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1、系统仿真与虚拟现实技术在结构工程中的应用 摘要：本文着重论述了将系统仿真与虚拟现实技术相结合后，在工程结构分析、岩土工程、防灾工程及模拟施 工等结构工程领域中应用的大体思路和进展前景。关键词：系统仿真 设计 一、系统仿真技术 所谓仿真确实是成立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。那个地址的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和治理系统等非技术系统。仿真技术的实质也确实是进行建模、实验。现代仿真技术的进展是与操纵工程、系统工程及运算机技术的进展紧密相关联的。操纵工程和系统工程
2、的进展增进了仿真技术的普遍应用，而运算机显现及计算技术的迅猛进展，那么为仿真提供了强有力的手腕和工具。因此，运算机仿真在仿真中占有愈来愈重要的地位。仿真技术得以进展的要紧缘故是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采纳仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采纳仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、此刻的、乃至是以后的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修 订打算或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或治理人员。在工程领域仿真技术
3、能够降低系统的研制本钱，能够提高系统实验、调试和训练进程的平安。一样以为，成立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系统要第一成立起系统的数学模型-一次仿真模型，然后再改写成适合运算机处置的形式-仿真模型。仿真模型能够说是系统二次近似模型。成立起仿真模型后，才能书写相应的程序。仿真大体上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观看系统模型变量转变的全进程，另外，为了对仿真模型进行深切研究和结果优化，还必需进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。二、虚拟现实技术 虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭
4、新的综合性信息技术，是由运算机硬件、软件和各类传感器组成的三维信息的人工环境-虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、彼此阻碍。它融合了数字图像处置、运算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推动了运算机技术的进展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面取得了应用，渐已成为 21 世纪普遍应用的一种新技术。虚拟现实是高度进展的运算机技术在各类领域的应用进程中的结晶和反映，它具有以下要紧特点：（1）依托学科的高度综合化；（2）人的临场化；（3）系统或环境的大规模集成化；（4）数据表示的多样化和标准化，数据存储的大容量、数据传输
5、的高速化与数据处置的散布式和并行化。正是这些特点，使操作者沉醉其中，并通过量种媒体对感官的刺激，对所需解决的问题有了清楚和直观的熟悉，从而，也使模型的成立和验证加倍方便。三、系统仿真技术与虚拟现实技术的结合 传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因此无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)随着多媒体技术、运算机动画、传感技术的进展，运算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明，人类关于图像、声音等感官信息的明白得能力远远大于数字和文字等抽象信息的明白得能力。将仿真技术与虚拟现实技术相结合，利用虚拟现实技术进行仿真模型的成立和实验的模拟，使仿真的进程和结果能够实现图象化、
6、可视化，使仿真的系统具有了三维、实时交互、属性提取等特点，极大地增进了仿真技术的进展，同时也使虚拟现实技术加倍具有生命力。四、仿真与虚拟现实技术在结构工程中的应用 仿真与虚拟现实技术最近几年来在机械、电子、水利、社会、经济、生态、生物等各个领域都取得了普遍的应用。在结构工程中，仿真与虚拟现实技术已经应用于如下几个方面：1在工程结构分析中的应用 工程结构在各类荷载作用下的反映，其破坏特点和极限承载力是人们所关切的。当结构形式特殊，荷载及材料特性复杂时，人们往往求助于模型实验来测定其受力性能，但模型实验往往受到场地和设备的限制，只能做小比例模型实验，难以完全反映结构的实际情形。假设用仿真与虚拟现实
