三维仿真

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇三维仿真范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

三维仿真范文第1篇

【关键词】3D；sound

虚拟现实技术是近年来十分活跃的研究领域之一，是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实技术在军事、航天、医学、教育、娱乐等领域具有广泛的应用价值。为了让用户产生更加强烈的沉浸感，在生成’-图形的同时，还可以提供逼真的’-声音效果。作为虚拟现实系统中必须的部分，虚拟声音系统的研究也受到了极大的重视。DirectSound 3D是微软公司所推出的，它利用声音大小的比例调整多卜勒效应，来达到以软件来模拟3D音效的效果，创立了在三维空间定位音效文件的标准方式。任何应用程序透过它和支持DirectSound 3D的声卡，便可以获得所需的效果。由于这是许多声卡厂商与微软共同制定的，现在大部分的声卡都支持这项技术。本文利用Directsound 3D技术实现虚拟环境实现声音效果。

1.仿真原理

Directsound 3D是通过软件模拟来实现3D音效的，所以要先讲一下Dsound 的3D模拟空间。这个空间类似现实空间，可以用笛卡儿坐标系来描述Dsound 的3D空间，有x，y，z三个坐标轴坐标轴。

在这个模拟空间中Dsound提供了模拟的声源对象和倾听者对象（listener），声源和听者的关系可以通过三个变量来描述：在三维空间的位置，以及运动的速度，以及运动方向。

位置即声源和听者在三维空间的所在位置，随着两者的相对位置不同，则听者便会听到不同的声音效果。

速度为声源和听者在三维空间中的移动速度，此项特性同样会改变两者在空间的坐标，以产生不同的声音效果。

声源和听者相对运动的方向也会影响听者听到的声音效果，因为声音是具有方向性的。这个下面会谈到。

知道了3D声源以及3D环境中的听者，那么怎么产生3D音效呢？一般来说，在产生3D音效的时候，主要有下面的几种情况，一是声源不动，而听者在模拟的3D空间进行运动，二是听者不动，让声源在模拟的3D空间进行运动，三是听者和声音同时在运动。如下图1、2所示。

Directsound给我们提供了听者和声源对象的接口，我们可以通过上面提到的三种方式设置改变声源或者听者的位置，运动速度和方向就可以形成3D音效了在3D环境中，我们通IDirectSound3DBuffer8接口来表述声源，这个接口只有创建时设置DSBCAPS_CTRL3D标志的Directsound buffer才支持这个接口，这个接口提供的一些函数用来设置和获取声源的一些属性。在一个虚拟的3D环境中，我们可以通过主缓冲区来获取IDirectSound3DListener8接口，通过这个接口我们可以控制着声学环境中的多数参数，比如多普勒变换的数量，音量衰减的比率。

2.设计方案

3.仿真结果

根据上述介绍的方法， 采用D irectSound维声音程序初始界面具， 在V isual C+ + 6.0 中实现了程序的具体实现。通过下拉菜单可以测试三维声音在不同角度的效果。这样就可以利用D irectSound 技术， 通过VC6. 0 编程对三维声音进行了实时仿真， 程序较好地实现了声音的三维效果。

参考文献

[1]B radley Bargen，Peter Donnelly Inside D irectX[M].北京：北京希望电子出版社，1999.

[2]何正伟，杨宏军，花传杰.实时三维声音仿真系统的设计与实现[J].计算机应用研究，2002，19（1）：23225.

三维仿真范文第2篇

关键词：三维仿真 城市规划 城市仿真技术

中图分类号：TU98 文献标识码： A

前言

随着三维建模与可视化技术的不断发展，尤其是随着虚拟现实(Virtual Reality—VR)技术研究的不断深入开展，当前技术水平已能通过计算机整合图像、声音、动画等将三维现实环境、物体等模拟成二维形式表现的虚拟现实，再由数字传媒通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生犹如身临其境的交互式视景仿真，并可选择任何一个角度，观看任何一个范围内的虚拟现实场景。正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性追求，以及个人能够沉浸其中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统的出现，进一步推动了虚拟现实技术在城市规划中的应用与发展。

