仿真软件

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仿真软件范文第1篇

【 关键词 】 差分功耗分析；功耗分析仿真软件；高阶功耗分析

【 中图分类号 】 TP311.52 【 文献标识码 】 J

1 引言

自P. Kocher提出功耗分析概念以来，在功耗分析实施过程中的功耗采集、功耗轨迹生成、功耗分析攻击三个主要实现环节中，只有功耗分析攻击的讨论最为深入。究其原因，功耗采集、轨迹生成都有固定的方案可循。而功耗分析攻击涉及到密码算法及其运行过程中一切数据的变化和中间值的估计，必然会复杂和深入得多。一般，功耗分析攻击都是在加密设备的物理硬件平台上完成。对加密芯片设计者而言，所设计的算法软件和其他方面的设计必须在样品设备制造出来之后才能测试验证。对一个已经设计并付诸生产的嵌入式加密芯片而言，后期的验证已经来不及对其进行结构上的调整和修正，且测试周期长，代价高。因此，如能设计一个好的功耗分析仿真软件，不需要搭建硬件实验环境和物理目标设备，通过软件仿真硬件功耗消耗，执行功耗分析攻击，能仿真多种加密算法在多种类型加密设备上进行测试，并能及时反馈所用攻击方法及防御方法的性能和效果，具有极大的实用价值。

1.1 功耗分析仿真软件研究现状

到目前为止，国内外对功耗分析方法的研究仍属于探索和起步阶段。

2003年Einhoven大学的ECSS研究小组设计和开发一种基于功耗泄露攻击的仿真试验平台PINPAS，该仿真平台能对AES，ECC算法在内的密码算法的功耗泄露进行仿真。PINPAS仿真平台实现了简单功耗分析攻击、一阶差分功耗分析攻击。

2004年剑桥大学的EMA项目组以电磁辐射攻击为背景展开相关研究，通过对密码芯片运算时的电磁泄露进行建模，在设计阶段对密码芯片进行电磁分析。EMA项目开发了一套电磁攻击的仿真实验环境，能处理简单电磁攻击和差分电磁攻击。

2005年清华大学的研究人员提出一种功耗分析模拟研究平台，该平台为功耗分析及抗功耗分析提供一个理论研究平台，可以为最终的芯片实现提供一定的安全依据。

2007年上海交通大学的研究人员在进行功耗分析实验的研究中，对旁路功耗分析测试平台进行了详细的描述，给出了整个系统的总体设计框图，用图表的方式描述了攻击测试的流程。

2008年电子科学技术大学的范明钰、张涛、李欣等研究人员在开发旁路攻击仿真软件上进行了一些尝试，初步完成了一个仿真软件SSSCA的相关设计与编写工作。该仿真软件中加密算法和SSSCA平台均是用高级语言描述，目前只完成简单功耗分析攻击和一阶差分功耗分析攻击。

2 仿真软件设计目标和总体架构

2.1 功耗分析仿真软件设计目标

本文所开发的功耗分析仿真软件模块作为整个仿真软件系统的一部分，已完成几个设计目标。

1） 采用自上而下的设计，搭建软件的整体架构，功耗分析仿真软件的最终目的是能够仿真多种加密算法在多种虚拟硬件平台上的泄露功耗进行分析，随着项目开展，能不断扩充算法模块，因此整个软件系统结构需要良好的扩展性。

2） 完成密码算法的IP（Intellectual Property Core）核设计。

3） 设计从硬件描述语言到高级语言的接口设计。

4） 设计加密算法的一阶功耗分析模块，该模块包括功耗统计，功耗分析攻击，最后获得一条直观的功耗分析攻击曲线。

5） 设计加密算法二阶功耗分析模块，该模块包括功耗统计，功耗分析攻击，最后获得一条直观的功耗分析攻击曲线。

2.2 功耗分析仿真软件总体架构

本文设计了一个功耗分析仿真软件总体架构，对加密算法IP核进行功能模拟，提取出功耗曲线，并对其进行功耗分析；另一方面，亦可以利用这一软件评估抗功耗分析攻击算法设计的有效性和可行性。功耗分析仿真软件总体架构如图1所示。

