基于Cult3D的虚拟土木工程实验平台的构建

冯桂珍, 邢海军, 张增强, 池建斌

(石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043)

基于Cult3D的虚拟土木工程实验平台的构建

冯桂珍, 邢海军, 张增强, 池建斌

(石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043)

综合利用SolidWorks、3DMax、Dreamweaver、Cult3D等构建了一个具有动态和交互功能的虚拟土木工程实验平台。该实验平台模拟常用的室内土木工程试验过程,通过校园网学生随时可以进行虚拟实验,并通过鼠标或键盘对实验过程进行交互操作,且不受实验设备、场地、时间的制约,在实际应用中取得了良好的教学效果。

虚拟土木工程实验； 液塑限联合测定； 实验教学； Cult3D

土木工程试验(土工试验)不仅在工程建设实践中十分重要,而且在土力学理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用[1]——土力学中的许多理论建立在土工试验的基础上。目前,国内许多高校土力学实验教学的形式、内容及要求越来越高,但实验设备、实验器材、实验场地、实验经费等却相对滞后,因而一定程度上影响了实验教学的开展和对学生实践创新能力的培养。近年来,国内外许多高校都根据自身教学和科研的需要建立了虚拟实验系统,如VBL100[2]、OWVLab[3]、减速器虚拟拆装[4]等,虚拟技术在很多专业的教学[5]和军工[6]、起重机械[7]等科研方面应用广泛,但关于虚拟土工实验系统研究和建设的文献资料较少。笔者在对Cult3D[8-11]等虚拟现实技术和虚拟实验进行相关研究的基础上,对虚拟土工实验项目的开发进行了总体设计和分析,利用Cult3D技术和SolidWorks、3ds Max、Photoshop、Fireworks、Dreamweaver等工具,构建了一个具有动态和交互功能的虚拟土工实验平台,在实际教学中取得了良好的效果。

1 三维模型的创建

1.1 系统结构

虚拟实验平台的设计充分体现以学生为主体的教学思想和方便学生学习的主旨,采用模块化的设计方法,构建了虚拟场景漫游与土工实验平台。该平台中的实验项目包括了经典的室内土工试验项目(见图1)[12]。利用互联网,浏览者可以随时随地登录该系统平台,并通过鼠标和键盘对虚拟场景和土工试验进行交互操作。

图1 系统框架结构

1.2 三维模型的创建

按照图1所示实验教学内容,对虚拟模型进行规划和设计。虚拟实验利用Cult3D实现交互和动画。Cult3D是一种常用的虚拟现实交互工具,具有交互性、节省网络带宽等优点,在虚拟场景漫游、虚拟交互实验等方面具有很好的适用性。

由于C3D Designer自身不具备建模功能,为提高建模效率,系统采用功能强大的、基于特征的、参数化的三维设计软件SolidWorks2012作为建模工具,进行零件建模和虚拟实验模型的设计和组装。Cult3D程序开发流程如图2所示。建模过程需要考虑以下问题。

图2 Cult3D程序开发流程

(1) 模型接口问题。SolidWorks装配完成后需导出格式为stl的文件,才能与3ds Max进行接口。3ds Max导入stl文件后无需调整相对位置,与Solidworks装配一致。

(2) 模型处理。模型导入后,需进行材质、灯光等效果设计,以提高视觉效果；需添加摄像机,以方便后续不同视点的切换。

(3) 模型分组及轴点设置。同步运动的模型需包装为一个组,成组后需调整其轴点,否则动画过程不能实现预期效果。

2 动态与交互功能的设计和实现

Cult3D是完全拖放式的操作软件。SceneGraph包括各种基于鼠标和键盘交互和动画设计工具,根据需要将对象和动作事件拖放到EventMap窗口,设置相应属性,关联对象与动作和事件,即可完成交互和动画功能。本文以常用的塑液限联合测定试验为例,说明实验涉及的相关内容与交互设计步骤。液塑限联合测定实验的目的是测定细粒土的液限、塑限,计算塑性指数,给土分类定名,供设计、施工使用。

