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互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽

項目計劃書

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目錄

一、創(chuàng)業(yè)團隊介紹

二、項目概括

三、仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域

1.仿真技術(shù)的發(fā)展情況

2.虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

3.虛擬仿真實驗室的發(fā)展

四、仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展

1.國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.未來發(fā)展

五、研究目的

六、研究意義

七、研究思路

八、項目構(gòu)成

九、項目優(yōu)勢

十、參考文獻

一、創(chuàng)業(yè)團隊介紹

二、項目概括

本項目首先對虛擬仿真技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和展望以及這一

技術(shù)目前存在的問題進行了說明，然后采用Hash軟件，根據(jù)給定的要

求和條件畫出實驗器材模型，導(dǎo)入其數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)置退火、正火、淬

火、回火工藝流程。設(shè)計步驟完成后，利用虛擬仿真技術(shù)將鋼的熱處

理的操作步驟以動畫的形式展示出來，最終將實驗數(shù)據(jù)、圖片以及形

成的動畫等信息保存下來，用AdobeCaptivate對已完成的動畫進行

編輯，增加其交互性。

三、仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域

1.仿真技術(shù)的發(fā)展情況

仿真技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代，仿真進行技術(shù)定義最早是

在1962年由GWMorgenthater給出的，而計算機科學(xué)家杰倫?拉尼

爾被認(rèn)為是該領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一，他在1987年最早使用虛擬仿真這

一術(shù)語⑴。仿真技術(shù)就是一種利用虛擬系統(tǒng)模擬現(xiàn)實的技術(shù)?，F(xiàn)在隨

著科技的不斷發(fā)展，以及人們要求的不斷提高，虛擬仿真技術(shù)也從

20世紀(jì)末到現(xiàn)在得到了不斷的完善和發(fā)展。而它的發(fā)展在于一方面

網(wǎng)絡(luò)資源的共享難以實現(xiàn)，另一方面是該領(lǐng)域的深層次應(yīng)用⑵。現(xiàn)在

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍也特別廣如工業(yè)、教育、醫(yī)療、航空等方面。

2.仿真技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)域

在建筑領(lǐng)域，利用計算機的模擬仿真可以起到加強安全防護、減

少支出的作用。如在修蓋一些房屋或者橋梁之前，可以通過計算機對

其模型的模擬來對它進行一些測驗，這樣就可以避免一些在完工后出

現(xiàn)的問題，從而可以達到既解決了問題又減少了支出的作用。

在制造領(lǐng)域的應(yīng)用口前己經(jīng)非常常見了，在現(xiàn)實中我們不難看到

在一些企業(yè)中對這一技術(shù)的應(yīng)用，因為這一技術(shù)應(yīng)用起來確實很便利。

他們利用這一技術(shù)可以除了可以對產(chǎn)品的模型進行模擬，還能對它的

制造過程甚至是制造時的環(huán)境、車間進行模擬，這樣僅僅在計算機上

的一些操作就可以完成這些，可以起到提前了解產(chǎn)品、提前解決問題

的作用，還可以通過所產(chǎn)生的問題提前制作解決方案，提高質(zhì)量。

在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用可以提高效率和質(zhì)量也能大大降低成本。

如在一些該領(lǐng)域的實驗中，我們可以通過這一技術(shù)來引入一些虛擬仿

真圖形，引入這些圖形有利于我們有效的檢驗誤差。另外這一技術(shù)在

該領(lǐng)域的設(shè)計電力電子技術(shù)圖表中也有非常重要的應(yīng)用［3］。我們還

可以用這一技術(shù)對一些電子產(chǎn)品的設(shè)計進行模擬，通過采用先模擬后

實踐的形式對其自身是非常有利的。

這一技術(shù)在軍事領(lǐng)域用處也有很多。如通過計算機的仿真模擬可

以真實模擬出戰(zhàn)場環(huán)境，從而可以相應(yīng)的模擬繪制出軍事地圖。當(dāng)然，

一些軍事訓(xùn)練也可以通過這一技術(shù)模擬出來，通過模擬的訓(xùn)練可以制

定出一些方案從而解決一些問題［4］。另外利用這一技術(shù)還能用于制

作和研發(fā)一些新型武器裝備，也可以用于核能領(lǐng)域的一些模擬。

在教育領(lǐng)域不管是國家還是各個學(xué)校都非常重視這一技術(shù)，尤其

是在近幾年，這一技術(shù)的應(yīng)用以仿真教學(xué)的形式出現(xiàn)在各種各樣的學(xué)