3 仿真软件各功能模块

3.1 加密算法IP核设计

用硬件描述语言实现加密算法。模拟加密芯片从数据输入到数据输出的全过程。

3.2 代码仿真模块

代码仿真模块主要是建立在大量的实验基础上，完成密码算法过程中中间值与功耗数值之间的工作、功耗数据采集工作。

本文中代码仿真器选择的是Mentor Graphics 子公司Model Technology的产品Modelsim，属于编译型的Verilog/VHDL混合型仿真器。它是一个第三方软件，其功能仿真和综合布线后的时序仿真便捷快速，在软件环境下，验证电路的行为与设想是否一致。

3.3 功耗分析模块

功耗分析模块是整个仿真软件架构的核心，流程图如2所示。它的能力代表了仿真软件的能力，由于加密算法的实现不同，功耗分析工具不能做到完全通用化。本文自主设计开发出一个功耗分析仿真实验平台PASP（Power Analysis and Simulation Platform），完成功耗分析模块的处理工作。

数据预处理是指对加密算法IP核经Modelism运行后，收集到与密钥相关的中间变量的值进行处理，以实现从硬件描述语言到高级语言设计的接口。

功耗分析处理又是功耗分析模块的核心部分，它主要包括两个部分：功耗统计和功耗分类处理。

数据后处理，将得到的功耗偏差作为纵坐标，子密钥解空间的值作为横坐标，画出一条直观的功耗分析波形图。

4 功耗分析实例

4.1 仿真工作流程

一个完整的功耗分析仿真软件工作流程如图3所示。

4.2 功耗分析实例

本文在自主开发功耗分析仿真软件上做了一些尝试，初步完成一个功耗分析软件PASP（Power Analysis Simulation Platform）的编写工作。图4为PASP软件界面，通过选择可分别进入一阶或高阶功耗分析。

以AES的一阶功耗分析和FVMAES二阶功耗分析为例，展示本文所开发的PASP平台。点击功耗分析的类型，分别进入一阶功耗分析和高阶功耗分析界面。

选择密码算法类型，此处可以扩展，本文以AES、FVMAES加密算法为例，先选择算法类型，然后输入信号文件，信号文件为经Modelsim运行后与密钥有关的中间值文件，点击数据预处理，得到功耗点时刻即D值时刻。由于一阶界面与高阶界面展示的内容一致，只是内部实现算法不同，本文只给出一阶界面图片。

进行功耗统计，计算加密运算过程中，中间变量在D值时刻，所产生的功耗。

功耗分类处理，用D值对功耗数据进行区分，采用基于均值检验的方法进行分析，结果如图9所示。

数据后处理，将得到的功耗偏差作为纵坐标，子密钥解空间作为横坐标，画出直观的波形图。AES一阶功耗分析和FVMAES二阶功耗分析图分别如图10、图11所示。

5 结束语

设计了一个功耗分析仿真软件总体架构，描述了仿真软件各模块实现的功能，最后通过实例展示本文开发的PASP平台。该平成模拟用硬件描述语言实现的密码算法IP核进行功耗分析的全过程，在设计阶段即可验证和评估嵌入式加密芯片的功耗分析攻击及抗功耗分析方法的性能，大大提高工作效率，降低开发时间和开发成本，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] Kocher P， Jaffe J， Jun B. Differential power analysis[C]//Proceedings of Advances in Cryptology- CRYPTO’99， Santa Barbara， CA， USA，1999：388-397.

[2] G. Hollestelle， W. Burgers. Power analysis on smartcard algorithms using simulation. Technical Report， Eindhoven， University of Technology， December2003， l-37.

[3] Huiyun Li， Moore S， Markettos A T. A simulation methodology for electromagnetic analysis and testing on synchronous and asynchronous processors. Cryptology Print Archive， 2004，1-10.

