基于虚拟现实的动态设计与仿真!

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!"#$ %#&&’ 教授给出了一个如图 ( 所示的虚拟现实应用
［)］ 系统模型 。其中计算包括所有应用中非图形的计算， 如分
计算组件， 并将分析计算组件的接口传递给虚拟环境组件， 其调用关系如图用虚线表示。分析计算组件运行到某个阶 段， 也向主控组件发出通知， 此时主控组件记录分析计算组 件的状态， 并将数据库与图形显示组件的相关接口传递给分 析计算组件， 此时将结果写入数据库， 并且同时显示给用户。 如果结果不合理， 用户向虚拟环境组件发出中止命令， 并传 递给事务控制组件， 由事务控组件中止计算过程。
表" 节点 号 < 坐标 （==） ? @ A 节点表的部分结构
如下所示： （） （公有） *(%8$S5—" R$’$8.S5-7$.V(2 （） （选择显示方式） （） （读数据） 2/./*(%8$ W U X$/2 （） （数据映射到图形） &$(=$.%"7/M 弹出对话框， 由设计人员自己 R$’$8.S5-7$.V(2 函数被调用时， 选择数据显示方式如曲线、 曲面、 三维立体等。
文章编号： （%$$%） !$$) ’ "*&( $! ’ $$&* ’ $&
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听、 运动等行为的人机界面技术。它综合利用计算机图形软 硬件系统、 各种显示和控制接口设备， 在计算机上生成具有 沉浸感的三维环境， 用户可通过交互式的输入装置到虚拟环 境中漫游， 通过立体眼镜、 头盔显示器等外围设备观察虚拟 环境中的物体， 甚至利用输入装置能够实时的操纵虚拟环境 中的物体以及在虚拟环境中任意活动。通过虚拟环境中场 景的变化及与其中的虚拟实体进行交互， 用户将体验到 “身 临其境” 的感觉。虚拟现实的出现改变了人们传统的思维方 式， 使人、 计算机和现实环境紧密地结合起来， 现已延伸到娱 乐、 医疗、 军事、 建筑、 机械等各个领域。近年来， 为了缩短产 品的开发周期、 降低生产成本以便更快更有效地占领市场， 人们越来越多的依赖于计算机进行分析、 计算及仿真。以结
（编号： !"#$%$$&） !国家自然科学基金项目 收稿日期： %$$! ’ $( ’ !#
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［%］ 个驾驭式计算系统 0+1 ， 该系统可以加速迭代计算过程，
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 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
［*］
用户以虚拟现实的方式同计算系统进行交互， 但是它未能将 其应用于动态设计领域， 并且 70+> 系统设备昂贵， 这对一 般的中小企业和科研机构来说很不现实。因此， 本文在现有 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 统应用于动态设计， 该系统具有驾驭式特点， 并且支持虚拟
［&］ ［?］ 度分析、 动力响应灵敏度分析等等 。优化设计通常要经
中实现了对计算过程的驾驭， 并且允许
过多次迭代计算， 产生大量的中间数据， 计算优化过程也极 为漫长， 且容易导致结果不收敛， 为了节约计算时间、 保证结 果的收敛性， 又出现了驾驭式计算技术， 即对计算优化过程 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 空间里， 沉浸的虚拟环境能增强人们的洞察力， 激起人们的 思维灵感， 提高工作效率。
务器模式。接口有两种， 第一种是说明组件提供给其它组件 的功能的供应接口， 即调出接口， 另一种是描述组件为了完 成自己的功能而必须从其它组件获取服务的需求接口， 即调 入接口。组件在系统中共存， 充分的相互作用， 组件之间的 接口定义良好， 则可实现组件的即插即用， 无缝集成。本系 统根据其功能划分为几个子系统： 事务控制、 虚拟环境、 分析 计算、 数据库与图形可视化等。根据这些组件在系统中功能 的差异， 可将这些组件分为核心组件和应用组件两类， 核心 组件是系统中不可缺少的部分， 如虚拟环境组件、 事务控制 组件、 数据库组件等， 这是本系统的核心， 应用组件是根据不 同的需求开发的模块， 是可替代的， 如分析计算优化组件， 当 使用不同的计算和优化方法时， 可开发新的计算组件代替 之。 !9! 系统的框架结构 系统的框架结构如图 : 所示。整个系统划分为几个子 系统： 事务控制、 虚拟环境、 分析计算、 数据库与数据可视化。 系统采用多处理方式， 将 “虚拟环境” 与 “分析计算” 划分到不 同进程中， 但共享数据结构。其中事务控制组件和虚拟环境 组件运行于同一个进程内， 由于分析计算组件和数据库与图 形可视化组件之间的数据传输量很大， 为了提高运行速度， 增加系统的实时性， 它们运行在同一个进程内。系统运行 时， 用户通过各种外设如键盘、 手套等输入初始参数， 然后向 事务控制组件发出请求， 事务控制组件根据请求类型做出相 应的动作， 此时记录下虚拟环境组件的状态， 然后启动分析
图!
