Разработка методов расчета и моделирования процессов сборки-разборки гибких элементов: приложение к расчету элементов типа "гибкий стержень" в среде виртуальной реальности

• Автор: Микшевич, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Гренобль, Москва
• Количество страниц: 258 с. : ил.

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE UNIVERSITE TECHNIQUE D’ETAT BAUMAN DE MOSCOU
№ attribué par la bibliothèque
|_U_U_U_U_U
T H E S E en co-tutelle
pour obtenir les grades de
DOCTEUR DE L’INPG
Spécialité : « Mécanique : Conception, Géomécanique, Matériaux » préparée au laboratoire Sols, Solides, Structures de Grenoble dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Mécanique et Energétique »

CANDIDAT ES SCIENCES TECHNIQUES
Spécialité : « Dynamique et résistance des machines et des appareils »
présentée et soutenue publiquement par
Alexei MIKCHEVITCH
le 17 décembre 2004
Méthodologie de simulation d’assemblageldésassemblage de composants flexibles : Application à la simulation de pièces de type « poutres flexibles » dans un environnement de réalité virtuelle
Directeurs de thèse : Jean-Claude LEON Alexandre GOUSKOV
JURY
M. FUCHS P., Professeur, Ecole des Mines, Paris Président
M. COGNARD J.-Y., Professeur, ENSIETA, Brest Rapporteur
M. PANOVKO G., Directeur de recherches, Académie des Sciences, Moscou Rapporteur M. LEON J.-C., Professeur, INPG, Grenoble Directeur de thèse
M. GOUSKOV A., Professeur, UTEBM, Moscou Directeur de thèse
M. ANDRIOT C., Docteur, CEA, Fontenay-aux-Roses Examinateur
M. NARAYKIN O,, Professeur, UTEBM, Moscou Examinateur
Глава 1. Методы проектирования механических систем: от классических методов к виртуальным макетам
1.1. Развитие методов проектирования механических систем
1.2. Методы моделирования процессов сборки/разборки (С/Р)
1.3. Интерес использования виртуальной реальности (ВР) для моделирования
процессов С/Р
1.4. Заключение
Глава 2. Виртуальная реальность: методы и модели
2.1. Виртуальная реальность: понятия и примеры применения
2.2. Интерфейсы манипуляции объектов для виртуальной С/Р
2.3. Модели виртуальных деформируемых объектов
2.4. Заключение
Глава 3. Методология моделирования процессов С/Р деформируемых деталей в среде ВР
3.1. Введение
3.2. Методология моделирования процессов С/Р деформируемых деталей в среде ВР
3.3. Принципы расчета деформируемых деталей при моделировании их процессов С/Р
в среде ВР
3.4. Определение механических характеристик материала для моделирования процессов С/Р гибких элементов
3.5. Проблемы использования геометрических моделей САПР в среде ВР
3.6. Заключение
Глава 4. Модель гибкого стержня
4.1. Введение
4.2. Гибкий стержень: определения и допущения
4.3. Геометрическая часть модели: геометрическая нелинейность
4.4. Механическая часть модели: уравнения равновесия
4.5. Вектор состояния гибкого стержня
4.6. Заключение
Глава 5. Численный расчет гибких стержней
5.1. Введение
5.2. Численные методы расчета гибких стержней
5.3. Моделирование в пространстве сил
5 (
5.4. Моделирование в пространстве конфигураций ]
5.5. Заключение
Глава 6. Экспериментальное исследование и оценка операций С/Р
6.1. Введение
6.2. Оценочные критерии процессов С/Р при моделировании в среде ВР
6.3. Постановка экспериментального исследования процессов С/Р
6.4. Оценка виртуальной операции сборки гибкого элемента
6.5. Заключение
Глава 7. Разработанное программное обеспечение для моделирования гибких элементов
7.1. Введение
7.2. Моделирование гибких элементов в среде БЗР
7.3. Моделирование гибких элементов в среде ВР УйТооЬ
7.4. Заключение
Заключение и выводы
Приложение^
Литература