[4] 刘鸣，陈弘毅，白国强.功耗分析研究研究平台及其应用[J].微电子学与计算机，2005，22（7）：134- 137.

[5] 陈志敏.安全芯片旁路功耗分析及抗攻击措施[上海交通大学硕士学位论文].上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2006，14-26.

[6] 李欣.RSA公钥密码算法的能量分析攻击与防御研究[电子科技大学硕士学位论文].成都：电子科技大学计算机科学与工程学院，2006，58-59.

[7] 章竞竞. 一类加密算法的功耗分析及其防御研究[湖南大学硕士学位论文].2010，37-48.

[8] 章竞竞，李仁发，李浪.DES差分功耗分析研究及仿真实现[J].计算机工程与应用，2010， 46（33）：82-84.

作者简介：

仿真软件范文第2篇

关键词：分条机；底刀轮；流场分析；ANSYS Fluent

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.204

0 引言

分条机采用的是分条切割，可将产品同时分切成多条，其生产效率非常高。与传统的分离方式相比而言，尽管有些昂贵并且安装不便，但是它的切割速率非常高，切割边缘还能够达到最好的质量，不会有毛边和锯齿。

分条切割机在工作时，由上下两个切割的刀轮相互接触，挤压原料，使之在刀轮口产生剪应力，从而切断原料。如同剪刀一样，两个刀轮的刀口处同样很锋利。但是，在实际生产中会发现，刀口附近在刀轮高速运转的情况下，周围会产生明显的“风”，而“风”会影响原料的剪切，使剪切后的边缘呈现毛边或者锯齿状，甚至会产生歪斜，使产品报废。为了避免“风”的出现，研究底刀轮在高速运转下的周围流场情况是极具意义的。

1 底刀轮周围流场建模

由于底刀轮形状结构非常简单，无需对其几何形状做任何的相似简化。但是在流场搭建过程中，要注意流场区域的大小，不能过小，过小会导致观察到的结果与真实情况有出入，其次边界形状也要设计合理。本文中的底刀轮的运动为旋转运动，故流场采用圆柱形。由于本文只做流场的模拟分析，不涉及零件的固体应变分析，所以刀轮的零件部分在模型中需要挖去。同时，又因为流场区域较大，对计算机负担较大，为了减小计算机的负担，采用周期边界的方法减少流场模型，本文采用1/4区域进行建模。

2 模型网格划分和计算参数设定

在完成几何建模后，退出Geometry，进入Mesh功能。由于流场为三维状态，故网格采用四面体网格，因形状较为规则，只有部分区域网格划分细密，网格数量共计282069个。

导入Fluent后，首先进行基本设置，计算的流体模型选用k-omega中的SST模型。只所以选用SST，是由于底刀轮在工作时周围仅有空气这一中流体，且空气的密度小，粘度低，而刀轮所做的运动为旋转运动。由于刀轮处于旋转状态，故采用相对位移原理，将流场设置为旋转流场，刀轮不动，转速为3200rpm，周期边界属性设置为周期。调整残值监测中的absolute criteria数值为0.0001，然后开始计算。

3 流场分析结果对比

计算结束后，退出Fluent设置，进入CFD-Post查看Y果，在刀刃处和轮缘处分别做一个平面，在平面上显示压力结果图。

从结果图中可以看出，在刀口附近的轮缘处有范围较大的压力变化，而在刀刃处压力变化范围较小。这说明刀轮在高速运转中的压力变化有可能是因为刀刃结构的凸起，凸起的刀刃与轮缘的直径数值不同，在旋转时线速度不一样，可能导致周围空气流场产生风。

当然，以上结论只是一个推测，并不能说明风的真正来源，为了验证以上结论，还需要做一个转盘实验模拟。

为了检验以上结论，本次模拟依旧采用Fluent软件，流体、计算模型等参数不变，只改变流场的几何模型。新建集合模型，以底刀轮的刀刃面为转盘，设置单侧的流场，流场形状为圆柱形，网格数量为291411。然后开始计算，计算结果如图4所示。

