基于虚拟现实的动态设计与仿真!new

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1、""第"!"""卷""第""!期"""""""""""""""计"""算"""机"""仿""""真"""""""""""""""""%"$$"%"年"!"月""""文章编号：!$$)’"*&（(%$$%）$!’$$&*’$&基于虚拟现实的动态设计与仿真!周万，李世其，魏发远（华中科技大学机械科学与工程学院，&*$$#&）摘要：该文首先介绍了虚拟现实和动态设计的概念及特点，说明了将二者结合的必要性与可行性。然后阐述了其基本实现思想和体系框架，具体建立了虚拟环境模型，提出了大批量数据存取及图形表示方法以及

2、驾驭式计算系统的跟踪与控制过程等。最后以浸水圆柱壳结构优化设计为例说明了虚拟现实与动态设计结合的可行性。关键词：虚拟现实（+,）；动态设计；组件；驾驭式计算中图分类号：-.*"!/"文献标识码：0!引言现实的交互方式。虚拟现实技术是一种逼真的模拟人在自然环境中视、听、运动等行为的人机界面技术。它综合利用计算机图形软"系统的基本思想和框架结构硬件系统、各种显示和控制接口设备，在计算机上生成具有"/!系统的基本思想沉浸感的三维环境，用户可通过交互式的输入装置到虚拟环动态设计是指修改和设计一个结构，使之具有

3、事先给定境中漫游，通过立体眼镜、头盔显示器等外围设备观察虚拟的动态特性，或指所设计的结构在满足诸多动态特性要求环境中的物体，甚至利用输入装置能够实时的操纵虚拟环境下，某一个或几个主要指标达到最优，它包括建模、分析、优中的物体以及在虚拟环境中任意活动。通过虚拟环境中场化设计、可视化显示等。其设计过程是一个不断反复、不断景的变化及与其中的虚拟实体进行交互，用户将体验到“身精化的过程，通常一个完整的设计过程总是先进行一个或几临其境”的感觉。虚拟现实的出现改变了人们传统的思维方个初步方案设计，在根据初步方案设

4、计进行各种分析，用分式，使人、计算机和现实环境紧密地结合起来，现已延伸到娱析的结果来改进设计，然后在对改进的设计进行分析，不断乐、医疗、军事、建筑、机械等各个领域。近年来，为了缩短产的循环，最后得到满意的设计结果。这个过程可以用图!来品的开发周期、降低生产成本以便更快更有效地占领市场，简单的表示。人们越来越多的依赖于计算机进行分析、计算及仿真。以结构频率响应等动态性能为设计目标的动态设计［!］也不例外，它通过计算机的大量迭代计算来优化结构动力性能、提高产品质量。但是动态设计过程会产生大量的中间数据，迭

5、代计图!动态设计过程算过程也极为漫长，且容易导致结果不收敛，为了克服这些然而，动态设计的过程非常复杂，设计时要考虑的因素不足，本文采用驾驭式计算技术对动态设计过程进行控制以非常多，于是利用现有的计算机技术，采用有限单元法、数学节约计算时间、保证结果的收敛性。归划法、遗传算法等方法对结构的动态特性进行分析和优化作为计算机领域的最新成果之一，驾驭式计算技术是最得到了很快的发展，这些方法以灵敏度分析为主要手段对结近几年才发展起来的，美国1234456789:;236中心开发了第一个驾驭式计算系统0+1［%］

6、，该系统可以加速迭代计算过程，构的特征值或响应进行约束优化，具体包括频率、振型、位移、速度、加速度、应变响应等方面。灵敏度分析是研究各个但是它使用传统的人机交互方式，大量复杂的数据以二维图结构参数或设计变量的变化对结构动态特性变化的敏感程形表示，很不符合人们的习惯。荷兰数学与计算机中心7<=随后在70+>系统［*］中实现了对计算过程的驾驭，并且允许度，即定量的影响关系，包括特征灵敏度分析、频响函数灵敏度分析、动力响应灵敏度分析等等［&］［?］。优化设计通常要经用户以虚拟现实的方式同计算系统进行交互，但

7、是它未能将其应用于动态设计领域，并且70+>系统设备昂贵，这对一过多次迭代计算，产生大量的中间数据，计算优化过程也极般的中小企业和科研机构来说很不现实。因此，本文在现有为漫长，且容易导致结果不收敛，为了节约计算时间、保证结的软硬件设备条件基础上构造一个小型的桌面虚拟现实系果的收敛性，又出现了驾驭式计算技术，即对计算优化过程统应用于动态设计，该系统具有驾驭式特点，并且支持虚拟进行跟踪和控制。当驾驭式计算出现后，人机交互更频繁，对人机界面的要求愈来愈高，在动态设计这种很复杂的问题!国家自然科学基金项目（编

8、号：!"#$%$$&）空间里，沉浸的虚拟环境能增强人们的洞察力，激起人们的收稿日期：%$$!’$(’!#思维灵感，提高工作效率。—&*—!"#$%#&&’教授给出了一个如图(所示的虚拟现实应用计算组件，并将分析计算组件的接口传递给虚拟环境组件，系统模型［)］。其中计算包括所有应用中非图形的计算，如分其调用关系如图用虚线表示。分析计算组件运行到某个阶析，优化等；几何模型包括一个计算中的数据的高级图形表段，也向主控组件发出通知，此时主控组件记录分析计算组示，