Глава 2. Виртуальная реальность: методы и модели
трогать и чувствовать, управлять ими. Появление новых математических и численных методов в семидесятые-восьмидесятые годы таких, как методы конечных элементов и объемов, методы расчета вибраций, течения жидкостей и т.д. способствовало этому. Благодаря все более и более высокопроизводительным средствам, человек теперь может моделировать, предсказывать поведение сложных объектов и систем.
В восьмидесятые годы, симбиоз информатики, графики, робототехники, автоматики и, главным образом, воображения человека позволил появиться новому средству ВР - перчатке данных - устройству, позволяющему измерить движения пальцев руки человека для перемещения виртуальных объектов. После этого, начинают появляться другие, более сложные системы типа «haptic-устройства», позволяющие «чувствовать» виртуальный объект, ощущать приложенные усилия, реакции при столкновении с виртуальными препятствиями. В начале девяностых годов, Масси изобретает haptic-устройство PHANToM [133]. Это устройство походило на механизм настольной лампы, было снабжено тремя двигателями и имело на конце колпачок для пальца или стилет, наподобие шариковой ручки. Пользователь мог таким образом перемещать и «чувствовать» виртуальные объекты, двигая свой палец, вставленный в колпачок, или свою руку, держащую стилет.
Наконец, термин «Виртуальная Реальность» (от английского выражения Virtual Reality) был предложен в конце восьмидесятых годов американским исследователем и артистом Ланье. В начале девяностых годов, этот термин был уже широко распространен и использован в всем мире.
Таким образом, интерфейсы диалога между человеком и машиной, в частности, начиная с первых методов визуализации, были развиты существенным образом: теперь можно создавать и оценивать все более и более реалистичные графические сцены, используя например методы синтеза изображения, спроецированного на большие экраны иммерсивного зала или создавая простое стереоскопическое изображение, основанное на использовании жидких кристаллов. Тоже самое касается технологического развития haptic-устройств, которые будут представлены ниже. Однако, уже видно, что исторически, с первого своего появления, технология ВР сосредоточена па человеке, занимающего основное место в ВР и, таким образом, определяющего разработку технологий ВР в зависимости от своих потребностей.
2.1.3. Цели ВР
Основной функцией ВР является динамическое графическое представление трехмерных объектов с/бсз погружением(я) человека в виртуальный мир. Однако, основная разница между «простой» визуализацией сложных трехмерных объектов (САПР, некоторые видеоигры, графика и др.) или виртуальных сцен (например, приложения в области изобразительных искусств, кино и др.), где функции визуального контроля отданы человеку, и ВР заключается в возможности манипулировать объектами в виртуальном мире, взаимодействовать с ними, чувствовать их в реальном времени. Следовательно, основная цель ВР состоит в том, чтобы предложить человеку дополнительную функцию — функцию прямого взаимодействия с виртуальными объектами или средой. Таким образом, используя эту функцию, человек становится настоящим актером, творцом виртуальных, искусственных событий, принимая участие в этих событиях и изучая их в реальном времени.
Таким образом, основные цели ВР, помогающие создавать и изучать различные виртуальные события, в том числе, в приложении к области механического проектирования, заключаются в том, чтобы предложить человеку следующие функции:
• Визуализация. Это базовая функция ВР позволяет графически описать виртуальное событие в реальном времени. Виртуальное событие может представлять из себя эволюцию виртуальной сцены, составленной либо только из виртуальных объектов, либо с сочетанием виртуальных и реальных объектов. В последнем случае, говорят о «повышенной» реальности. Функция визуализации является одним из аспектов погружения человека в виртуальный мир.
• Взаимодействие. Эта функция позволяет пользователю осуществлять различные движения в виртуальном мире, взаимодействовать с этим миром, представленным совокупностью виртуальных объектов, т.е. создавать события, выполнять различные