在volume velocity图中可以看出，在转盘附近处有明显的速度变化，但是变化范围比较小。从velocity streamline中可以看出，气流在转盘形成漩涡状。这说明，底刀轮在旋转时，刀刃外侧面也会有气流产生，该气流也可能是产生风的一个原因。

4 结论

在模拟试验之前，并不了解风的产生原因，猜测是单一原因造成。在模拟实验之后，虽然证实了猜测的原因，但是同时还发现了其他原因，所以产生风的原因不唯一，既有刀刃与轮缘的直径差距导致线速度不同造成风，也有刀刃侧面与空气接触的部分因高速旋转而产生风，是否还有其他原因产生风，还有待进一步的模拟实验验证。

参考文献：

[1]Reinhold Schable.Four factors to consider in razor slitting [J].Converting.2003（09）.

[2]Peter Wood.Optimizing the Shear Slitting Process[J].PLACE Conference.2007（09）.

[3]唐家鹏.Fluent 14.0超级学习手册[M].人民邮电出版社，2013（04）.

仿真软件范文第3篇

关键词：数控教学；VNUC；仿真加工

Abstract: The VNUC simulation software of NC teaching as the research subject, introduced the VNUC simulation software and its features, analyzes the advantages and disadvantages of CNC simulation software in the teaching of NC, proved by teaching practice, the application of VNUC simulation software can not only make up the equipment deficiencies, and mobilize the enthusiasm of students, improve the quality of teaching.

Key words: CNC teaching; VNUC; the simulation process

中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

随着“三本”院校加强对于学生动手能力的要求，以及数控加工在机械制造业中的广泛应用，对数控相关技术人员的需求日益增加，数控操作者的大量培训便成为迫切的问题。在传统的操作培训中，数控编程和操作的有效培训必须在实际机床上进行，这既占用了设备加工时间，又具有风险，培训中的误操作经常会导致昂贵设备的损坏[1]。随着计算机技术的发展，尤其是虚拟现实技术和理念的发展，产生了可以模拟实际设备加工环境及其工作状态的计算机仿真软件。它用计算机仿真软件进行培训，不仅可迅速提高操作者的素质，而且安全可靠、费用低。

数控机床仿真加工是数控技术课程的辅助教学手段，能充分利用现有资源节省时间降低风险，最大限度为学生提供动手实践机会，将课本上所学数控加工知识通过仿真加工模拟完成。数控仿真通过不同类型典型零件的模拟加工弥补实践操作中的种种不足，从而刺激学生的感官认识，提高他们学习的主动性和积极性，快速提高学生的理论和实际水平。因此VNUC数控仿真软件在数控教学中发挥着重要的作用。

结合我校数控技术这门课程来说，由于学生基础差，学习被动无兴趣等，要在这样的条件下要培养一个合格的数控技术人才谈何容易，这就要求探索出一套适合当前现状的教学方法。通过一段时间的数控教学，发现数控仿真软件能在其中显示出桥梁作用，能使理论和实践有效的衔接，打破了传统的数控教学模式，增加了学生动手的机会，提高了操作的熟练程度。因此，把数控仿真软件用于教学，是解决这一问题的有效途径[2]。

1 VNUC数控仿真软件的简介

在数控加工过程中，为了检查数控程序的正确性，传统上采用试切的方法进行检验，但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即用计算机控制铅笔绘图器，以笔代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具运动轨迹的二维图形。这种方法可以显示二轴加工轨迹，也可以检查一些大的错误，但其运动仅限于平面，局限性很大。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来检验加工的切削轨迹。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展。在这种情况下，数控加工的计算机仿真软件应运而生。