三维仿真技术的概述

三维仿真技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，使之在感知行为的逼真环境中，获得一种身临其境的感受。例如《重庆市三维数字规划管理系统》，利用地理信息系统、三维空间建模、遥感等现代信息技术，以数字地形数据、遥感影像数据、数字高程模型数据以及三维城市要素模型等数据为基础，在三维虚拟空间内实现局部的规划和建筑设计方案与区域景观的实时、多方案综合分析与决策。

二、基本概念和意义

城市三维仿真是城市空间信息在计算机环境中的三维直观表达，是数字城市概念城市规划、建设、管理领域的延伸，同时也是数字城市建设的重要基础内容。城市三维仿真技术在规划中的应用前景主要有以下几个方面：

2.1 实现城市规划精细化管理

实现从总规-控规-修规以及从项目的初步方案-正式方案-工程许可的全面三维数字化控制目标，在以往基于控规的规划电子政务管理平台的基础上进一步细化、深化和优化规划管理工作，运用可视化的图、表、文一体化界面配置工具，实现多个展示组件的互动包含：统计图、表格、文书、GIS、三维仿真等内容的综合展示模型，使图表展示工具、规划业务文书展示工具、GIS展示工具、三维仿真展示工具之间通过配置实现动态调用和信息传递，完成从文到图、从图到表、从表到文的图、表、文关联互动，使各种统计分析结果融为一体，使城市规划管理进入精细化管理阶段。

2.2 提高规划编制的科学水平

利用三维数字模型、GIS等信息化技术，为规划编制过程中的信息采集、指标分析、方案决策、成果展示等工作提供高效，直观，便捷的新方法，实现控规编制的技术方法信息化和过程管理信息化，体现规划编制“科学性”、“过程性”、“动态性”特点。

2.3 展示现状及规划情况

通过利用计算机仿真和虚拟现实技术形成的三维数字规划管理系统，将现状与规划成果带入城市景观的电脑虚拟环境中，提供一个逼真的模拟环境，从而很好地向规划管理者和市民展示该地区的现状及规划建设情况。此外，利用空间信息可视化技术可以实现分析、查询大量数据信息并以直观的方式显示结果，将传统的数据库带入到可视化空间中，以对各个方面的情况有一个全面的了解。

2.4 提高规划项目的管理效率

通过制作项目模型或者提供静态的三维效果图来展示项目的整体规划过程，这具有很大的局限性，无法完成规划对象的修改和管理。城市三维仿真技术可以设计一个可操作的三维仿真系统，为开发机构或城市规划单位提供高精度的数据服务和视觉质量。在需要修改或增减项目工程的过程中，可以直接导入或更新相关的数据信息，可以及时做出方案调整和实施，提高规划项目的整体管理质量和效率。

2.5 多样化的数据服务

利用三维仿真技术进行三维模拟和三维仿真系统的设计，可以利用三维仿真系统查询相对对象的信息资料，为规划管理者提供城市单位或部门的信息资料。在重庆市三维数字规划管理系统中，运用城市三维仿真、地理信息系统、空间数据库、关系数据库、工作流、系统集成、网络、多媒体等技术，以现有的规划电子政务平台为框架，以分布式数据库应用为基础，实现了网络环境下多数据源海量精细化城市三维仿真数据的高效管理和服务，通过强大的三维仿真，GIS分析和辅助审批功能，为现状调查、规划编制、项目方案审批、行政决策提供了直观、高效和科学的技术手段，实现了精细化建筑管理，提升了重庆市规划局规划管理技术水平。

三、仿真技术在重庆市规划管理的应用

3.1通过建立建筑物及周边环境的三维仿真模型，规划管理人员可以在三维可视化环境下观察和研究建筑物与周边环境的协调状况，还可以通过模拟建筑物的日照阴影走向和计算阴影面积来研究建筑物的高度对周边建筑物的日照的影响等（图1）。对于规划新区的建筑设计方案，由于没有实际的周边环境，可以用规划的周边环境来进行仿真模拟，还可以通过三维空间环境下的实时建筑物模型置换、建筑物纹理置换、建筑物高度调整等功能，来进行多方案的比较(图2)。此外，还可以进行特定视点的景观图生成、空间坐标查询、距离量算、属性数据管理、实时的规划指标统计等，实现对建筑方案的全面的审查（图3）。