2.1 真实试验过程分析

2.1.1 仪器设备

真实试验的仪器设备主要包括:液塑限联合测定仪、3个试样杯(直径40～50 mm、高30～40 mm)、天平(量程200 g、分度值0.01 g)、烘箱、干燥器、铝盒、调土刀、筛(孔径0.5 mm)、凡士林等。

2.1.2 试验过程

(1) 当采用天然含水量的土样时,应剔除粒度大于0.5 mm的颗粒,然后分别按接近液限、塑限和二者之间状态制备不同稠度的土膏,静置湿润。静置时间可视原含水量大小而定。当采用风干土样时,取过0.5 mm筛的代表性土样约200 g,分成3份,分别放入3个盛土皿中,加入不同数量纯水,使分别接近液限、塑限和二者中间状态的含水量,调成均匀土膏,放入密封的保湿器中,静置24 h。

(2) 将制备好的土膏用调土刀调拌均匀,密实地填入试样杯中,并使空气逸出。高出试样杯的余土用刮土刀刮平,随即将试样杯放在仪器底座上。

(3) 取圆锥仪,在锥体上涂以薄层凡士林,接通电源,使电磁铁吸稳圆锥仪。

(4) 调节屏幕准线,使初读数为零；调节升降座,使圆锥仪锥角接触试样面。当指示灯亮时,圆锥在自重下沉入试样内,经5 s后立即测读圆锥下沉深度。

(5) 取下试样杯,然后从杯中取10 g以上的试样2个,测定含水率。

(6) 按上述(2)—(5)的步骤,测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。

2.1.3 整理实验数据

进行3次土样测定后,根据圆锥下沉深度和相应的含水率,在双对数坐标上绘制关系曲线,求得圆锥入土深度为17 mm及2 mm时的相应含水率,即分别为细粒土的液限和塑限。

2.2 虚拟实验设计

为了使虚拟实验过程尽量接近真实试验,动态和交互设计至关重要。Cult3D提供了基于鼠标和键盘的动作触发机制,如鼠标左、中、右三键的点击、键盘按键的按下或释放等,为实验的交互提供了方便。交互功能实现主要是设计出事件规划图。图3是液塑限联合测定实验的事件规划图,主要包括以下内容。

图3 “液塑限联合测定试验”事件规划图

2.2.1 基于鼠标的动态察看

通过“鼠标-控制球”功能,将整个实验模型打包在一个组内,将组名拖动链接到“鼠标-控制球”,即可实现实验过程的动态察看。其中,按下左键可旋转模型,按下中键可平移模型,按下右键可缩放模型。

2.2.2 试验过程的模拟

虚拟实验利用“对象平移”、“对象旋转”等动作模拟实际试验的移动和转动。例如圆锥仪动作的设计,当实际接通电源时,电磁铁要吸稳圆锥仪。为模拟电磁铁吸合动作,采用2个z轴移动,它们的动作周期不同,移动速度也不同,实现了先慢后快效果。

2.2.3 实验过程的逻辑控制

由于实验过程须符合逻辑顺序,因而在交互动作设计中必须进行逻辑控制处理,使得实验过程符合实际的操作要求。具体实现包括:

(1) 同一实验步骤,利用时间线(TimeLine)控制动作的先后逻辑次序；

(2) 不同实验步骤,通过鼠标点击“激活事件”,实现下一操作步骤的开启；通过“解除事件”,实现本操作步骤的停止。

2.2.4 视点切换及实验提示

在实验过程中,为了呈现最佳视角,可以进行视点的自动切换。视点的自动切换是通过更改摄像机完成的。虚拟实验平台具有工具提示(Tooltip)功能,该功能与相应的模型绑定,提供操作提示信息,如实验步骤、设备名称等。

“液塑限联合测定实验”的操作步骤如下:

(1) 根据操作提示“第一步:水平调节”,左键点击仪器底座上的水平调节螺丝,进行水平调节(见图4)；

(2) 根据操作提示“第二步:点击电源按钮”,将光标移动到电源按钮上(面板左下角),左键点击,圆锥仪与电磁装置吸合,同时电源指示灯亮(电源按钮上方)。

(3) 根据操作提示“点击零线按钮指示表归零”,将光标移动到零线调节按钮上,左键点击,指示表归零(见图5)。

图4 水平调节

图5 零线调节

(4) 根据操作提示“点击升降台”,将光标移动到升降台上,用左键点击升降台,升降台带着土样上升,土样与圆锥仪接触后,计时指示灯亮。此时处于自动测量状态,圆锥仪即自由落下,延时5 s,读数指示灯亮,读取数据(见图6)。

图6 圆锥仪下沉读数

(5) 根据操作提示“读数后复位”,将光标移动到复位按钮上,左键点击复位按钮,复位后测量下一杯土样。

(6) 点击另一土样,重复以上步骤,完成第二个土样的测试,以及测点。

(7) 点击第三土样,重复以上步骤,完成第三个土样的测试,以及测点。同时在“下沉深度与含水率关系”坐标中显示测试后的关系(见图7)。

图7 测量后作图

2.3 系统集成发布

利用Dreamweaver完成系统的最后集成。在Dreamweaver环境中,编辑网页并将co文件嵌入网页中。将虚拟实验的3D部分与实验辅助信息部分统一风格。Cult3D的co文件在Dreamweaver中显示为ActiveX控件,系统效果如图7所示。

3 结束语

基于网络的虚拟土工实验,改变了传统的实验教学模式,且不受设备、场地、经费、时空的限制。虚拟实验的三维、动态、交互操作模式提高了学生的学习兴趣,激发了学生的学习积极性,为创新人才培养提供了新的手段,同时对现代远程教育的发展也具有重要意义。

References)

[1] 曹晓娟.关于颗粒分析试验的误差分析和对策研究[J].铁道工程学报,2014,31(2):38-40,95.

[2] 罗布占堆,德吉央宗.VBL-100医学机能虚拟实验室的重要性及其在西藏高校的应用[J].西藏科技,2013(7):14-16.

[3] 胡林岚,包峥嵘.基于Cult 3D的机械创新虚拟实验项目研究[J].实验室研究与探索,2013,32(5):250-254.

[4] 冯桂珍,池建斌,王大鸣,等.减速器虚拟拆装实验系统的构建[J].工程图学学报,2011(1):89-93.

[5] 尹合栋.基于Web 3D的中学物理仿真实验辅助学习系统的设计与应用[J].电化教育研究,2012(2):78-83.

[6] 杜承烈,陈进朝,尤涛.虚拟试验软件平台技术的研究与展望[J].计算机测量与控制,2011,19(3):490-492,530.

[7] 黄凯,郑建荣.起重机械虚拟试验技术的研究与展望[J].起重运输机械,2011(7):1-4.

[8] Cult3D-the leading 3D technology for the Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/whatiscult3D/whitepaper.pdf.

[9] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL].http://www.cult3D.com.

[10] 网冠科技.Cult3D产品三维演示时尚创作百例[M].北京:机械工业出版社,2002:1-100.

[11] 薛强,孙文磊.Cult3D技术在产品开发中的应用研究[J].机械工程与自动化,2010(1):62-64.

[12] 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003:1-153.

Construction of virtual civil engineering experiment platform based on Cult3D

Feng Guizhen, Xing Haijun, Zhang Zengqiang, Chi Jianbin

(Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The system constructes a dynamic and interactive virtual civil engineering experimental platform using SolidWorks,3DMax,Dreamweaver and Cult3D.The platform simulates the common real civil engineering experiment process,through the campus network, the students can carry out the virtual experiment at any time, interact with experiment process with the mouse or keyboard.The system is not limited with the experimental equipment,site,time constraints, which has achieved good teaching effect in application.

virtual civil engineering experiment; computer application; Cult3D

2014- 11- 27 修改日期：2015- 01- 20

河北省教育厅青年基金资助项目(QN20131130)；河北省高校重点学科建设资助项目

冯桂珍(1978—),女,内蒙古商都,硕士,副教授,主要研究方向为虚拟现实技术、计算机辅助设计.

E-mail：fgz789618@163.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2015)7- 0109- 04