目前国内已经出现了各种数控加工仿真教学系统，如北京斐克(VNUC)、上海宇龙和南京宇航等不同数控加工仿真软件。但结合学校现有的资源，在教学中主要以北京斐克(VNUC)系统为主辅助教学。该软件由北京市斐克科技有限责任公司和北京联高软件开发有限公司依据《全国现代制造技术应用软件课程远程培训》中的教学要求，联合研制开发的一款基于虚拟现实技术的数控加工技术教学软件[1]。

VNUC包含了常见型号的数控机床，如卧式数控车床、3轴立式数控铣床和3轴立式数控加工中心。该软件更包含了种类繁多的主流数控系统，如FANUC、GSK、华中HNC、KND和SIEMENS等系统。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。数控车床上的圆柱状毛坯可以是实心棒料和空心套筒两种，铣床或加工中心的毛坯是可以自行定义大小尺寸的长方体毛坯。不论车床还是铣床其毛坯材料的种类十分丰富，操作者可以根据实际情况来选择使用。

2 VNUC数控仿真系统功能

（1）熟悉数控系统的操作

系统中包括国内外大部分数控系统。如：FANUC、西门子、华中数控等，在主要的三大系统中，又分车、铣、加工中心，不同的系统型号共20多种。学生可以通过此软件熟悉多种数控系统的操作。

（2）检验程序的正确性

学生在学习编程知识后，编写好程序后，可模拟加工仿真过程，像数控机床一样，进行一系列的数控加工过程，看程序是否正确。

（3）检测操作的规范程度

学生在操作VNUC仿真软件时，出现操作真实数控机床时相同的误操作，软件可以发出报警，以便改正。

（4）记录操作功能

在学生操作过程中，可以把操作过程全程记录下来，以备老师来检验操作是否正确。

（5）全面的检测功能

碰撞和干涉检验在这里主要检验刀具和主轴相对于非加工部件如夹具、工件的非加工部位、加工工作台的干涉现象，也可用来检验由用户指定的物体之间的干涉现象，由于加工过程由NC代码驱动，通过有数控程序预检查和运行中的动态检查功能，干涉出现位置的NC代码信息可及时反馈提交用户进行检查和修改，从而防止了误操作的发生。

（6）具有数控程序处理功能

能够通过DNC导入各种CAD／CAM软件生成的数控程序，例如Mastercam、Pro／E、UG、CAXA等，也可以导入手工编制的文本格式数控程序，还能够直接通过面板手工编辑、输入、输出数控程序。

（7）具有互动教学功能

仿真软件的互动教学功能也使得教师通过教师机，在每位学生机上演示其教学内容，学生可以非常清楚地观看和练习，同时教师也能在教师机上观察每位学生的操作情况，对学生进行教学指导；还可利用仿真软件的考试功能对学生进行考试，了解学生对数控加工过程的掌握情况，不断调整教学进度。利用数控加工仿真软件教学，可使抽象内容形象化，以达到最佳教学效果 [3]。

3 VNUC数控仿真软件教学中的优缺点

VNUC数控仿真软件在教学中的优点：

1)通过情境教学，提高学生学习的主动性、调动学生学习的积极性，培养他们的创新意思。

可以弥补学校数控设备不足的问题。

通过在教学过程中利用VNUC数控仿真软件学习，结合“三本”加强动手能力的特点，充分体现理论指导实践的理念。通过边学边练，让他们在愉快的氛围中接受新知识和新技能。

利用VNUC数控仿真软件的全面检测功能，可以设计出实际加工中可能出现的任何问题，让学生进行思考和解决，从而加深认识在课堂教学中无法达到的效果。

数控加工仿真软件的应用，虽然为我们在相当程度上弥补了因数控设备不足而无法满足学生实际动手操作训练的缺陷，但也不是完美无缺，事实上在它发挥优势的同时，也存在一定的问题。如下：

1）VNUC数控仿真软件无法替代学生在真实切削加工中的实际感受。譬如：加工过程中刀具的影响、切削用量选择合理与否在加工中的作用、产品粗糙度无法检验以及加工环境和氛围的感受等。而这些恰恰是学生技能训练的要求。

