时间：2022-11-26 03:34:30
导语：在虚拟装配技术论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
Abstract： This paper， through virtual reality technology， constructed a aero-engine virtual teaching experiment system which can achieve the functions of engine simulation assembly， engine structure display， engine working mechanism demo， engine simulation test. Through the three-dimensional interaction and visual simulation means of this system， the students can get the vision， hearing， touch and other sensory experiences， with a very strong interaction and immersion. Engine virtual teaching experiment system effectively overcome the high cost， operational difficulties and other issues of traditional teaching experiment， so it has great significance to the promotion of China's aviation technical personnel training.
关键词： 航空发动机；虚拟教学；三维仿真；人机交互
Key words： aero-engine；virtual learning；three-dimensional simulation；human-computer interaction
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0181-02
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作者简介：刘振侠（1963-），男，陕西西安人，教授，研究方向为航空发动机推进理论与工程。
0 引言
航空发动机是当代工业技术发展的结晶，是工业技术“皇冠上的明珠”，对国民经济、国防建设起着战略性的作用。随着军事需求、民用航空的发展，航空发动机技术日新月异，新的设计构造不断涌现。但是长期以来，由于人才短缺、基础薄弱等原因，我国航空发动机技术始终与国外先进国家存在着较大的差距。因此，培养高素质、创新型的航空发动机人才对促进我国航空发动机技术发展至关重要。
实践教学是航空发动机教学工作中的重要一环，对促进学生了解发动机内部复杂结构、理解相关理论知识起着重要作用。传统的实践教学内容主要包括参观发动机样机、进行发动机试车实验等。但是，由于航空发动机内部结构非常复杂，难以观测到内部细致结构；进行一次航空发动机试车实验不仅花费高昂，而且对操作者要求极高，只能由专业技术人员操作，学生的参与度很低；另外，航空发动机技术日新月异，教学实验设备难以及时更新，使学生所学知识与实际应用严重脱节。
为了提高学生教学质量，解决航空发动机教学设备陈旧、实验费用高昂等问题，本文将虚拟现实技术与发动机专业教学相结合，建设了了航空发动机虚拟教学实验系统。
1 系统组成与功能
实验系统旨在建立数字化的三维虚拟航空发动机实验室，可以实现发动机结构的虚拟装配，发动机试车台实验仿真，发动机内部工作原理及内部流场展示等多个教学实验内容。学生能够通过这个虚拟空间观看发动机教学实验，并通过视、听、触等感知行为去体验，学生能够主动操作实验，实验系统具有很强的交互性与沉浸感。
如图1所示，为航空发动机虚拟教学实验系统的软硬件组成。硬件包括人机交互所用的传感设备（如数据手套、六自由度鼠标、触觉与力度反馈器等）、显示设备（如头盔、投影屏）、虚拟环境产生器（包括高性能图形工作站、立体声音响）；支撑软件包括对象模型生成软件、虚拟视景软件以及程序编辑平台等。
通过软硬件结合，航空发动机虚拟教学实验系统能实现由发动机虚拟装配、模化实验、流场显示等三个模块的多种功能。
1.1 发动机虚拟装配模块。学生能够在全场景、沉浸式的虚拟环境下任意角度观测到航空发动机各大部件及其内部结构，通过配戴数据手套实时交互地对发动机三维模型进行虚拟装配，加强学生对发动机总体结构和部件间的连接关系的认识；