7、技术，那么能够进行足尺寸的实验，还能够很方便地修改参数。另外，有些结构难于进行直接实验，用运算机模拟仿真就更能表现出优越性，如建筑物及构筑物在地震作用下的倒塌分析，桥梁受到汽车高速碰撞的查验实验等只有采纳仿真与虚拟现实技术，分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下，结构反映专门快，人们在真实实验中只能观看到最终结果，而不能观看实验的全进程。若是采纳运算机模拟仿真实验，那么可观看其破坏的全进程，便于破坏机理的研究。关于长期的徐变进程那么可在模拟中加速其转变进程，让人们清楚地看到其进程。在运用传统的有限元法进行结构分析时，结构应力的结果通常采纳内力图等力线的形式刻画出来，给人以直观的印象。利用仿真与
8、虚拟现实技术那么能够通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也能够任意变换角度，从任何点去观看。还能够利用 VR 的交互性能，实时修改各类数据，以便对各类方案及结果进行比较。如此就使工程师的思维加倍形象化，概念更易于明白得。2 在岩土工程中的应用 岩土工程处于地下，往往难于直接观看，而仿真与虚拟现实技术那么可把内部进程展现出来，有专门大有效价值。例如，地下工程开挖常常会塌方冒项。依照地质勘探，咱们能够明白断层、裂隙和节理的走向密度，通过小型实验，能够确信岩体本身的力学性能及岩体夹层界面的力学特性、强度条件，并存入运算机中。在数值模型中，除有限元方式外，还可采纳分
9、离单元。分离单元在平稳状态下的性能与有限元相仿，而当它失去平稳时，那么在外力和重力作用下产生运动直到取得新的平稳为止。分析地下工程的围岩结构，边坡稳固等问题时，能够把节理断层划分为许多离散单元。这一进程能够在显示器和大型屏幕上显示出来，最终能够看到塌方的区域及范围，这就为支护设计提供了靠得住依据。3.防灾工程中的应用 长期以来，人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的，因此仿真与虚拟现实技术在这一领域的应用就更成心义。目前已有很多抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，例如洪水泛滥淹没区的洪水进展进程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形地貌
10、和地物，有高程数据可确信等高线，只要输入洪水标准(如百年一遇的洪水)及预定河堤决口位置，运算机就可依照水量、流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地域，并在显示器和大型屏幕上显示出来。人们从屏幕上能够看到水势从低处向高处慢慢淹没的进程，如此对防洪计划和遭遇洪水时指导人员疏散是很有作用的。又如在火灾方面，对丛林火灾的蔓延，建筑物中火灾的传播均已开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了专门好的指导作用。4 在模拟施工进程中的应用 建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、架设钢筋、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序，而这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接阻碍着混凝土浇筑的进程。模
11、拟施工进程是为了通过仿真手腕，去发觉实际施工中存在的问题或可能显现的问题，这就需要对实际施工进行仿真。而目前施工进程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的进程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工进程的模拟。现有的模拟只是对进度打算起到了必然作用，并无对施工进程起到真正的作用。基于以上缘故，需对施工进程成立适合的模型，以达到模拟仿真的成效。例如，大型水利枢纽混凝土在运输浇筑系统的模拟仿真模型，是由运输子系统和浇注子系统组成的，模型是按进程交互的仿真策略成立的，按这种条件成立的模型能与仿真程序间维持紧密的对应关系，程序所要仿照的行为比较 直观、清楚。程序流程直接与模
12、型结构和系统状态相对应。另外，仿真与虚拟现实技术在结构工程领域内，还可应用在建筑系统工程治理、建筑信息治理、建筑物及构筑物的空气流场、空气品质分析等方面。我国是一个进展中国家，有着大量繁重的大体建设任务，专门是在十五打算纲要中，提出进一步增强水利交通、能源等基础设施建设和西部大开发战略。这一大好形势，为结构工程高新技术的信息化和集成化，为结构工程学科及相关学科的进展提供了良好的机缘。仿真与虚拟现实技术作为结构工程高新技术之一，开辟了结构工程学科的新纪元，其技术潜力庞大、应用前景十分广漠。参考文献 （1）汪成为、高文、王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及其应用.清华大学出版社，1997 （2）陈清来.建筑结构的现代设计设计思想和进展.工程设计 CAD及自动化，1996 年，（4）（3）张跃、张丛哲。土木工程中虚拟现实技术的进展与展望，运算机世界，1998，（5）D 版：1-3.（4）袁耀明.从可视化到视算一体化.系统仿真学报，1996（5）（5）张丛哲、张跃.运算机辅助设计(CAD)中虚拟现实技术.运算机世界,1998，（5）D 版：5。（6）黄柯隶.系统仿真技术，国防科技大学出版社，1998 （7）张跃、张丛哲.建筑设计与施工进程的先期技术演示与验证技术.运算机世界，1998，（5）D 版：