（图1）

（图2）

（图3）

3.2 城市景观设计的应用。城市景观设计反映城市的整体风貌，城市的整体风貌依靠科学的环境资源布局来实现。利用仿真技术对城市景观进行设计和环境模拟，可以对城市建筑的空间形态、建筑形式、城市天际线、城市景观、城市色彩等多方面进行综合考虑，做出更为准确的、直观的设计方案。仿真技术的应用有助于城市规划管理人员进行多功能技能操作，从整体上把握城市空间形态的展示要点和亮点的设计，体现出城市的整体风貌和城市特色之处。同时，仿真技术利用计算机软件进行实际景观设计的环境模拟，创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，将设计的内容和效果展示在大众面前，实现人机交互，让大众和客户有一种身临其境的感受。对于城市规划评审、公示、展览、规划项目的宣传及招商引资等各方面都有着重要的指导意义和经济效益。（图4）

（图4）

3.3城市规划需要把握整个城市土地利用的决策动向，就需要对城市土地利用现状信息资料进行完整的把握，所以城市土地利用现状信息资料尤为重要。规划管理人员可以依靠当地的航空卫星影像、DEM 高程数据等基础地理数据，构建仿真三维模型，通过三维模型，可以更广泛的了解和把握整个城市的土地利用范围、现状以及城市周边的概况，对城市的整体信息资料的掌握和城市规划设计方案的确定有着重要意义。仿真技术还可以通过模拟建筑物的日照阴影走向和计算阴影面积来研究建筑物的高度对周边建筑物的日照的影响等，通过三维空间环境下的实时建筑物模型置换、建筑物纹理置换、建筑物高度调整等功能，来进行城市土地利用现状和规划设计方案的筛选。

四、小结

总而言之，三维仿真在城市规划中的应用前景是广阔的。我们有理由相信，三维仿真技术会使城市规划的产生一次技术革新，会极大地拓展和丰富城市规划的工作思路。三维仿真技术的应用，明显的提高规划审批的效率和方案设计的科学科学性，避免了传统规划评审采用大量设计文稿的方式，极大提高了设计单位、业主单位和管理单位的沟通效率，协调了与周围建筑群的空间、色彩、材料，有利于体现城市的特点，促进城市的可持续发展。

参考文献：

[1] 杨建国，黄玲，高剑锋.三维仿真技术在城市规划中的应用[J]规划信息化，2007

三维仿真范文第3篇

关键词：电网 三维GIS 仿真 体系结构

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

随着计算机技术的飞速发展，地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）在整个电力行业中得到了越来越广泛的应用。将GIS引入配电管理系统（DMS），并与用电MIS、负荷管理及SCADA等子系统相结合，为各级管理人员提供一套简单、迅速、方便的配电网运行管理系统已成为现代电力企业提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在电力系统中广泛应用的主要还是基于二维坐标的GIS系统，其空间表现和分析能力都有很大的局限性。

近年来，计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类三维对象模型，使得GIS系统从二维向三维发展。该文通过运用三维视景仿真技术，结合面向对象设计方法，提出了一种构建二维GIS与视景仿真技术相结合的方法并研究其在电网GIS中的应用前景。

鉴于二维GIS在空间表现和分析能力上的局限性，该文提出基于3D-GIS的实现思路，针对3D-GIS在电力系统中的应用特点和难点，该文给出了3D-GIS的体系结构设计和功能实现。

1 3D-GIS技术在电力系统中的应用特点及难点

从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果。二维GIS经过30多年的发展，理论和技术日趋成熟，应用已深入到测绘、土地、环境、电力、交通等诸多领域，在对地理信息的分析功能上有着无可比拟的优势。一些宏观的地理信息，一维的地理信息如河流、公路等；二维的地理信息如植被、湖泊等，在对这些地理信息的分析和处理上，比较适合采用二维GIS系统进行处理和分析。三维GIS系统是近几年才发展起来的地理信息系统技术，它的最大优点是可以真实地再现现实环境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三维GIS技术可以实现具有真实感的三维模型生成功能以及实时漫游功能等，还具有特有的三维空间分析功能。