1.2 航空发动机模化教学视景仿真模块。此平台可模拟发动机在工作过程中内部的运行情况，利用视景仿真技术模拟涡轮转子转动，气流在发动机内外函道的流动以及燃烧室和尾喷管的火焰现象，并能通过对油门杆的交互操作实现对这些动态现象的控制，可以使学生从视觉上对航空发动机内部工作状态有形象直观的认识；
1.3 发动机试车实验仿真模块。能够模拟能使发动机试车的操作过程，可以使学生了解发动机试车的具体步骤，培养学生对试车实验的实际操作能力；通过曲线历程图和实时数据反映发动机特性参数的变化，加深对发动机工作原理和气动特性的理解；提供发动机试车的立体音效和控制台视景仿真，加强了系统的沉浸感；
1.4 流场显示仿真模块。能够模拟发动机内流场质点的流动轨迹，可以使观测者直观了解如叶栅绕流等实验现象及其机理，加深对相关专业课的认识和理解，达到较好的教学效果。
2 系统设计方案
为了应用相应的软硬件设备，完成航空发动机虚拟教学实验系统应满足的需求与功能，采取了以下设计流程来完成系统的搭建，如图2所示。
2.1 第一层为硬件层，主要由虚拟现实人机交互系统、大屏幕立体显示系统和小型桌面虚拟现实系统组成。其中小型桌面虚拟现实系统包括高端PC工作站、VR专业三维立体图形发生器、红外立体眼镜及播放器组成和CRT彩色显示器组成。而人机交互系统包括由六自由度三维空间立体鼠标、数据手套等组成。其中六自由度立体鼠标可实现x、Y、z三个方向上的移动和旋转功能；而数据手套可以真实地模拟人手的装配动作和触觉感应。大屏幕立体显示系统由投影仪、立体转换器、硬幕、偏振片和偏振立体眼镜组成。
2.2 第二层为硬件接口层，主要用于获取六自由度三维空间鼠标、数据手套等的虚拟装配环境结构数据，设定立体眼睛双目视觉间隔参数等。
2.3 第三层为3D模型层，首先可利用Creator、CAD等建模工具，采用体素法、轮廓扫描法和实体扫描等方法建立几何模型，对物体的形状、位置、大小等几何信息，以及发动机各部件间连接关系等拓扑信息进行描述，获得物体重心、表面积、体积、密度、质量、转动惯量等几何、物理参数。
2.4 第四层为支持工具层，在本例中为VEGA虚拟环境开发系统，运行于vC++6.O工作平台，它提供了大量的处理窗口、环境以及实现虚拟动作的函数。
2.5 第五层为驱动层，包括数据手套、六自由度三维空间鼠标、位置跟踪器、立体显示设备等的驱动程序。
2.6 第六层为应用层，可采用vc++6.O开发出面向用户的友好的虚拟装配环境。最终用户并不需要了解繁琐的函数调用和硬件接口，只需通过空间立体鼠标、力反馈数据手套等输入装配控制指令，并通过立体眼镜、头盔显示器等设备观看到实时的装配效果。
3 系统应用与前景
航空发动机虚拟教学实验系统将虚拟现实技术与航空发动机专业教学与实验相结合，克服了传统教学方法设备更新困难、试验费用高昂等问题，突破了传统教学方式的局限性，有效地推动了教学方式的改革与创新。通过航空发动机虚拟教学实验系统在教学实践中的应用，系统有效提高了专业学生的培养质量，节约了实验教学成本，将我国航空动力专业的教学工作推上了一个新的台阶。同时，虚拟教学实验系统的思想在土木建筑、军事教育、医学教学等领域具有广泛的应用前景。随着计算机与多媒体技术、仿真技术、虚拟现实技术的迅速发展，虚拟实验教学必将突破传统教学方式得到广泛应用。
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[关键词]NX（UG） 机制本科 教学改革
[作者简介]孙芹（1979- ），女，山东威海人，山东英才学院机械学院，讲师，硕士，研究方向为机械制造、数控加工。（山东 济南 250104）
[中图分类号]G712 [文献标识码]A [文章编号]1004-3985（2013）29
当今社会机械制造业的发展壮大，得益于日趋激烈的市场竞争。面对机遇与挑战，制造业只有不断吸收机械、电子、信息及现代企业管理等多方面的成果，并应用于产品生命周期的全过程，才能不断推出新品，富有竞争力。集成化、网络化、数字化、虚拟化以及智能化是使传统制造系统成为信息时代、知识经济时代的先进制造系统的最主要内容。目前，在众多企业中广泛应用的CAD/CAM技术是现代先进的计算机技术成功渗入传统制造业的结果。
为使学生进入企业后，能够熟练掌握一门CAD/CAM软件，尽快适应自己的工作岗位，山东英才学院结合机制专业的自身特点，选择NX（UG）作为CAD/CAM教学软件。通过到兄弟院校走访调研发现，在教学过程中，CAD/CAM单独作为一门课程一般开设在第六学期或第七学期，虽然该课程设置的目的是为了起到连接作用，为后续的毕业设计和学生就业提供好的绘图工具。但作为一门课程，学生学完后，很难做到融会贯通，没有达到预期的教学效果。为了提高学生学习的主动性，让枯燥的机械课程变得简单易懂，提高学生学习的兴趣，增强各门课程之间的联系。在机制本科的教学过程中，尝试运用NX的CAD/CAM一体化功能来辅助教学，实践表明，这对学生理解和掌握专业课程有很大的帮助。