科當(dāng)中。它的頻繁出現(xiàn)可以有效的解決實驗室的容量短缺和操作器材

以及實驗材料短缺的問題，因此發(fā)展仿真實驗室成為了一種非常有效

的手段［5］。仿真實驗室的建立和發(fā)展既能大大降低實驗教學(xué)當(dāng)中的

經(jīng)費投入，又能避免一些高危實驗中的危險發(fā)生，還能大大降低一些

實驗的復(fù)雜性，從而起到增加學(xué)生動手實驗興趣的作用［6］。因此這

一技術(shù)在教育領(lǐng)域得到了很大的重視。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中這一技術(shù)也得到了一些應(yīng)用。如在解剖方面，在

現(xiàn)實當(dāng)中我們常常會因為解剖資源不足或者器材問題不能順利的對

其進行分析?，但通過仿真技術(shù)我們可以利用計算機對其進行模擬分析,

這樣既解決了問題又能很好的節(jié)省支出。當(dāng)然，也可以用這一技術(shù)對

手術(shù)進行模擬，通過手術(shù)模擬可以提前了解情況并能很好的降低實際

手術(shù)時的風(fēng)險以及操作失誤問題。

3?虛擬仿真實驗室的發(fā)展

1989年弗吉尼亞大學(xué)的威廉?烏爾夫教授提出了虛擬實驗室的

概念。開發(fā)經(jīng)過兩個階段，一個是計算機模擬階段，另一個是虛擬現(xiàn)

實階段。它有著降低實驗成本，避免高危實驗，保護儀器和自帶教學(xué)

管理的優(yōu)點。因為它的這些優(yōu)點，我國有很多學(xué)校都建立了自己的仿

真實驗室，并把采用各自的形式將它運用到各個科目當(dāng)中。在這些實

驗室中有很多聞名于我國如陜西師范大學(xué)利用虛擬仿真軟件展示了

同一實驗在不同歷史時期的不同方法［7］；江南大學(xué)建立了一個物理

化學(xué)實驗仿真平臺系統(tǒng)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一項高風(fēng)險或

極端條件下的虛擬仿真實驗［9］。另外在東北大學(xué)、天津大學(xué)、中南

大學(xué)等學(xué)校也都各自建立了自身不同的仿真實驗項目。

四、仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展

1.國內(nèi)現(xiàn)狀

在國內(nèi)，虛擬實驗室的建立得到了很大的重視，目前很多學(xué)校都

建立了自己的電子教室如北京大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海

交通大學(xué)等等。其中有一些廣為人知：清華大學(xué)擁有由國家關(guān)鍵研究

所和虛擬設(shè)備組成的汽車發(fā)動機測試系統(tǒng)：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了一個

可以模擬土壤和作物的實驗室；浙江大學(xué)的虛擬實驗室可以實現(xiàn)虛擬

實驗場景的人機交互［10］等?，F(xiàn)在國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)有了很大的

發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域也很廣，但和發(fā)達國家相比仍有差距，有很大的發(fā)

展?jié)摿Α?/p>

2.國外現(xiàn)狀

在國外發(fā)達國家，虛擬實驗室已經(jīng)非常普遍。美國擁有發(fā)達的科

技和雄厚的財力，從開始就非常重視虛擬仿真技術(shù)，并且在世界中

在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，虛擬實驗室在大學(xué)中也相當(dāng)普遍。如美國