2）利用VNUC数控仿真软件教学容易使学生对仿真加工产生依赖心里，

疏于实际加工，造成学生的自满情绪，从而放松学习，懈怠训练。

3）虽然它的操作面板和系统和实习机床是相同的，但VNUC仿真软件在车床上安装毛坯时，毛坯只能选成棒料，在选择好的一个机床上加工好的零件不能在另外的机床上后续加工等。

4）学生对数控的加工工艺的合理安排、工艺参数的正确设置无法产生深刻的体会。如应用仿真软件时无论学生任意安排工艺路线及工艺参数，比如切削速度和刀具设置不一样，加工出来的工件效果几乎一样，因此学生们对合理的工艺路线和参数难以仔细考虑。

因此作为一个仿真软件，它和实际机床还是有很多区别的，无法真正代替实际机床，所以仿真软件使用只能作为缩短实习时间，提高实习效率的一种辅助手段，必须适当的安排实际操作来弥补其不足之处。

4 结语

VNUC数控加工仿真软件是利用计算机虚拟动画技术来模拟实际机床的加工过程，可使用户既能掌握数控机床加工的基本原理，又能掌握数控机床操作的基本技能。将该软件应用于教学培训和实际生产中，可以减少培训成本，保证生产质量，具有十分重要的意义[4]。总之，只有科学、合理的将VNUC仿真软件与实际操作有机结合起来并应用到数控教学中，就能更好地为教学服务，提高教学质量。

参考文献：

[1]李芹.基于VNUC数控仿真软件下的教学[J].科技风,2009,（19）

[2]陈国庆,沈先君.数控机床仿真在数控教学中的应用[J].科教文汇,2007,（30）

仿真软件范文第4篇

关键词：电路；仿真软件；应用

电路是高校电子与电气信息类专业的技术基础课，是后续专业课程，如模拟电子技术、电力系统分析等课程的基础。传统理论教学较为枯燥，学生缺乏学习积极性；实验教学大多采用挂箱，学生难以发挥自主性。为解决这些问题，教师可以将仿真软件引入电路教学。

一、传统电路教学现状

电路研究对象是实际电路按照一定的依据进行科学抽象而得到的电路模型，所有元件具有确定的电磁性质和精确的数学定义。传统理论教学中，以介绍理想电路元件的电压电流关系、电路的求解方法为主，理论知识和数学推导居多，学生觉得抽象、难度大、枯燥，缺乏学习积极性。在传统实验教学中，大部分高校采用实验挂箱进行实验，学生只需按照实验指导书按部就班操作即可，难以对实际电路元件、接线、原理有较好的认识，实验也就成了走过场。由于实验室器材及实验教学时间有限，一些综合性、探索性实验难以实现，制约了学生的学习主动性。

二、教学中引入仿真软件的优势

电路仿真软件，如Multisim、EWB、PSPice等都具有电路设计与仿真的功能，在教学中引入仿真软件，可以解决传统教学中的一些问题。

理论教学中引入仿真软件后，教师可以在仿真软件中搭建电路模型，将理论计算结果与仿真结果进行对比，从而激发学生的学习兴趣。对于一些复杂的波形，如动态电路的电压、电流变化波形，可以通过软件仿真得到，效果更加直观，可以提高教学效率和质量。一些仿真软件还具有分析功能，如MATLAB，可以对仿真得到的波形作更深入的分析，加深学生对理论知识的理解。

实验教学中，可以将实物实验与仿真实验结合进行。在实物实验前，先通过仿真熟悉电路工作原理，有效避免实物实验中因不熟悉工作原理导致的器件损坏或人员伤害事故。仿真软件具有丰富的元件库，参数修改灵活，连线方便。一些综合性、探索性实验可以通过仿真进行，能有效解决实验室器材及教学时间受限的问题。仿真实验没有器材、地点、时间、安全的限制，学生可以自主进行仿真，扩展了实践空间。