一、NX软件在“机械制图”课程中的应用——NX 三维造型模块
“机械制图”是工科重要的主干专业技术基础课程，在机械工程科学人才培养体系中占有重要地位。该课程以形体构造和图形表达为核心，以形象思维为主线，培养学生空间想象能力、形象思维能力、图形表达能力和创新构形能力等工程科学的基本素质，并为进一步学习机械设计类、机械制造类和工程实践类后续课程提供必备的制图基础知识与基本技能。
在制图的教学过程中，仍以讲授为主，部分教学环节借助模型和挂图等辅助工具，学生往往是被动学习，建立空间思维相对困难，学生普遍反映课程太难学，从而对课程产生了厌倦，降低了学习积极性。到了高年级，进入专业课程学习、课程设计和毕业设计阶段，学生反而不会画图了。毕业后，进入社会，就业将更加困难。因此，尝试将NX软件引入“机械制图”课程教学环节。建立机械制图虚拟模型库，让学生有整体的概念，通过旋转、剖切三维图形，可以对三维模型进行动态仿真，让学生理解模型各个方向的形状，增加图形的直观性，搭建投影和三维实体之间的桥梁，这样再来学习制图的投影原理及其他表达方式，将变得非常轻松。同时，NX为参数化建模，方便对模型进行修改，可以根据教学大纲的变化，及时修改模型。可将模型库上传到网络课程中，学生自主学习，大大提高了学生学习兴趣，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。
二、在“数控机床编程”课程中的应用——NX加工模块
“数控机床编程”课程是机械制造本科专业重要的专业课程。大部分院校数控机床编程主要以手工编程为主，讲授数控车床编程和数控铣床（加工中心）编程。为了提高学生的学习兴趣，手工编程的内容也会借助NX软件，讲授自动编程应如何实现。如在车削的教学过程中，相应会讲解轴类零件、螺纹类零件、综合实例等自动编程过程，通过手工程序和自动生成程序的对比，学生对编程有更深刻的理解，更喜欢数控编程课程，为机床实训打下基础。
手工编程虽然有不少优点，如方便快捷，可以省略很多走空刀的地方，能最大地优化加工路径等。但手工编程无法编制复杂工件，如非常规曲面的程序编制，同时手工编程对编程人员有较高的要求，一个点计算错误，将会造成严重的后果。当手工编程无法完成或是编程比较困难的零件，可以通过自动编程完成，NX软件有强大的数控加工CAM模块，包括平面铣削、型腔铣削和深度铣削、固定轴曲面轮廓铣削、多轴铣削和孔加工等，基本可以加工任意复杂的曲面。NX数控加工的一般流程为零件3D建模—指定工艺方案—进入CAM环境—创建程序节点、创建刀具节点、创建几何节点、创建加工方法节点—设定参数—生成刀轨并验证—机床后置处理—数控程序（NC代码）。
三、在“机械设计基础”课程中的应用——NX仿真、装配和工程图模块
“机械设计基础”课程主要包括机械原理和机械零件设计两部分，以机械原理部分学习过程中的四连杆机构为例，在学习四连杆机构时，如果仅仅通过理论讲解，学生对四连杆的运动特性理解的不够充分，可以利用NX运动仿真模块，首先通过三维建模，虚拟装配，设定连杆，设定驱动，完成平面四连杆机构的三维动画运动仿模拟。
机械设计基础课程学完后，要进行课程设计。以减速器课程设计为例，学生要完成减速器装配图及零件图的绘制。给定参数后，如果学生凭空想象，采用二维软件即使完成了减速器的装配图，并拆画零件图，也不知道所绘制的减速器各零件间是否会产生干涉，能否保证加工后的零件能够安装。因此，可以利用NX的装配模块，将所设计的减速器零部件进行装配，通过仿真建模，查看各个零部件之间是否存在干涉，为后续加工的零件的顺利装配打下基础。并且，NX软件可以将三维模型转换为二维工程图形。如果零部件模型尺寸进行了修改，装配图形也会自动做相应的修改。
四、在本科毕业（论文）设计中的应用——NX 综合运用
毕业（论文）设计是每个本科生毕业前要完成的最重要的一项任务。机械设计制造及其自动化专业的本科毕业生主要从事的工作岗位为：数控机床操作岗位（数控车床、数控铣床、数控线切割机床的机床操作工），数控工艺技术岗位（数控加工工艺设计师、数控工艺文件管理员、数控程序编写技术员、电脑绘图员等），普通机电设备设计师助理等技术工作岗位，这些岗位的共同特点是动起手来能干活，拿起电脑可设计。因此，毕业设计对他们来说尤其重要，毕业论好了，进入企业后，就能更快适应工作岗位。
在教学过程中，为实现应用型本科的人才培养目标，减少理论型、研究型论文，要求毕业论文题目需“来自企业”，即学生的毕业论文内容既要包含设计又要包含制造，而且学生必须在数控机床上至少加工出毕业论文中的一个中等复杂的零件，若能借助NX软件，自动生成数控加工程序，并对刀路和程序进行优化，会起到事半功倍的效果。通过毕业设计，让学生掌握机械零件从设计到制造的全过程，为工作后以最短的时间适应企业要求奠定基础。