相对于二维GIS系统，三维技术在电网GIS中的实现过程有着明显的特点及难点，主要表现在以下几个方面：

（1）三维虚拟地形环境是构成三维地理信息系统的基础和框架，首先需要解决建立场景所需要的海量地形数据的存储问题。如在输电线路GIS系统中，一条完整的线路往往要延续几十甚至几百公里，这使得相应的数字地面模型规模巨大，加上众多的河流、道路、居民区等地表特征物模型和数以千万计的输电设备模型，导致整个三维场景结构复杂，不可能将全部数据一次性地载入主内存甚至是虚拟内存，因此如果没有较好的数据模型和管理策略，系统就难以达到预定的显示效果，更谈不上良好的交互式界面。（2）在目前的二维GIS配电网管理系统中，一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备，无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联性；而在三维GIS系统中，模拟真实的电力设备（如变压器、杆塔、绝缘子、输电线）是虚拟现实的基本要求，这使得模型变得比较复杂，甚至要进行组合构造。因此，选用合理的建模方式和组织方法来处理电力设备也是实现三维GIS系统的一个重点。（3）当前三维GIS还存在技术上的限制，如在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好地性价比满足大规模商业应用的需要。如果完全采用三维GIS，势必将花费高昂的系统建设费用，在二维GIS能够满足需要的情况下，用户没有必要去一味追求高性能。

从前面关于三维GIS的特点、功能，结合在电力系统实施中面临的机遇与困难，笔者认为当前三维GIS研发应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标，不宜开发单纯的三维GIS。

2 基于二维GIS与视景仿真技术的应用体系结构

2.1 电网GIS中3D-GIS的体系结构设计

针对三维GIS的技术特点和线路管理的基本需求，在参考了其它一些商业GIS软件和电网管理应用系统的基础上，提出了该系统的三层体系结构，如图1所示。

由于目前还没有比较成熟的三维空间数据库解决方案，在三维GIS系统中的三维模型数据（如数字地表模型、地表特征物模型及电力设备模型等）和其在三维场景中的方位信息及相关属性信息往往以不同的方式存储，前者一般是文件格式，无法共享，而后者可以放在通用的关系数据库中。考虑到模型在场景中的变化主要是位置变化，为每一类设备或地物建立相应的三维模型原形，形成模型原形库；然后在系统运行时为场景中要显示的每个设备或其它要参与交互操作的模型个体建立一个实例，该实例从关系数据库中得到相应的方位信息（如杆塔底部中心的大地坐标）和设备属性信息，并同时记录着一个或多个指向三维模型原形库中的模型索引。采用这种体系结构，不但可以很好地保证交互式操作的要求，而且大大节约了存储空间（多个实例可公用一个模型原形），使系统的数据在一定程度上可以共享。

2.2 二维、三维结合的GIS系统实现的功能及其特点

二维、三维结合的GIS系统使用户可以在三维的空间中认识和管理线路，它不但包含了二维GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依赖于高程信息的查询和管理功能成为可能，可实现如下主要功能：

（1）将目标范围内的地表特征和输电网用三维模型形象化，并提供断面图、杆塔定位图和三维立体模型图；在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作。（2）结合对应的二维GIS系统，可在三维和二维系统中实现数据互动，即通过二维图上的精确定位来实现杆塔、变压器等设备的管理和维护。（3）通过飞行或漫游，查询线路经过的跨越物，并对跨越物进行统计和管理。（4）通过模拟淹没，可查询洪水灾害对电力设备的影响。（5）能选出最佳抢修路线，以便尽快恢复供电。（6）建立三维的污区分布图，准确确定自然污秽对架空线和变电站电瓷外绝缘强度的影响程度。（7）通过飞行或漫游，可制定直升机巡线的飞行路线及重点巡视点。

3 系统功能实现

对于三维模型可视化及用户交互界面开发，笔者选择Java语言，该语言具有良好的跨平台特性，而且几乎不用做更多的工作就可以移植到目前主流的基于WEB的应用。这些特性将使基于Java开发的三维GIS具备了广泛使用的基础；同时Java自身也提供了支持三维图形开发的应用编程接口Java3D，在三维可视化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技术，便于三维GIS应用开发。存储二维空间数据和三维对象属性数据采用支持空间数据管理功能的Oracle大型关系型数据库。