动态设计过程
然而， 动态设计的过程非常复杂， 设计时要考虑的因素 非常多， 于是利用现有的计算机技术， 采用有限单元法、 数学 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 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 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 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 度， 即定量的影响关系， 包括特征灵敏度分析、 频响函数灵敏
析， 优化等； 几何模型包括一个计算中的数据的高级图形表 示， 或者说包括科学计算可视化， 还包括被设计产品的模型； 观察指用户查看应用数据， 这是要用真实感表示的内容， 主 要目的是向用户提供程序帮助； 行动体是指以同样方式仿真 用户与系统中的交互， 如虚拟手。 在虚 拟 现 实 系 统 中， 参与者沉浸于多维 信息空间中， 获取虚拟 环境反馈来的知识并对 其做 出 反 应。近 年 来， *+ 开发系统发展 得 很 快， 除了功能更强大的 硬件以外， 高层开发库和工具包如 ,-#./0--.123 等极大的方 便了 *+ 系统的开发， 高效快速的图形库 45&’%6 很适合科学 计算数据的图形可视化。考虑到动态设计和虚拟现实的特 点， 将二者很好的结合起来， 要做到界面友好、 结论直观、 模 型修改方便、 显示数据自然直接等， 软件应该是高度模块化 和可扩展的， 并且具有良好的开放性， 为了达到这一目的， 本 文采用基于组件的软件开发模型， 组件是按照一定规范设计 的软件对 象， 系 统 构 造 的 基 本 单 元， 是面向服务的功能模 块
［7］
图!
虚拟现实应用系统模型
图"
系统的框架结构
"பைடு நூலகம்
"9#
系统的设计及实现
事务控制 事务控制组件是整个系统的控制中枢， 它记录了每个模
。组件之间仅仅通过接口进行交互， 一般采用客户 8 服
块的状态参数和运行阶段， 控制着其它各模块的通讯， 并且 可控制各个模块的运行如中止、 启动。该组件包含一个运行 状态自动机 （+;’02<& =3"3& >;3-<"3） ， 它是一个有限状态自动 机， 在交互服务传送来的事件的驱动之下， 从系统的状态空 间的一个结点转移到状态空间的另一个结点， 自动机状态转 换的过程也是本系统的运行的过程。其它各模块运行到一 定的阶段都要向事务控制组件报告各自的运行状态， 当某个 组件需要其它组件提供的服务时， 事务控制组件负责定位提 供服务的组件， 并传送请求。此组件中包含了大量的常量定 义表 示 各 组 件 的 状 态 如 >?>@>6 0D!A、 >?>@>6 4C0 !A=B、 >?>@>6 4C0 其中 >?>@>6 表示分析计算 E4+@A，
［!］ 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， 迭代计 算过程也极为漫长， 且容易导致结果不收敛， 为了克服这些 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 节约计算时间、 保证结果的收敛性。 作为计算机领域的最新成果之一， 驾驭式计算技术是最 近几年才发展起来的， 美国 1234456 789:;236 中心开发了第一
组件， 4C0 表示优化阶段， 0D!A 表示优化的次数， >?>@>6 4C0 E4+@A 表示分析计算组件处于优化过程中的载荷求解 阶段。它对分析计算组件的控制接口和计算调用接口定义 如下所示： 2’3&#F"G& D>’"@".@-’3#-.： DH’$’-I’ ｛ （） （ ；暂停） B+A=H60 =.&&5 （） （ ；停止） B+A=H60 =3-5 …｝ 触发 =.&&5 和 =3-5 等设置分析计算组件相应的状态位， 状态更新事件使分析计算组件做出相应的动作。事务控制 组件还将以文本方式显示计算过程所处的阶段。 "9! 虚拟环境组件 虚拟环境组件是整个系统的界面， 是系统的对话引擎，
第 !" 卷
第!期
计
算
机
仿
真
%$$% 年 ! 月
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。 ； 动态设计； 组件； 驾驭式计算 关键词： 虚拟现实 （ +,） 中图分类号： -.*"! / " 文献标识码： 0
引言
虚拟现实技术是一种逼真的模拟人在自然环境中视、
现实的交互方式。
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系统的基本思想和框架结构
系统的基本思想 动态设计是指修改和设计一个结构， 使之具有事先给定
的动态特性， 或指所设计的结构在满足诸多动态特性要求 下， 某一个或几个主要指标达到最优， 它包括建模、 分析、 优 化设计、 可视化显示等。其设计过程是一个不断反复、 不断 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 个初步方案设计， 在根据初步方案设计进行各种分析， 用分 析的结果来改进设计， 然后在对改进的设计进行分析， 不断 的循环， 最后得到满意的设计结果。这个过程可以用图 ! 来 简单的表示。
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包含了所有实现用户界面的资源， 包括系统运行的图形交互 环境、 界面资源、 界面定义宏语言解释器、 虚拟外设管理等。 用户可以通过宏语言控制图形界面的布局， 控制界面元素的 外观和功能。该组件主要管理系统与用户之间的交互， 主要 包括外设管理、 三维界面、 实体交互等功能。本系统采用的 输入外设主要有键盘、 鼠标、 输出设备有 !"#$%&’()$、 *+, 等， 显示器、 基于 1(%’23((’45. 开发包可以很方便 !%"-./’0"$- 等， 的对这些外设进行编程。通过将照相机附着在被设计对象 上， 设计人员可以从各个角度观察被设计对象， 也可以通过 键盘、 鼠标、 数据手套直接操纵被设计物体如移动、 缩放旋转 等。在优化结果出来后， 通过动画显示整个优化结果。 !6! 数据库 这里的数据分为有限元模型数据和分析计算的结果数 据两种。该组件是系统的数据管理和访问引擎， 提供对有限 元模型数据和分析计算的结果数据的永久存取和访问操作 支持， 包括数据的一致性保护、 共享、 并发访问控制等。本文 采用 758%(-(9. :88$-- 数据库来管理分析计算过程中产生的大 量数据， 用 +;,! 标准来访问数据库。数据库主要包括表示 不同数据类型的数据表， 如节点表、 单元表、 材料表、 质量矩 阵、 刚度矩阵、 载荷矩阵等。表 < 显示了节点表的部分结构。 分析计算过程中产生的大量数据经过过滤后， 筛选出对设计 过程和图形显示过程有用的数据存入数据库。