五、在机制专业各种大赛中的应用――NX 提升
虽然将NX软件融入多门专业课程的教学过程，使学生学习积极性大大提高了，教学效果明显，但由于课时的限制， NX软件强大的功能模块，教学过程不可能面面俱到，很多模块不能深入讲解，一般是按照一定的讲课模式完成教学任务。
教学过程中理论讲解的思路和方法肯定与实际工作有一定的差距。针对学生的不同要求，鼓励学生参加竞赛来提高自己的能力。主要组织学生参加山东省数控大赛、山东省机电产品设计大赛和全国3D大赛等。在每项技能竞赛中，都要求学生完成真实的产品，大赛的环境更接近于真实的工作环境，通过参加不同类型的大赛，学生会对NX软件更加的熟悉，对自己感兴趣的模块有更深刻的了解。同时，大赛能拓宽学生的视野，提高团队合作精神，提升自身的设计、制造和创新能力，拓宽将来的就业范围，提高了就业机会。教师通过指导大赛，与学生进行沟通，更了解学生的想法。通过参加大赛，与其他院校进行交流，相互借鉴，获得更多的信息，把握更新的教学理念，并不断渗透到自己的教学过程中，使教学更贴近实际，使本来枯燥的课堂变得更加生动。技能大赛可以让学生认识到学习中的不足，明确自己的学习方向。
把NX（UG）软件应用于机制本科“机械制图”“数控机床编程”“机械设计基础”等课程中，使学生感觉枯燥、难懂专业课程变得生动、易懂、易学，学生自主学习能力得到了提升，学习积极性得到了提高，同时，在本科毕业（论文）设计和各种大赛中，充分合理地选用NX软件的相应模块，满足了不同层次、不同要求的学习需求，教师更容易了解学生，可使教学更能满足学生的需求，更能贴近社会实践的要求。学生上学期间打下的坚实基础，也为今后的就业奠定了坚实的基础。
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一、《设计素描》在课程体系中的地位和作用
1.虚拟现实专业的专业特点及技能要求。虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。作为一门先进的人机交流技术，虚拟现实技术已被广泛应用于视景仿真、军事模拟、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、科学可视化等领域。制作人员在掌握基础的造型能力的基础上，通过软件运用实现与虚拟现实空间的设计制作，通过虚拟技术实现现实与虚拟世界的交流互动。
2.《设计素描》在课程体系中的地位。《设计素描》是设计类的专业基础课，在虚拟现实专业的课程体系中处于相同的位置，为辅导专业学习，还开设平行课程：透视、五大构成、二维游戏设计等基础课，后续课程有CAD、图像处理、虚拟现实技术等专业核心课。
二、课程改革新的教学重点的修改
原有教学重点与改革后教学重点的对比。设计素描原教学重点为训练学生的整体造型能力和空间的表现力，而课改的目的是增强学生的工作技能，让每一个学科都辅助提高学生的技能的培养，让每一门课都不光是一门学科的训练，而是真实的与将来的就业择业联系起来，并与整体的制作流程相关联。
三、课程改革在教学方法上的设计改革
为了突出能力本位的课程改革教学思想，将原有传统的教学方法进行有益的改革，重点突出训练学生的形体塑造能力和空间的表现力，放弃一些艺术上的修饰，注重写实与空间运用上的创意。
1.以项目贯穿整个教学过程。在教学过程中，将学院本专业正在进行的虚拟现实的项目引进课堂，与实训制作相结合，尽量同步进行，并在项目的完成过程中对设计作业进行检验，通过项目中的检验反馈教学设计中与表现上的不足。
2.表现技法方面素描表现与建筑手绘表现相结合。整个教学内容的安排，按照学生的入学水平，从结构素描造型的训练开始，快速恢复和训练学生的造型能力和画面的表现力，引入新校区标致性造型的设计项目，从表现和设计思维的训练两方面入手进行专业的教学。以校区场景画面的表现和规划为中期的教学内容，重点训练学生场景的表现力和空间的布局和空间层次的表现能力。后期教学，引入新校区外观的造型设计和布局的表现。重点训练学生的手绘建筑表现和建筑外观的设计能力。内容设计由浅入深，表现技法素描与手绘相结合。