三维模型显示和三维场景中的漫游、缩放、旋转及飞行等功能程序设计流程如图2所示。

由于二维GIS直接采用CAD的平面数据，容易获得平面上某一点的GIS坐标，通过该点的GIS坐标找到三维视景的视点位置，就可以建立相应的三维视景。在该实例中当用户需要查询某区域三维虚拟场景时，可点击“GIS管理”中的“三维视景仿真”，在界面中就会出现该区域的视景仿真界面，在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作。

4 结语

该文初步讨论了二维GIS和三维视景仿真技术的结合及其在电网管理中的应用，两者的有机结合使系统具有二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点；同时又克服了二维电子地图的三维信息缺乏和三维虚拟场景漫游的方向迷失感，真正做到了两者的优势互补。随着计算机图形技术的飞速发展和硬件水平的不断提高，三维GIS将是整个电力行业GIS的发展方向。现实生活是一个充满三维物体的世界，只有基于三维的GIS系统才能让人们更加直观、形象地认识和理解地理和设备信息，从而提高管理水平和工作效率。

参考文献

三维仿真范文第4篇

关键词：隧道施工位移场应力场三维仿真

Abstract: with the widespread construction of subway tunnel, geological conditions, more and more complex, the tunnel, subway construction accurate 3D simulation and analysis is very important. This paper describes the use of large-scale finite element software ANSYS software for tunnel construction simulation analysis of excavation and support, realizes the simulation, analysis of the tunnel construction process of rock stress field and displacement field change.

Key words: Construction of tunnel displacement field stress field simulation

中图分类号：U455文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1.隧道结构的数值计算方法

隧道结构的动静力学计算是一项比较困难的课题。地层岩土介质和隧道结构相互作用过程相当复杂。只有那些具有规则几何形状和理想的材料特性，且载荷形式与边界条件是简单的线弹性体系，才能得到较为精确的解答。但是，对于非线性岩土体内的连续或不连续介质和任何几何外形的隧道结构，其力学计算必须借助于近似的数值方法。

用于隧道开挖、支护过程的数值分析方法有：有限元法、边界元法、有限元-边界元耦合法。

有限元法的优点在于可以考虑岩土介质的非均匀性、各项异性、非连续性和材料与几何非线性等，且能适用于各种实际的边界条件；缺点在于需要将整个结构系统离散化，进行相应的差值计算，以至于数据量大，精度相对低。

边界元的优越性在于只在所关心问题的边界上，对于隧洞计算问题，只需对分析对象的边界做离散处理，而的无限区域则视为无边界。缺点在于要求分析区域的几何、物理延续性。

有限元-边界元耦合法使上述两种方法互为补充，取长补短，实践证明可以得到较好的计算结果，对于隧道结构主要关心的区域是隧洞附近，可用有限元法：对于外部区域可按均质、线弹性模拟即可，这样对衬砌结构的计算可以得到很好的计算性。

2. 隧道施工过程模拟的ANSYS实现原理

2.1初始地应力的考虑

在ANSYS中有两种方法可以用来模拟初始地应力：

（1）只考虑岩体的自重应力，忽略其结构应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。这种方法的不足之处在于计算出的应力场与实际应力场有偏差，而且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析后续施工时，得到的位移结果是累加的初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧洞的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场，需要减去初始位移场。

（2）在进行结构分析时，ANSYS中可以使用输入文件把初始应力指定为一种载荷，因此当具有实测的初始地应力资料时，可将初始地应力写成初应力载荷文件，然后读入做为载荷文件，就可以直接进行第一步的开挖计算，所得应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，无需进行加减。

2.2开挖与支护的实现

在ANSYS中可以采用单元生死技术来实现材料的消除与添加，对于隧道的开挖与支护，采用此项技术即可有效的实现开挖与支护过程模拟。杀死单元时，ANSYS程序将对死去的单元的刚度矩阵乘以一个非常小的数，并从总质量矩阵消去单元的质量来体现“单元的死”，同时无活性的载荷（压力、热应变等）被设置为零。

