力学实验虚拟平台实验装置建模技术及实现

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1、本科毕业设计（论文）1绪论1.1研究背景伴随着教育教学改革的不断深化及国家对教育投入的持续增长，国内实验教学软硬件建设和装备条件都有了很大程度的改善，这些变化都为高校带来了难得的发展机遇。但传统实验教学在发展的同时也面临着严峻的挑战：1）时间和空间的约束。不管何种类型的实验，实验教学都必须在指定的实验室中进行，否则根本无法进行。现在高校普遍采取与实验指导老师商定实验时间后，确定每个实验开课的时间范围，学生在此范围内预约实验的方法来安排实验教学以期缓解时间和空间的约束。2)有效的实验仪器数量严重不足。早期的基

2、础建设投入不足加之仪器设备量少、陈旧并且维修周期长，给实验教学的正常开展设置了重重障碍，影响学习者动手能力的提高。3)实验教学内容陈旧、教学手段比较落后。传统实验大都采取课堂教学的灌输方式，学生的依赖行为比较明显，不利于培养学生的创新能力，亦不能达到预期的实验效果。进入数字化﹑信息化时代的二十一世纪，虚拟现实技术已成为许多领域进行系统分析和设计的重要技术手段，虚拟现实技术应用从基于HMD(Head-MountedDisplay)和数据手套等硬件的医疗、教育、艺术、娱乐、及军事等传统领域到制造业、机器人领域及

3、信息可视化的新型虚拟现实技术应用，虚拟现实正不断地改变着人们的日常学习与生活[1]。1.2问题的提出三维建模技术的崛起以及虚拟现实技术的出现，为生产设计和创新提供了一种非常好的工作平台。人们可以直接从三维概念和构思入手，通过模型仿真来分析和评价设计方案的可行性与可靠性。随着三维建模理论的日趋成熟，出现了许多优秀的建模技术与软件，其应用领域也越来越广泛。在教育方面，现阶段社会对人才的要求升高，各高校对学生的教育也作出很大努力。培养专业理论更扎实，实践能力更强的优秀人才，是学校与社会的期望。而对于理工类专业，尤

4、其是力学专业的教学离不开实验教学，实验教学可以把抽象的数字与理论转换成形象的图形数据，并让学生参与整个实验的过程，使其亲身感受实验，深化学生对所学知识的理解，再结合理论知识，勤加思考，便能较为轻松而且更扎实的掌握所学专业知识。但是很多实验的成本都非常高，很多仪器的购置、实验使用、保养，都需要很多资金。尤其很多破坏性实验，都需要很多昂贵的试件。学校在这个问题上一直很矛盾，一方面是学生的学习，一方面是高昂的经费。基于此，本文在研究三维建模技术同时利用3dsmax49本科毕业设计（论文）建模软件，来对辽宁工程技术

5、大学力学实验室中实验装置的虚拟建模。让学生通过虚拟实验就能轻松了解实验装置及实验过程。1.3论文的主要工作及技术路线本文在研究三维建模技术的基础上，对三维建模技术的分类，应用领域，未来发展等问题进行研究。并主要使用三维建模软3dsmax来对辽宁工程技术大学力学实验室实验（包括有理论力学实验、材料力学实验、振动力学实验）装置进行建模及实验动画制作，对3dsmax三维制作软件的特点进行探讨研究。制作前考虑实验装置及功能要求，对力学各项实验都做简要介绍，认清重点环节，以使得作出的模型及动画更具展示及教学意义。每个

6、实验制作完成后，都进行讨论，论述其满足目标的什么程度，是否能达到设计的目标。制作的过程重点环节将详细介绍，进而在研究三维建模技术，介绍了3dsmax软件的同时，制作出所有力学实验所用仪器的模型及实验动画。在以后的教学中做实验展示。1）具体完成工作：a、材料力学实验装置、实验步骤和实验结果虚拟建模。b、振动力学实验装置、实验步骤和实验结果虚拟建模。2）技术路线：a、搜集查阅文献资料，整理国内外研究有关三维建模的发展现状，比较各种建模技术的特点。b、对3dsmax进行实际操作练习，深入学习其建模、材质、灯光、渲

7、染、动画等各功能。c、与实验老师交流学习，了解各实验的主要步骤，并据此构思仪器模型的组装及动画要点。d、细化之前的构思，来实现每一组实验的仪器建模及动画的完整过程。49本科毕业设计（论文）2三维虚拟建模技术本章将详细阐述三维建模技术的分类，虚拟实验三维建模原则与建模技术的选择，建模技术的研究现状及发展趋势，并对三维动画技术简要介绍。2.1三维建模技术分类三维建模技术的类别有很多中，这里主要从物体的特性上分，将三维建模分为三维实体建模与三维动画建模。2.1.1三维实体建模三维实体建模和真实物体类似，不仅有表面

8、物性，且有体积，重心、质量、转动惯量与实体物理属性，是三维设计中最常用和典型的模型。三维实体可以通过相互切割、合并、交叉（差、并、交、集）等布尔运算，得到复杂的形体模型，能进行消隐。实体模型不仅具有面和线的特征，而且还具有实体的特征，如体积块、重心和惯性矩等。获得三维模型的方法有很多种，最简单的方法是给平面形状定义一个厚度，用户应根据具体情况选择不同的模型类型和建模方法[16]。三维实体造型有许多优点，从渲染效果