3.成绩考核从学生的能力和项目的完成两方面结合考核。《设计素描》的成绩考核，以学生的能力考核为主要目的，从作业的完成情况、在项目中的检验情况及起到的作用和效果、平时课上的团队协作能力和课上表现相结合，进行综合能力的评定。①作业的完成情况及在项目中起到的作用和效果。学生的作业成绩占总成绩的70%。学生的作业成绩评定分为课上作业和课下作业两部分，两个项目双向并行。课上师生共同进行数字校园的场景、标致物、新校区建筑表现的设计与表现。课下以小组为单位进行室内造型设计与家俱的简单设计。课下项目主动联系装饰装修公司的负责人，联系项目并进行项目的验收检验。课上项目通过数字校园的实训项目的制作与设计稿的采纳程度进行成绩的认定。②平时课上的团队协作能力和课上表现相结合。平时成绩占总成绩的30%。平时成绩的认定，从学生上课时的课堂表现和出勤情况进行综合性的成绩评定，要求学生在上课时有一个积极的专业态度，有一种上进的学习心态，课上遵守相应的课堂秩序。在出勤方面，严格考勤，对迟到、旷课、早退学生进行量化处理，严格约束。
四、实施效果及改进措施
1.实施效果。在经历了两学期的课堂教学的检验后，对这种教学改革和项目制作教学的方法是肯定的，学生的专业技能的提高和教学效果也是明显的。通过这种项目制作的教学方法，学生在整个的设计素描的教学过程中，初步的接触到了虚拟现实专业的前期制作内容，通过基础课与专业的有益的相融，让学生更明确专业的工作流程和制作的方法。从而提高学生学习的目的性和积极性。
2.存在的问题及改进的方法措施。①存在的问题分析。在经过两学期的教学后，在教学上取得了一定的成果，但也看到了一定的不足，主要问题反映在学生的基础差，学时少导致学生的学习不扎实，表现能力不强，表现方法与手段运用的不丰富、不灵活，设计能力与设计性思维还需要更多的项目实训及操作来提高。给予学生更多的表现与设计的机会，才能使他们更多的成长。②对于存在的问题，准备进行改进的方法与措施。针对在教学中存在的问题，我有目的的进行了有计划的调整，在以后的教学中，准备做以下的改进，以提高学习的质量，增强学生学习的积极性。
论文摘要：介绍了构建交互式农田虚拟现实场景的关键技术 ，利用VRML技术设计了交互式农田虚拟现实的场景环境原型，详述了模型开发过程中的建模 、转换 、装饰和交互等关键技术。用户可以直接与农田虚拟现实场景中的农作物 地块和道路等事物交互，产生身临其境的效果，从而使用户在虚拟空间中得到与自然世界同样的感受，并为农业装备的虚拟试验提供了接口和场景空间。
0 引言
众所周知，大田粮食作物的生产具有明显的季节性特征。新的农业装备研制开发出来后，如果没有正好赶到使用的季节，研究者就很有可能需要等到下一季才能够实地试验检测装备的各项指标，而且很有可能在实地试验后需要对农业装备做进一步的改进，因此可能要再等到下一季才能够安排测试。这样的情形长期以来一直制约着农业装备的研发速度和周期，严重妨碍了国家农业装备的更新换代和创新水平的提升。随着计算机软硬件技术的飞速发展和光机电液一体化技术的巨大进步，开发全天候、高度模拟真实大田作业环境和农作物长势的、可以完全替代季节性田间试验的农田虚拟场景及其农业装备虚拟试验系统，受到了国内外学者的广泛重视和研究。在车辆和部分农业装备的室内试验中，基于虚拟场景的虚拟试验研究 已取得 了良好的效果。
美国MDI公司开发的ADAMS软件是构造产品虚拟原型的一个很好的平台，利用其中的 CAR模块 ，工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机 (包括车身、悬架、传动系统、发动机、转 向机构和制动系统等)，并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验工况下整车动力学响应，输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数 ，从而减少对物理样 机 的依赖。VTL(Virtual Test Lab)系统 是由美国 MTS(Mechanical Test System)公司研制的虚拟试验系统，该系统在产品或部件上安装虚拟传感器并将虚拟原型安装在不同的试验环境中，一旦虚拟模型确定 ，可以反复进行试验，并根据虚拟试验结果对设计进行反复修改，从而获得最佳设计方案。
就国内来讲，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱制动系统(ABS)混合仿真试验台进行了系统分析 ；乔彬和李尚萍等对甘蔗收获机械智能收获系统虚拟试验平台进行了研究；王鸣和刘喜昂等研究了基于 VRML的虚拟试验系统；赵明和刘春光等开展了VRML在电传动装甲车辆虚拟试验 中的应用研究；周鹏等对潜土逆转旋耕刀的重构及抛土问题进行了虚拟试验的研究；陆林等开展了基于 ADAMS的油菜收割机清选装置仿真与试验研究，利用虚拟样机软件 ADAMS对收割机的清选装置进行三维实体建模在此基础上对清选装置进行了清选过程仿真和虚拟试验。关于虚拟 场景 的建立 ，国内众 多研究者就VRML技术在远程教育、道路、地理环境三维漫游和交互式设备虚拟装配等方面的应用问题展开了广泛 的研究。结合农业装备虚拟试验的需要，本文就交互式农田三维虚拟场景构建的关键技术与过程进行研究。