三、MATLAB/Simulink在教学中的应用举例

MATLAB/Simulink中的SimpowerSystems工具箱提供了一些电路元件，学生可以搭建电路模型进行仿真，借助于MATLAB强大的编程功能，可以进行复杂的数据分析。

本文以一阶RC电路的零输入响应为例，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，如图1所示。R=100Ω，C=10mF，电容初始电压U0=100V，开关在t=0时闭合，观察电容电压的变化。按理论分析，，将理论波形与仿真波形对比，如图2所示，可以加深学生对一阶RC电路动态波形的理解。将一些典型的电容电压仿真值与对应时间列于表1中，理论上电容电压从U0变为36.8%U0，对应的时间为τ，，仿真中对应时间为0.0102s，与理论值0.01s接近，由此能形象说明时间常数的意义。

四、结语

将仿真软件引入电路教学中，可以使理论教学更加直观、形象，激发学生的学习兴趣；可以使基础性实验最大限度地发挥作用，加深学生对电路工作原理的理解；还可以为综合性实验、探索性实验提供不受时间、空间、器件限制的计算机仿真实验平台，为培养学生的自主思考和创新能力提供了机会。

参考文献：

仿真软件范文第5篇

关键词：三维虚拟仿真；视景仿真；机械结构模拟；软件设计；图像处理

0引言

随着机械设计工业的快速发展，对机械结构设计的精度和时效性提出了更高的要求，机械内部结构组成单元复杂，各个零部件的尺寸精密度较高[1]，传统的工业制图方法进行设计误差较大，不能有效满足精度设计和精准诊断的应用需求。而计算机图形与图像处理技术的快速发展并有效应用在机械结构模拟设计中[2]，通过高精度的计算机测量计算，从而改善机械结构的制图精度。为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，结合虚拟现实VR技术和视景仿真技术[3]，本文提出一种基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案，通过机械结构三维虚拟设计软件开发，改善机械内部结构绘图的精准性，为机械设计、机械制造和机械故障诊断提供更为有效的手段。

1软件总体设计构架

基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件采用循环传输和多线程加载方案进行机械测量参数加载，采用接触式射频识别进行机械结构的三维信息测量，这是一种远程传感测量方法，能有效满足机械部件测量的精准度要求。系统的数据传输模块由模块FRINF⁃16CCL⁃M和主单元FRINF⁃16M组成。后端服务器采用Java+MySQL并行程序加载方式搭建，视景仿真构架下的机械结构三维虚拟模拟系统主要由机械结构信息采集单元、机械结构信息存储数据库、Web网络应用服务器单元及服务后台组成。采用MultigenCreator建模软件进行视景仿真，对机械内部结构进行纹理和质地渲染，渲染出质感极强机械结构的三维虚拟模型。在服务后台通过纹理映射和人机交互，输出三维虚拟图像，在网络通信输出终端进行人机对话，建立OpenFlight数据库，实现机械设计和故障诊断分析等应用功能[4]。根据上述设计原理和总体结构构架分析.进行功能模块化分析，软件系统的功能模块主要由图形微处理器模块、总线集成模块、3D几何建模模块、机械结构测量数据采集模块、对外接口模块、数据建模模块和机械图像输出模块等组成.根据上述系统的总体设计构架，进行机械结构三维虚拟模拟系统优化设计，首先进行工程文件构建，采用4类基本实体对象（三维虚拟信息处理、视景仿真、中间件和感知视场）构建软件系统的应用业务适配层，结合MobileGIS服务构建视景仿真软件的客户端/服务器端，对机械结构的三维虚拟模拟中，三维视景仿技术主要采用的是纹理映射（TextureMapping）的三维渲染技术[5]，采用多线程自上而下开发模式，在三维仿真模型中构建渲染画面，确定机械结构关键部位点的位置和方向，结合三维虚拟场景的层次化结构进行虚拟位图显示和图像增强，实现对机械结构的亮点特征分析。