隧道开挖时，可直接选择将被挖掉的单元，然后将其杀死以实现开挖的模拟。增加支护时，可首先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活时具有零应变状态。

此外，单元的生死状态可以根据ANSYS来计算结果（如应力，应变）来决定，在模拟过程，可以将超过许用应力或许用应变得单元杀死，来模拟围岩或结构的破坏。

2.3 连续施工的实现

ANSYS程序中的荷载功能可以实现不同工况间的连续计算，可以有效地模拟隧道的连续施工过程。首先建立整个有限元模型，包括将来要被杀死（挖去）和激活（支护）的部分，模拟过程无需重新划分网格。在前一个施工完成后，可直接进行下一道工序的施工，即杀死新单元、激活老单元，再求解，重复步骤直至施工结束。

3. 隧道施工过程模拟实例

3.1 仿真计算模型及参数

图2-1所示的是某隧道围岩计算模型的断面示意图，考虑圣维南原理，取周围岩土的尺寸为隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程结构属于细长结构物，即隧道的横断面现对于纵向长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移。

图3.1-1 断面图

材料性能：围岩岩体弹性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；锚杆加固岩体弹性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；衬砌单元弹性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。单位：m 、N 、s 、kg 、Pa

Ansys仿真分析中单元选取：SOLID45单元用于模拟围岩岩体结构和锚杆加固岩体结构，SHELL63单元用于模拟衬砌结构。三维模型如右图2：

仿真分析成果

仿真过程计算步骤如下：

第一步，初应力场和初位移场计算；第二步，开挖后支护前应力场和位移场计算；第三步，支护后应力场和位移场计算。

应力场变化情况

由等效应力图3、图4、图5知隧道开挖前应力为0.35MPa左右；开挖后支护前洞身周围的应力为0.69MPa左右，增幅为97%；支护后洞身周围的应力为0.47MPa左右，减幅为22%；

位移场变化情况

由等效位移图6、图7、图8知隧道开挖前地表位移为43.4mm左右；开挖后支护前洞身周围的地表位移为47.1mm左右，增幅为8.5%；支护后洞身周围的地表位移为48.1mm左右，增幅为2.1%；

4. 结束语

隧道开挖是一个三维力学问题,本文分析了隧道施工中岩体应力场和位移场变化情况,利用通用有限元程序ANSYS软件，综合考虑了土体分层、土体与支护体系作用以及岩体自身的非线,并结合刘阳河隧道工程实际,对施工过程进行了动态仿真模拟。通过计算得到了施工过程中周围土体的位移场、应力场及地表土体的变形规律,并与实测数据进行比较,计算值和实测值吻合良好,表明本文提出的三维有限元模拟隧道施工的方法是可行的。

通过上述数据知隧道开挖后对岩体的扰动大，岩体应力释放后仍有很大的残余应力，洞体周围的应力比开挖前增加了97%，支护后隧道周围土体的应力比开挖后减少22%，支护后岩移明显减小并趋于稳定。因此在施工过程中应遵循“短进尺、弱爆破、勤支护、早封闭”的施工原则。

参考文献：

[1] 王元汉，李丽娟，李银平.有限元法基础与程序设计.广州：华南理工大学出版社,2001.

[2] 王敏强, 陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真. 岩石力学与工程学报, 2002.

[3] Ito T, Hisatake K. 隧道掘进引起的三维地面沉降分析[J]. 隧道译丛, 1985.

三维仿真范文第5篇

关键词：变电站 三维仿真系统 仿真场景

中图分类号： TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在电力系统的输送配电过程中，变电所是其重要环节，适用于调整电压的场所。其运行操作随着变电站系统不断发展，其自动化进程也趋于复杂，也使得对工作人员业务熟练程度及技术水平的要求越来越高。在系统实际运行中，因变电站系统具有特殊性，难以对工作人员开展培训工作。现如今仿真培训系统主要有两种：软件仿真与物理仿真模式。软件仿真主要是对现场录像、实体图片、平面接线图与数据图表等进行仿真，其过程沉浸感较为缺乏。物理仿真主要是依靠于专业设备，但其又具备可移植性较差、系统庞杂与实施时成本略高的缺点。目前，在变电站的仿真培训系统中最为常用的就是三维虚拟变电站的仿真系统，因其具有灵活多变的培训方式，且造价较为低廉，在运行上也较为便捷，在三维虚拟的变电站仿真系统中培训，其培训过程存在较强沉浸感与真实感。此外，虚拟现实仿真技术的实现不仅需对电气设备几何模型进行建模，建模中还需加入对变电站周围环境的仿真模拟。