1 VRML简介
虚拟 建模 语 言 VRML(Virtual Reality ModelingLanguage)是最近几年才兴起的一门新型语言，它可以通过创建一个虚拟场景而达到现实中的效果。VRML支持三维动画，其实时交互功能大大克服了原来互联网上单调和交互性较差的弱点，从而创建一个全新 的可进入和可参与的三维立体虚拟现实世界。
VRML是一种描述语言标准，规定了用来描述三维场景的文本描述语言，它的基本原理包括 ：文本描述、远程传输和本地计算生成。VRML描述的虚拟场景由多种场景对象构成 ，对象及其属性用节点(node) 描述，节点按照一定规则构成场景图(SceneGraph)。场景图中的一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象，它们按照层次体系组织起来，反映了场景的空间结构；另一类节点参与事件产生和路由机制，形成路由图(RouteGraph)，确定场景随时问的推移如何动态变化。因此，VRML是以节点和事件路由为基本组成要素，来描述三维对象和交互行为，经过浏览器解释执行后，用户就可感受到一个有声有色的虚拟世界。
VRML虚拟现实建模语言用来创建逼真的三维虚拟场景 。它改变 了网络上2D画面的状态，并能实现3D动画效果 ，特别是改变了当前网络与用户交互的局限性，使得人机交互更加方便与灵活，使虚拟世界的真实性 、交互性 和 动态性得到了更充分的体现。在VRML建立的虚拟场景中，用户可以直接与场景中的事物交互，产生身临其境的效果 ，从而使人在虚拟场景中得到与自然世界同样的感受。
2 虚拟农田场景的设计
2．1 建立虚拟场景应用背景
虚拟现实农 田场景设计是利用人造景观和自然景观相结合，为检测农机作业机组在农 田中的工作性能、减小能耗、提高功效以及检测关键部件的工作性能提供一个实用的软件开发试验平台。例如 ，通过与虚拟现实农田场景的交互，就可以不受季节限制，完成对收获机割台工作性能的测试，掌握其动力消耗、损失率和传动配合等情况，进而测试整机设计方案的合理性。虚拟现实农田场景设计针对农 田路况 、农作物布局和行走作业机组进行虚拟仿真，创造出逼真的三维立体场景 。
2．2 虚拟现实农田场景设计
虚拟现实农 田场景设计是利用虚拟现实程序设计语言进行软件的设计开发，使虚拟农田场景与现实农田场景融合，从而创建出逼真的三维立体农田场景。虚拟现实农 田场景包括玉米地、土地、人行道和行走车辆等。在虚拟现实农田中，可以体验虚拟世界给人们带来的现实无法比拟的感受。
虚拟现实农 田场景软件设计，是利用先进的渐进式软件开发模式对虚拟现实农田场景进行需求分析、设计和编码 ，包括路面设计 、人行道设计 、作物设计和车辆设计等。设计采用模块化和组建化设计思想，开发设计层次清晰、结构合理的虚拟现实农田场景。虚拟现实农田场景设计的层次结构如图 1所示。
2．3 农田三维源数据获取
农田三维源数据多种多样，主要有地形图、专题地图、卫星影像、航空相片和现有的数据文件以及相应的海量属性数据等，包含等高线、高程点、沟渠、田间道路 、田埂、植被类型、农作物等图层或数据类型。不同格式的源数据的采集获取方式也不同，主要包括全野外数字测图、地形图数字化和数字摄影测量等。
2．3．1 农田三维地理对象建立
对于大范围农 田地形数据，采用内联 VRML文件，将整个复杂的地形分为几个部分，每一部分用一个相应的 VRML文件创建，最后用 Inline节点将这几部分的VRML文件集合到一个 VRML文件中，得到整个地形模型。对于田埂、沟坡、田边树木和沟渠等农田设施，需要单独三维建模。建模时，将其分为点、线状地物和面状地物，以便分别建模描述表达。可以选用 Auto CAD，3DS MAX，ISB(Intemet Space Builder)等作为三维模型的开发工具，然后通过文件转换工具转换成．wrl文件。为营造出真实农田环境的氛围，在户外用数码相机采集农作物真实纹理，并进行适当的处理，得到理想的材质图片。
采用 VrmlPad编辑器来对 VRML文件编辑。Vrm1．Pad编辑器在编写 VRML文件时，除具有一般 的文本编辑功能外，还可以提示选择 VRML语言的关键字，而且用户定义的节点名和事件名等会 自动地动态加入关键字库 中，参与提示选择，编程人员无需记忆VRML众多的关键字。VrmlPad编辑器支持打开文件时的预览，支持对节点效果的预览和整体场景预览。通过对 VrmlPad编辑器中浏览器控制按钮的选择 ，用户可以从不同角度观看场景。
2．3．3 交互式场景的实现