2系统模块化设计与实现

2.1机械结构的三维虚拟模拟实体建模

对机械结构的三维模拟仿真建立在MultiGenCre⁃ator专业化的建模工具基础上。通过工程文件配置，使用MultiGenCreator的结构化软件界面输入视景仿真的参量模型，采用由“点”连接成“面”的设计方式进行三维纹理信息渲染[6]。进入Creator的主界面，在三维虚拟视景仿真端的网格空间中采用纹理映射方法调整网格的大小。在选择好三维映射的网格和机械结构的测量单位模型后，开始建造三维虚拟模型。采用高程数据特征分解方法进行原始的机械结构数据的线性化处理，使得机械结构三维模拟得到的图形具有真实物体的光泽感。对特征数据进行剪切和自适应筛选，添加/dev、/etc主要目录。在VirtualBox虚拟机中将选定的材质赋给模型，在Windows编辑图像处理代码，通过MapTextureTools选择贴图方法进行机械结构的二次曲面重构[7]，调整模板文件，输出机械结构的三维虚拟模拟实体建模结构.根据上述设计流程，在工程实例中进行机械结构三维虚拟模拟分析。按步骤安装完MultiGenCreator软件后，根据机械结构的外形测量参数配置工程文件，使用批处理模块进行信息加载和图像处理。以工程实例为背景，进行机械结构的三维虚拟模拟实体。（1）在FaceTools中选择面的类型，将待贴纹理的面定义为标志牌[8]，维持图形显示速度，调整网格的大小。（2）在InsertMaterialstool工程模块中，通过Geom⁃etryTools把面变换为体，根据需要的材质、模型的颜色、透明度进行纹理映射和图形渲染，将选定的材质赋给模型，在OpenFlight建模环境中打开图形观察器，生成机械结构的三维虚拟模拟实体模型并进行参数调整[9].

2.2机械结构三维虚拟视景开发实现

根据机械结构的三维虚拟视景仿真软件的设计和要求，需要建立一个LynxPrime图形界面，其实现步骤描述为：（1）创建套接字。利用API函数直接调用视景模型，通过socket函数创建套接字，首先定义VegaPrimeAPI非类型的变量s，初始化内核的socket函数，配置仿真类、仿真循环，采用socket进行机械结构参量配置，通过公用vpApp定制第一个参数（af），指定机械结构三维模拟自定义变量地址族，用函数configure（）用来解析.acf，通过TCP/IP协议用配置人机交互接口，持续调用beginframe（），实现机械三维虚拟图像在二维位图上像素值特征提取。（2）利用纹理映射技术使得输出的三维虚拟机械结构图像与套接字绑定（bind），进行机械结构的表面层次（FaceLevel）渲染，调用bind函数，在三维图形观察器中组织机械结构模拟的视景数据。（3）调用recvfrom接收三维虚拟图形输出。定义整型变量为len，在编译生成可执行程序代码后，机械结构信息数据库根文件系统配置到数据交换端口，使用批处理模块进行图像处理，实现机械结构三维虚拟模拟设计。（4）关闭套接字。在图形输出和信息处理完成之后，调用closesocket函数关闭套接字，在UDP的服务器端释放WSACleanup函数，终止对套接字库的调度，实现了对机械结构信息的对象存储、虚拟计算服务以及远程调用。

3软件测试分析

为了测试本文方法在实现机械结构三维虚拟模拟仿真中的应用性能，进行仿真实验分析。软件开发环境是Windows7操作系统，利用VisualC++7.0进行程序设计。CPU为IntelPentium4500MHz，内存为2.5GB，采用OpenGL和VegaPrime软件联合编程进行视景仿真设计.采用本文方法进行机械机构的三维虚拟模拟仿真，能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，视觉效果较好，能有效指导机械设计制造。

4结语

为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案。实验对比分析发现，软件能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，在机械设计和机械故障诊断等工程实践中具有较好的指导意义。

参考文献

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