1国内外对三维变电站仿真系统的研究现状

在电力系统中，电厂仿真培训首先对仿真培训系统进行了运用，变电站的仿真培训也因电网调度的仿真培训而逐渐展开。计算机技术的应用与发展，促使变电站的仿真培训系统也逐渐发展起来，其发展进程由于变电站中自动化水平的提高而起到了推动作用。

20世纪60年代～70年代左右，电力系统仿真培训系统兴起并在火电厂中被应用，之后随着发展其范围扩增至变电站及电网的培训中。早期的火电培训仿真机投入使用于日本及英国与美国，最具代表性的为日本的关西电力公司“变配电的技术培训中心”的建立。我国首套火电仿机组的研发建立时间为1982年，变电站及电网仿真培训系统直至80年代末期才开始建立。我国首套DTS为东北电网仿真系统，研制时间为1990年。早期应用的变电站的仿真系统由于其运行操作较为简便，变电站的数量增大，但容量较小，再加上自动化的水平过低，从而导致其应用的效率不高。

2三维变电站的仿真系统研究成果

通过研究三维建模、计算机图形与仿真场景生成这三种技术，从而使渲染和生成三维仿真场景、环境与变电站设备的建模及二维场景保存与绘制得到实现。三维场景图漫游与渲染、场景图由二维向三维的转变通过OSG技术都得以实现。通过研究应用系统子模型，三维变电站的仿真场景实现优化，具体研究如下。

2.1变电站中其设备建模的实现

电压互感器、变压器、隔离开关及电路器等组成了变电站设备。用三维方式将变电站设备的仿真场景进行表示。通过对三维建模技术研究，变电站的设备建模是使用 ， 的模型文件是通过 的插件将其以IVE三维格式导出，在OSG的编程中可方便调用。

2.2绘制二维变电站的场景图

变电站周围的建筑环境与其各设备表示为二维图元，图元的编辑操作与其绘制使利用MFC所封装各类的绘图函数来进行的。读写操作是通过二维图形文件的格式研究，在设计中将二维场景图的文件格式与文件存储设置成自定义来实现的。

2.3生成三维变电站的场景图

通过研究现有仿真的生成技术，三维变电站其场景图的设计是通过OSG技术来实现的，在这一过程中还对变电站的场景图由二维向三维转换得以实现，由此证明，生成三维变电站的场景图是以其二维场景图为基础的。

2.4渲染三维变电站的仿真场景

渲染三维变电站的仿真场景实现是利用OSG技术，在此过程中还实现了场景的碰撞检测与漫游等。通过研究粒子系统，使其仿真场景天气模拟得以实现（如雪与雾及雨、风等），使模拟效果更为逼真。

3什么是三维仿真场景

通过对现实环境形象的三维模拟技术，在虚拟场景中，用户可对于其中的信息进行查询与预览，还可对虚拟物体进行场景交互的操纵，使用户在使用过程中仿佛身临其境，无需处于真实环境中即可有相同效果的感受。三维的仿真场景涉及多门学科，如人工智能、现实虚拟及计算机的图形学等，在人机工程的工作环境、培训及教育等仿真领域中被广泛应用，除此之外，该技术还应用于规划领域、动画的制作领域、建筑领域、产品的展示领域及园林领域等。

4三维仿真场景结构

仿真场景应用于虚拟现实中，一般为是用来描述场景图。三维场景的元素存储就是场景图，在场景中对所有物体与物体相互间的关系有保存作用。本身场景图就属于一种层次结构，其空间的数据集所使用的是自上而下树状结构图，以此为组织形式来达到渲染效率得到提升的目的。