VRML场景没有地面属性，行进中的拖拉机难以感知当前路面状况，如土壤的坚实度 、空隙率、密度和土壤应力等，给虚拟试验 带来 了诸 多不便。根据VRML的事件驱动机制和 Script编程技术，在场景开发中进行了场景地面信息的列表，给出了不同地面坐标下的地面属性(主要包括路面介质参数或坡度等)。场景运行 中，通过编程节点实时采集当前车辆坐标，并调用地面信息列表，将地面属性反馈给仿真模型，以实时调整仿真参数和运行姿态。
2．3．4 虚拟现实农 田场景源程序
虚拟现实农田场景设计，利用虚拟现实程序设计语言中的基本几何节点、复杂节点和动态感知节点进行开发设计，包括背景节点、视角节点、节坐标变换节点、内联节点、组节点 、重定义节点、重用节点、面节点、时间传感器节点、动态插补器节点、事件和路 由等，并利用内联节点实现子程序调用，并实现模块化和组件化设计。该设计利用动态插补器节点设计行驶的车辆景更加逼真、生动和鲜活。
在建立农 田虚拟场景时，要求无论场景怎么移动，农作物始终面向浏览者，所以在建立农作物场景时引用了布告牌节点 (Billboard)。在 Billboard节点中，通过对域值 axisOfRotation的设定，使 Billboard自动地以其局部坐标系的z轴围绕旋转，从而保证布告牌造型始终面向浏览者。通过引用坐标变换节点(transform)，可以完成对多个农作物的导人。利用改变该节点中 translation的值以及引用 inline节点，可逐个导入农作物，从而构建整个农田场景。构建农 田场景的程序代码由于篇幅所限从略。用 VRML语言设计的虚拟农田场景如图2所示。
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【关键词】：钢结构；连接节点；预埋件；混凝土构件
中图分类号： TU391 文献标识码： A
1引言
改革开放以来，随着钢产量的提高，国家政策导向也开始转变为鼓励钢结构应用于建设工程中[1]。 钢结构设计中钢结构节点是钢结构体系的枢纽，节点的主要作用是连接多个构件和传递杆件内力。因此节点设计是设计中十分重要的环节[2]。有限元理论和技术的发展以及计算机计算能力的不断提高促进了计算机辅助技术在钢结构设计中的应用。一些大型结构分析通用软件，如SAP、ANSYS、ADINA等，可以进行各类钢结构的静动力、弹塑性分析[3]。钢构预埋件与混凝土构件在前期设计及实际施工十分复杂和困难，需各单位相互配合协调。本文结合某体育馆工程实例来讨论钢构预埋件与混凝土构件连接节点所存在的问题及相关建议。
2工程介绍
该工程为东南某省某市体育馆，建筑面积约一万三千平方米左右，顶部为钢结构网架顶棚，底部为混凝土看台及基础。体育馆设计时涉及混凝土、钢结构、幕墙等多个结构专项设计。
本工程建筑结构的安全等级为一级，结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为100年。建筑抗震设防类别为乙类。本工程结构承载力按100年重现期设计，挠度按50年重现期设计。本工程抗震设防类别为重点设防类，工程所在地区的抗震设防烈度为6度，地震作用计算按7度（0.10g）、抗震构造措施按7度考虑。钢结构设计时根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)等国家规范。
3钢构件与混凝土构件连接设计问题
混凝土部分设计时，其本身的复杂性，本构关系随受力状态的不同而变化；加上顶部钢结构对其影响，而变得更加复杂。但通常仅将顶部钢结构的荷载输入到混凝土结构计算模型中。混凝土核心筒承担主要竖向和水平荷载,支撑上部桁架钢结构,形成钢-混凝土组合结构 [4]。在现今的体育场馆设计中，由于钢结构部分与混凝土部分是分别由不同设计人员设计，因而往往在设计时缺乏相互协调。因此钢构件与混凝土构件连接节点的设计是体育场馆设计上的一个盲区，容易产生设计问题，存在设计安全隐患。
对于顶部钢结构网架通过钢结构设计软件单独进行受力计算后将其荷载加载到底部看台混凝土梁柱上，对应的钢构件与混凝土梁柱构件连接节点主要承受抗拔力，通过设计抗拔预埋件（如图1所示）埋入混凝土中实现抗拔效应（参考图2）。
图1.预埋件示意图
图2.抗拔效应示意图
3.1预埋件体积对其抗拔能力有削弱影响
预埋件设计体积太大使得混凝土梁柱构件中混凝土用量大幅减少。预埋件所在位置为混凝土梁柱端部，这些位置均为箍筋加密区且配有较多纵向钢筋。这将导致混凝土构件内部由大量钢筋及钢预埋件组成而混凝土实际含量变少。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[5]中第9.7条对于预埋件及连接件的规定，未对预埋件体积与混凝土构件的比例进行规定。
