真以及加工操作的3D仿真。Solid CAM仿真功能，能很好地验证创新思维，激发创新愿望，强化工程意识培养。

在教学过程中，安排相当数量的上机实践课时，学习数控加工程序生成、刀具轨迹模拟仿真及数控加工仿真。强化理论，突出实践动手能力和应用技能的培养。

3 积极开发应用现代教育技术和手段，培养创新人才

充分发挥多媒体教学手段丰富、形象直观、便于理解、信息量大的特点，采用图、文、声、像并茂的多媒体CAI课件，将三维CAD/CAE/CAM技术及其相关课程有机地结合起来，营造一个教学互动、生动活泼的学习环境。将虚拟现实技术引入三维CAD/CAE/CAM技术教学，构建虚拟的工程环境，使学生在具有交互性的环境下，进行构想，自主发挥，自主设计，充分领略用计算机来辅助产品设计和制造的含义。

3.1 设计三维CAD网络教学系统

三维CAD网络教学系统设置了网络课程、课后习题、模型与零件库、数字技术及网上答疑几大模块。网络课程模块包括AutoCAD软件、SolidWorks软件、ProE软件等视频教程；模型与零件库模块包括二维零件展示、三维零件展示、学生作品展示、下载专区等；数字技术包括数控加工、数字测量、二次开发、技术交流等。各子系统和模块之间通过导航功能即可实现模块之间自由跳转。

3.2 开发三维CAE网络学习系统

三维CAE网络学习系统包括授课系统、教学辅导、考试系统、在线答疑及互动交流等功能，通过学生在计算机上选择、设置、操作等，让其亲身体验课程交互作用所带来的乐趣和感受，提高学习效率和兴趣，将现代教学方法融于传统的教学方法之中。该系统开辟了学生与教师、学生与学生之间的互动平台，激发了学生主动学习的热情。

3.3 研制了数控技术网络课程

数控技术是一门实践性很强的课程，在实际生产中应用很广泛。但是学生在学习时，无法在课堂上直接感受到生产现场加工场景。为此，制作数控技术网络课程，利用Flash，SolidWorks，Photoshop，Dreamweaver等软件制作大量的动画，同时配有影音文件和图片，采用图文、电影、动画等形式，增强了信息的传播效果。大量数控设备的图片和数控加工先进制造影片，数控加工仿真加工动画，将抽象的教学内容和难于表达的先进制造生产现场直观地展现给学生，便于学生对教学内容的理解，使学生掌握数控加工技术和基本理论，并具有良好的综合实践能力。

4 突出实践环节，强化学生工程意识的培养

实践教学环节是培养学生动手能力和创新思维的有效途径，实践教学中，强化三维CAD/CAE/CAM软件操作技能的培养，把应用三维CAD/CAE/CAM软件解决工程实际问题作为落脚点，使毕业生与机械制造行业实现“无缝对接”。为此，我们建立了机械产品三维设计创新实验室和数控加工仿真实验室[3]。

4.1 三维设计创新实验室

建立“机械产品三维设计创新实验室”，培养学生机械产品创新设计能力。以现代数字技术为依托，改变传统以图纸为主的交流模式，使产品设计、受力分析、仿真、数控加工全过程的交流无图纸化，探索出一条全新的以三维数字技术为主的交流模式，加快制造业信息化的进程。

该实验室的建立，为广大学生提供了创新实践的环境，激发了学生的学习热情和创新设计积极性。学生可进行各种部件、整机的模型搭建，学习相应的编程方法，完成模型的设计、制作。训练时采取先向学生展示已搭建好的工业模型及控制方式，让学生亲自拆装现有工业模型，在此基础上允许学生根据自己的构想，创新搭建自己设计的新机构、新系统。通过对工程问题的观测、分析、更新、设计、实践，让学生体验创新设计的全过程，并完成设计构思、搭建模型、编程与控制加工，实现创新设计的相应环节，通过创新试验训练，使学生掌握机械产品从设计到成品的数字化形成过程，培养了学生的创新工程意识。

4.2 数控加工仿真实验室

数控编程及仿真加工实验主要是使学生熟悉常见数控加工设备，如数控铣床、数控车床的外形布局、运动分配以及操作方法，掌握编制数控加工程序的基本方法及常用指令的使用，数控加工的实体造型及自动编程、数控加工的计算、CAD/CAE/CAM集成等训练[4]。

为了提高实验教学效果，数控编程及仿真加工实验采取模拟仿真实验和实际操作实验相结合的方式进行。为此，项目开发了数控加工模拟实验平台，利用该平台可以观看实体加工过程模拟仿真演示，完成数控加工的模拟实验，满足数控实验基本要求；实现了被加工零件CAD＼CAM集成，完成了NC程序的自动编制与模拟仿真加工；在该实验平台的支持下，学生能够完成数控铣削实验和数控车削实验的以下要求： 工艺参数拟订与输入；选择加工方式；调整机床参数；观看实体加工过程模拟演示和编制数控加工程序。它既可用于无数控加工设备的条件下进行数控加工实验，也可以用于实际数控设备上进行实验之前的预习准备，以减少昂贵的数控机时和防止事故发生。

5 教学实践与效果分析

5.1 提高了学生的学习积极性

三维实体模型形象直观，三维实体设计模式与人实际上所观察和认识事物的过程一致，符合心理学客体优先效应，因而简便易学，将学生从繁琐的三维到二维、二维到三维的训练中解脱出来，极大地提高了学生的学习积极性。

5.2 培养了学生的工程设计意识

新的教学内容和课程体系适应三维CAD/CAE/CAM技术发展的需要，将计算机技术与工程设计紧密结合为一体。在教学中突出三维实体的地位与作用，使学生从三维立体入手，较全面地理解物体的构成原理与表达方法。学生利用所掌握的实体造型知识在计算机上建立三维模型，并对其进行工程分析、虚拟预装配、运动过程模拟以及原型制造、虚拟制造等，培养了学生现代设计意识。

5.3 达到了学为所用的教学目的

学生以三维实体设计技术为基础，三维实体设计软件为工具，通过课程设计和毕业设计的训练，掌握了新的设计制造方法，正确地表达了设计思想，圆满完成了设计任务。

学生利用CAD/CAM技术设计制造的作品荣获“中南地区大学生创新设计与制造大赛”二等奖；在全国大学生力学建模竞赛中，获得周培源力学竞赛河南赛区二等奖、三等奖多项；在第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获得三等奖的好成绩。

6 结束语

机械类课程体系改革的突破口在于现代计算机技术、机械设计和机械制造技术的有机融合。为了实现这一目标，我们的观念首先要跟上时代的步伐，要以本专业课程体系的整体优化为目标，以现代CAD/CAE/CAM技术为平台，针对当今世界制造业的发展现状，努力适应现代设计、现代分析、现代制造技术对专业人才的需求；增设与CAD/CAE/CAM相关联的一系列新课程，最终实现在无纸环境中的设计与加工、虚拟样机的制作，努力提高现代化教学层次和教学目标。

参考文献

[1] 段红杰，于善启.面向三维CAD/CAM技术的机械类专业教学改革的研究与实践[J].郑州航空工业管理学院：社会科学版，2007（5）：125-127.

[2] 陈鹏.基于数字化技术的应用性本科机械类创新型人才培养体系的构建[J]，中国电力教育，2008（12）：101-103.