Michigan大學(xué)創(chuàng)建的VRCEL實驗室；還有由霍華德?修斯醫(yī)學(xué)研究

會建立的完全交互式的生物醫(yī)學(xué)虛擬實驗室等。德國、西班牙、意

大利、新加坡也都有自身的虛擬實驗室。

3.虛擬仿真技術(shù)的未來發(fā)展

虛擬仿真技術(shù)在一些普通的機械制造業(yè)、建筑施工、化工原理、

教育培訓(xùn)等領(lǐng)域內(nèi)取得了較為成熟的發(fā)展，但在一些發(fā)達科技的領(lǐng)域

還處于起步階段如航空航天、石油化工、核工業(yè)等。如在制造業(yè)方面

的未來發(fā)展中，有兩項發(fā)展很重要，一個是三維建模軟件與物流仿真

軟件的結(jié)合使用，另一個是快速建模、過程仿真與優(yōu)化算法這三項的

結(jié)合，這兩項也是未來這一行業(yè)發(fā)展的趨勢［11］。在教育方面的未來

發(fā)展中，虛擬實驗發(fā)展的趨勢應(yīng)更加多層次和多元化。未來虛擬仿真

技術(shù)的發(fā)展一方面應(yīng)注重資源共享范圍的帝加，因為通過資源共享的

范圍的增加可以很好地避免人們在這同一資源上的重復(fù)建設(shè)，從而可

以很好的避免時間浪費，進而提升效率。另一方面應(yīng)注重這一平臺的

管理人才的培養(yǎng)。因為有了人才的培養(yǎng)才能有更多相關(guān)的技術(shù)人員，

進而有利于在技術(shù)這一方面的提高，如此才能更好的保證平臺在工作

時能有優(yōu)秀的表現(xiàn)和很高的的效率［12］。

五、研究目的

長期以來由于鋼的普通熱處理過程具有高能耗、重污染、高溫、

高危險性、不可視性等極端特點，實驗所需部分設(shè)備均為貴、精、尖，

教學(xué)學(xué)習(xí)中無法對設(shè)備內(nèi)部工況進行充分展現(xiàn)，實驗流程長、時間長,

導(dǎo)致學(xué)生單純依靠進行實驗室工藝流程操作無法達到對專業(yè)理論知

識的良好掌握及靈活運用的長久遺留問題?；诖耍瑫r為緩解教學(xué)

資源、經(jīng)費緊張等壓力，改善現(xiàn)有工藝流程教學(xué)體系，設(shè)計開發(fā)了這

款集數(shù)學(xué)應(yīng)用、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)

知識為一體的實時互動體驗系統(tǒng)。利用這款系統(tǒng)，可進行科學(xué)研究、

材料分析、金屬相圖觀察、生產(chǎn)工藝流程模擬、流程創(chuàng)新設(shè)計、教學(xué)

檢驗及測評等，與普通授課相結(jié)合開展教學(xué)，將大大提高了教學(xué)效果,

增強學(xué)生對鋼的熱處理工藝的掌握、應(yīng)用，并且做到了低碳環(huán)保、省

時高效、高可操作性，顯著提高教學(xué)實用性。

六、研究意義

1.豐富教學(xué)方式，打破現(xiàn)實條件壁壘,.增強互動體驗

在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，存在諸多難以直觀理解的抽象知識，如抽像

概念、金相組成等。單純依賴教師課上講解和僅有的幾次實驗室練習(xí)，

學(xué)生很難掌握并靈活運用，學(xué)習(xí)效果不佳。鋼的普通熱處理實時互動

體驗系統(tǒng)提出“多層次、創(chuàng)新化、多模式”理念，將抽象的概念具體

化、現(xiàn)實化，通過圖片、動畫模擬等形式展現(xiàn)具體操作流程，增強對

學(xué)生的動手能力訓(xùn)練，可豐富知識傳授形式，加強獨立工藝技能訓(xùn)練,

串聯(lián)整個生產(chǎn)流程，增加趣味性，更具實用意義。

2.自主開發(fā)，虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補

普通授課方式理論性強，知識點分散，知識體系單一，應(yīng)用性不

高；實驗教學(xué)授課靈活，方式富有趣味性，技能傳輸性強，但易受教

學(xué)資源限制，經(jīng)費壓力大，存在高能耗、重污染、高溫、高危、不可

視性等問題。鋼的普通熱處理實時互動體驗系統(tǒng)依托所學(xué)金屬材料專

業(yè)知識，思考當(dāng)下急缺技術(shù)，以信息技術(shù)、數(shù)學(xué)應(yīng)用技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)

等相關(guān)領(lǐng)域知識構(gòu)建新型實用平臺，以傳統(tǒng)理論知識為進程框架，有

效結(jié)合傳統(tǒng)授課與實驗教學(xué)優(yōu)勢，打破各自局限性，增強學(xué)生知識互

動體驗，提高學(xué)習(xí)效果。

3.完善教學(xué)體制，科教融合，增強創(chuàng)新體驗

一般為加深學(xué)生對專業(yè)技能理解、掌握及靈活運用，學(xué)校多會安

排學(xué)生進公司、企業(yè)實習(xí)。但大多數(shù)企業(yè)從經(jīng)費、安全等方面考慮,

不會讓學(xué)生進行實際操作，單單只是參觀工藝流程、技術(shù)講解等活動,

這并不能給學(xué)生帶來太大技術(shù)能力實用性卷升。而鋼的普通熱處理實

時互動體驗系統(tǒng)以創(chuàng)新型仿真模擬技術(shù)解決此類問題，在原有理論知

識儲備下，學(xué)生在校內(nèi)就可完成相關(guān)工藝流程的實習(xí)操作，科學(xué)技術(shù)