参照钢筋抗拔性能的规定，抗拔力主要通过预埋件与混凝土接触面的咬合能力实现的，形成一种内约束。如果预埋件与混凝土的接触面不足，将对其抗拔能力有着严重的削弱。在混凝土看台结构设计时，通常未考虑预埋件埋入后对框架梁受力改变的影响。钢预埋件埋入后（如图3、4所示）等同于增大了梁端部的实际用钢比率，同时也削减的混凝土用量，并且改变了两端部的受力性能；同时，巨大预埋件埋入有密集钢筋网的混凝土梁端或柱端后，势必对现场混凝土下料和工人振捣操作造成困难，容易造成内孔洞。这也将使得预埋件的抗拔能力大大幅减少，甚至丧失抗拔能力。
因此建议：（1）设计单位在原有钢筋总用量基本不变的情况下，绘制预埋件安装二次深化图。通过将钢筋的截面面积和间距同时增大等办法来实现较大的空间，减小密度同时使施工时更为便利。（2）优化基础混凝土的强度设计，以弥补接触面不足等问题；分批多次浇筑混凝土，使混凝土的收缩在多阶段完成，减少混凝土的水化热现象，也可以使大体积混凝土的收缩应力和温度应力减少，降低混凝土收缩开裂的可能性。（3）混凝土浇筑时, 预埋件处混凝土浇筑要对称均匀下料, 振捣也需对称。振捣棒在预留排气孔内均匀振捣，使混凝土中气泡充分排除，混凝土高度高出预埋件表面，使混凝土与预埋件充分接触，不发生空鼓。
图3.预埋件置入示意图
图4. 预埋件埋入示意图
3.2钢结构预埋件的埋入势必会对混凝土结构构件产生一定的破坏
目前体育场馆的钢结构顶棚和底部混凝土看台经常分包施工。由于是两个施工单位分别承包施工，钢结构与混凝土连接节点常常在施工上出现不协调。
由于钢结构预埋件设计时并未考虑混凝土构件中钢筋的分布，使得在实际情况下大体积钢结构预埋件难以埋入有密集钢筋的梁端和柱顶。施工时为了将预埋件放到对应位置，往往要大费周章，影响施工进度。当框架梁端部的配筋率太大时往往使框架梁产生超筋破坏。这种超筋脆性破坏将使得混凝土压碎脱落后钢筋尚未屈服，丧失结构延性。借鉴混凝土的超筋破坏，大体积钢预埋件埋入混凝土梁端后，用钢率过大可能产生同混凝土梁超筋破坏相似的脆性破坏。
因此，对于预埋件的设计、施工这一重要环节,需要设计单位间相互协调，完成埋件件深化设计。将原设计柱顶梁钢筋在设计规范允许的条件下作相应变更，让出预埋件预埋空间，就配筋率、钢筋的绑扎方式、混凝土的浇筑位置等交叉设计，在完成施工图确认后，针对预埋件的施工编制作业方案；施工与设计单位互相合作，予以安装指导和检查，施工单位应严格按照设计图纸内容和相关规范安装作业。如遇特殊情况需做出变更，应得到设计单位主管的认可。
柱子顶端设置预埋件时，钢结构施工单位为了保证预埋件能够埋入混凝土构件中，由于柱顶锚固钢筋内弯加上梁顶部有纵向钢筋通过（如图5所示），现场施工时往往通过减少柱子纵筋锚固长度和撬动梁两端箍筋与纵向钢筋来埋入柱顶预埋件，使得梁端箍筋间距与设计不符，更有甚者会剪短梁端箍筋，这也从某种程度上降低混凝土柱节点的受力性能。框架梁端部箍筋加密区是梁主要受剪部位，混凝土梁柱节点是结构抗震的重要部位，是混凝土结构概念设计中要重点加强的位置。变大箍筋间距或者裁断箍筋使得其受剪承载力大幅降低。梁端预埋件与混凝土交界处是受剪斜裂缝最常出现的部位。如果此处缺乏箍筋起到的抗剪切能力将会严重影响结构的承载能力，存在严重的工程结构的安全隐患。
因此建议：（1）应与设计单位设计人员协调,解决前期图纸中梁顶部所出现的纵向钢筋和柱端内弯钢筋影响预埋件安装做出调整，绘制预埋件安装二次深化图。梁顶部的纵向钢筋由原来的单排布筋更改为双排布筋；也可将原有的梁主筋过柱面的通长筋，变更为梁主筋在柱面处断开，锚入框架柱内。将柱端少量影响到预埋件安装的内弯钢筋更改为直接通过柱面锚入预埋件内部的加长筋，为预埋件提供埋设空间。但上述方案必须经过设计单位主设计人的同意。（2）预埋件的施工属于隐蔽工程，预埋件在完成埋设后，混凝土浇注前，须派人在现场对其进行监测检查，如发现问题应及时汇报并解决。
图5.纵向钢筋通过柱顶示意图
4 总结
对于以上几点钢构件与混凝土构件连接节点的问题，无论是理论分析还是试验研究都还处于空白阶段。因此有必要针对钢构件和混凝土构件的连接节点进行实验研究和理论分析。同时规范应提出关于预埋件的构造规定与实际破坏情况相符合的计算公式。设计上应对钢构件和混凝土构件的连接节点进行有针对交叉设计。钢结构部分和混凝土结构部分的设计应相互协调，方便施工。设计时要避免由于预埋件的埋入对混凝土构件产生的不利影响。施工时要保证混凝土构件中钢筋不受破坏等要求。本文以工程实例简述建议，仅供参考。
参 考 文 献
[1]上官磊. 基于Java3D的钢结构节点的虚拟装配 [D]. 武汉科技大学硕士论文.2010：1.
[2]赵卫东，孙浩波，卫刚，等．三维钢结构CAD软件中的节点设计[J]．计算机工程，2003，29(7)：33-34．
[3]杨武. 基于面向对象技术的钢结构节点设计系统的研究与开发 [D]. 武汉科技大学硕士论文.2010：3.
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