诸多类型不同的节点构成了场景图，物体是由节点表示的。根节点是全部三维的仿真场景图，场景图位于树形结构顶端；场景图最底端为叶节点，物体在场景中实际的几何信息包含其中，叶节点场景效、光源、实体及地形等基本单元构成；组节点位于根节点下一层，包括的控制信息为物体的外观渲染状态及其几何信息，每个组节点与根节点都对子成员拥有零个或者多个（注：组节点为零个子成员，则不对其进行任何的操作），组节点中场景几何体的排列是通过OSG的程序进行的。在此种层次的结构中各节点可准确将其环境中的父子关系与其位置进行描述，在场景图生成前，各图层数据都要分别建模。如图1所示，各节点间与场景图层次结构位置关系。

图1 各节点间与场景图层次结构位置关系

场景图中所包括的节点其功能是不同的，比如说，开关节点 对其子节点的设置作用是可用或不可用，LOD细节的层次节点，其不同子节点的距离调用是依据观察者对其作出的观察决定的， 变换节点可对其几何体坐标根据子节点的改变来对其状态进行更换。所有的节点类都有相同的基类，又各具不同的功能方法，场景图的继承机制，可为节点提供多样性。

5三维仿真技术

通过对计算机技术的使用，生成一个具备触觉、听觉及视觉等包含多种感知、虚拟且逼真的环境，用户可通过虚拟环境中虚拟对象与外设装置的相互作用来体会，此种技术就是三维仿真技术。其技术包括粒子的系统模拟、碰撞检测及包围盒技术。

5.1粒子系统

粒子系统在三维的计算机图形学中，是对某些特定模糊的现象进行模拟的技术。在此系统中，粒子模拟过程通过OSG实现了较为复杂的过程，比如雨天特效、雪天特效及雾天特效等。粒子行为在粒子系统中的控制是通过对其空间的扭曲实现的，对粒子流施加仿真特效的影响，如风力、阻力及重力等，可对天气现象在三维场景中被有效的模拟出来，从而使视觉效果更为逼真。

5.2碰撞检测

碰撞检测随着分布交互及虚拟现实等技术发展，已成为该领域中的热点研究对象。在虚拟的环境中，培训者沉浸感随碰撞检测精度越高而越强，促进虚拟环境中真实性的提高。虚拟场景仿真场景渲染率与实时性受实时碰撞的影响很大，所以，在该领域中，碰撞的检测技术也是难点之一。需要碰撞检测解决的核心问题就是虚拟场景中漫游实时性的保证、算法效率的提高及相交测试中对象数目的减少，碰撞检测基本任务就是确定物体之间（多个或两个）是否有穿透或者接触。碰撞检测的算法有空间分解法与层次包围盒法。这两种算法加速碰撞检测都是通过相交测试的几何数目减少为基本思想的。

5.3包围盒技术

包围盒技术在计算机几何领域与计算机图形学中，在虚拟场景将几何体（简单且规则）对象进行包围，简化其计算方法，以此促进几何运算效率的提高。

5.3.1碰撞检测

判断两个包围盒或者物体包围盒和检测线是否有相交，无相交，物体间则无碰撞发生；相交，则有碰撞发生。

物体在场景中的构建是以实体为依据的，一般几何体为不规则，但物体包围盒的几何体一般都是规则的，因此碰撞检测不对物体本身直接使用，碰撞检测的检测效率提高是通过物体包围盒直接碰撞进行的。

5.3.2光线渲染与跟踪

包线盒用于光线跟踪时，其功能为相交检测，用于渲染算法，则是检测视体。如包线盒与视体或者光线无相交，则盒内物体不相交。物体列表可通过相交检测来获得，如果场景中物体在列表中显示，就说明被栅格化或者渲染。

6结语

三维变电站的仿真场景生成系统，可使其开发周期有效缩短，避免重复性的开发工作，利于开发成本的降低。此外，该仿真场景的实现，不仅提供了高效且安全的培训平台，也促使变电站工作人员对其各部分有了更为深刻的了解，从而使其业务能力与操作技能得到提高。

参考文献

[1]赵晓冬，孙大伟，王斌，等.330kV变电站仿真系统的设计和实现研究[J].电源技术应用，2013（1）.