與知識教學(xué)相融合，大大增強趣味性、實用性、創(chuàng)新型體驗感。在流

程之中可擺脫實際操作的客觀條件制約，可隨時觀察相應(yīng)狀態(tài)下的材

料狀態(tài)、溫度等特征，進行模擬切割、觀察金相、優(yōu)化或創(chuàng)新工藝流

程等技術(shù)處理，從“試、聽、練”多角度鍛煉學(xué)生，將理論教學(xué)、實

驗體驗、動手操作有序結(jié)合，完善教學(xué)指導(dǎo)體系，有利于培養(yǎng)學(xué)生理

論聯(lián)系實際、基本技能訓(xùn)練、創(chuàng)新設(shè)計能力。

七、研究思路：

1、功能設(shè)想。結(jié)合專業(yè)知識，查閱相關(guān)書籍、文獻、實驗案

例等資料，思考創(chuàng)新想法

2、框架建造。分析優(yōu)化多種軟件分析思路構(gòu)建鋼的普通熱處理

實時互動體驗系統(tǒng)整體構(gòu)架。

3、框架分層。依據(jù)工藝流程，進行框架內(nèi)容分層。

4、單層細化。依據(jù)不同工藝流程，逐層分別填充各項參考數(shù)據(jù)、

圖片、動畫等信息，將單層內(nèi)容變飽滿。

5、層次聯(lián)合。整合各層次內(nèi)容加入各層次間聯(lián)系，優(yōu)化系統(tǒng)整

體。

6、信息保存。保存數(shù)據(jù)、圖片等參數(shù)信息。

7、模擬實驗。進行鋼件普通熱處理工藝流程測試，檢查系統(tǒng)漏

洞，進一步優(yōu)化，提升用戶體驗。

八、項目構(gòu)成

系統(tǒng)具體主要八大方面內(nèi)容如下：

1.構(gòu)建知識水平測試系統(tǒng)

2.儀器設(shè)備展示。

將實驗所需的箱式電阻爐、游標(biāo)卡尺、淬火鉗、洛氏硬度計等以

圖片、動畫等形式展現(xiàn)，點擊相應(yīng)儀器設(shè)備可實現(xiàn)對操作的進程控制,

還可拆解設(shè)備，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解工作機理。

3.器材參數(shù)設(shè)置。

（1）待處理鋼件材料參數(shù)。導(dǎo)入使用性能要求（力學(xué)、物理、

化學(xué)性能要求），需滿足服役條件（工作溫度、周圍介質(zhì)種類、承受

載荷種類及大小、電性、磁性、密度等），尺寸效應(yīng)、材料強度、硬

度、韌性、塑性合理配合，加工要求等多項參數(shù)選項。

（2）實驗溫度。依據(jù)熱力學(xué)原理，設(shè)置退火、正火、淬火、

回火等流程的實驗溫度參數(shù)選擇范圍。

（3）保溫時間。各個工藝流程保溫時間參數(shù)導(dǎo)入，并將零件

大小與保溫時間范圍相關(guān)聯(lián)。

4.試件加入箱式電阻爐。

動畫模擬該操作步驟，將不同時段、不同加熱溫度下試件的內(nèi)部

組織變化、表面狀樣變化參數(shù)導(dǎo)入，設(shè)置選項，并將其與上面幾方面

內(nèi)部關(guān)聯(lián)，合理配合。

5.鋼件保溫。

編入保溫計算公式:a-k-D設(shè)置保溫時間系數(shù)a、工件裝爐方

式修正系數(shù)k、工件有效厚度D選項。

6.設(shè)置退火、正火、淬火、回火工藝流程。

在該層分別設(shè)置周圍介質(zhì)、溫度、冷卻速度、碳含量參數(shù)選項。

7.各工藝流程所得結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置。

（1）退火：珠光體形態(tài)圖片或動畫展示——不同溫度參數(shù)

——硬度參數(shù)——相應(yīng)金相圖片等信息

（2）正火：索氏體形態(tài)圖片或動畫展示——不同溫度參數(shù)

-----硬度參數(shù)----相應(yīng)金相圖片等信息

（3）淬火：不同溫度參數(shù)——相關(guān)聯(lián)奧氏體或托式體或馬

氏體圖片或動畫展示——冷卻速度與馬氏體臨界冷卻速度Vk參數(shù)

比較——對應(yīng)關(guān)聯(lián)狀態(tài)圖片或動畫信息展示——硬度參數(shù)——相

應(yīng)金相圖片等信息

（4）回火：不同溫度參數(shù)——關(guān)聯(lián)馬氏體或托式體或索氏

體形態(tài)圖片或動畫展示——硬度參數(shù)——相應(yīng)金相圖片等信息

8.實驗數(shù)據(jù)、圖片等信息保存

注：使用者可根據(jù)白身需求選擇