基于3DVIA Composer的水电站厂房模型三维仿真系统开发

袁凤娟等

摘要：该文以AutoCAD和CATIA为平台，建立了水电站厂房的三维模型，采用3DVIA Composer软件进行模型集成，将CATIA等CAD软件产品导入，经过编辑输出水电站厂房的演示动画和高清图片。同时根据混流式水轮发电机的结构及原理规划了水轮发电机的装配序列，实现了水轮发电机的虚拟装配仿真。实际工程应用证明，水电站厂房模型三维仿真系统增强了模型的逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造。

关键词：AutoCAD；CATIA；3DVIA Composer；水电站厂房；三维仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）32-7727-04

Abstract： This paper finishes the three-dimension models of hydropower house based on AutoCAD and CATIA. Then integrate models using the 3DVIA Composer， import the CATIA and CAD models， edit and then output the animation and high-resolution images of hydropower house. According to the composition of the Francis turbine-generator units， make a plan for the assembly process of the turbine-generator units， achieve virtual assembly of the turbine-generator units based on 3DVIA Composer. Through the application of the 3D simulation system of hydropower house in practice engineering， increases the models stereoscopic and immediacy， and contributes to the administrators to grasp the complex structure of the hydropower house and turbine-generator units.

Key words： AutoCAD； CATIA； 3DVIA Composer； Hydropower house； Three-dimensional simulation

虚拟仿真技术是当今CAD研究与应用的重要技术。水电站厂房是水利枢纽工程中的核心建筑物，水轮发电机是水电站厂房的关键点。厂房模型量较大，各个建筑物之间的相对关系复杂，且发电机组处于地下厂房内部，难于观察。开发水电站厂房模型三维仿真系统，将厂房内部复杂构造清晰的表达，同时将水轮发电机的结构装配以虚拟动画的形式形象、生动地展现出来。该文采用AutoCAD软件对厂房结构进行创建，采用CATIA三维制图软件对水轮发电机进行创建，采用3DVIA Composer软件输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片。

1 水电站厂房三维模型的创建

三维模型是水电站厂房模型三维仿真系统开发的基础，三维模型包含水电站厂房的土建部分和厂房内部的发电设备。由于3DVIA Composer是一套模型集成演示软件，不是专业的建模软件[1]，需要借助常用的大型三维建模软件进行三维模型的创建，通过分析比较笔者选用AutoCAD进行水电站厂房土建部分三维模型的创建，选用CATIA对厂房内部水轮发电机的三维模型进行创建。

1.1 基于AutoCAD的水电站厂房三维模型创建

AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，现广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、航空航天、轻工化工等诸多领域。AutoCAD三维模型主要有线框模型，曲面模型和实体模型。由于厂房结构比较复杂，建模前，先根据二维平面图纸将厂房结构进行规划，主要包括主厂房和副厂房，主厂房自上而下又分为发电机层、电气夹层、水轮机层及蜗壳层等。其次，将基本体、二维图形经拉伸、旋转、扫掠、放样等变幻为基本三维体，再通过并、差、交等布尔运算和各种编辑操作获得与图纸相符的厂房结构。图1就是利用AutoCAD创建的水电站厂房三维模型。

本次动画设定时间为60秒，为能全角度地观察水轮发电机装配体的外观特征，设置水轮发电机绕Y轴旋转一周，将时间线移到1s处，设置照相机关键帧，记录旋转开始的视点，再将时间线移至3s处，将装配体绕Y轴旋转一周，在时间轴上自动创建了3s时的摄像机关键帧，则在1～3s内，装配体将绕Y轴旋转一周。

之后根据水轮发电机的装配树结构，生成装配体的爆炸视图即设置装配体的拆卸顺序，自上而下主要包括上机架—定子—转子—下机架—水轮机，其中水轮机结构中的各零部件在拆卸过程中也要一一分离出来。应用变换工具生成爆炸视图，按拆卸顺序分别设置每个零部件的爆炸路径，在时间轴上设置每个零部件的拆卸时间长度为2s。单击“播放动画”观察动画，适当改变关键帧位置，调整拆卸顺序和运动速度。

装配体的装配过程为拆卸过程的逆过程，解除爆炸视图完成装配过程。可以通过选择所有拆卸过程的关键帧，复制到拆卸动画后2s，选择时间反转即可。完成动画之后，渲染输出“.avi”格式，利用Vegas软件进行配音加字幕，一个完整的仿真动画就制作完成了。

2.2 水电站厂房结构三维模型高清图片的制作

打开3DVIA Composer软件，将创建完成的水轮发电机组和厂房三维模型按照他们的相对位置关系集成，通过鼠标的旋转、平移和缩放操作，将模型以合适的视角在视口中显示，便于操作和观察。设置不透明性可以观察厂房内部的机组和厂房的层次结构，采用剖切可以观察厂房的断面图，能更加直观的了解厂房的层次机构。下面主要介绍3DVIA Composer中的消隐、剖切和光影效果等功能输出厂房的高清图片。

在窗口上侧“作者”下选择“创建切除面”，根据出现的红色箭头选择切除面的方向创建切除面，移动切除面到合适位置以剖切三维模型。3DVIA Composer中光影显示效果分为模型自身显示和灯光效果显示，在“渲染”菜单中，选择不同模型或灯光模式，可设置不同的显示效果。调整视口中模型的视角，点击“主页”下的“高分辨率图像”来输出图片，在弹出的“工作间”面板可设置图片的大小，将图片另存为常用的“.jpg”格式。如图5、图6分别为主厂房的纵剖面图和发电机组装配图。

3 结束语

本文借助AutoCAD和CATIA软件，完成了水电站厂房和水轮发电机组三维实体模型的创建，采用3DVIA Composer软件制作输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片，成功开发水电站厂房模型三维仿真系统，增强了模型的立体感和逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造，为之后电站厂房的虚拟漫游和安全监测研究提供了有力支撑。

参考文献：

[1] 李南辉，李洋波，王飞.基于Virtools的水电站厂房可视化系统开发[J].电脑知识与技术，2013，9（4）： 2464-2466.

[2] 马伟，张海英，雷贤卿. CATIA V5 R16曲面造型及逆向设计[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 詹熙达.CATIA V5产品设计实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 张志利，褚识广，龙勇，等.基于CATIA和3DVIA Composer的液压元件虚拟装配仿真[C].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集，2010.endprint

摘要：该文以AutoCAD和CATIA为平台，建立了水电站厂房的三维模型，采用3DVIA Composer软件进行模型集成，将CATIA等CAD软件产品导入，经过编辑输出水电站厂房的演示动画和高清图片。同时根据混流式水轮发电机的结构及原理规划了水轮发电机的装配序列，实现了水轮发电机的虚拟装配仿真。实际工程应用证明，水电站厂房模型三维仿真系统增强了模型的逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造。

关键词：AutoCAD；CATIA；3DVIA Composer；水电站厂房；三维仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）32-7727-04

Abstract： This paper finishes the three-dimension models of hydropower house based on AutoCAD and CATIA. Then integrate models using the 3DVIA Composer， import the CATIA and CAD models， edit and then output the animation and high-resolution images of hydropower house. According to the composition of the Francis turbine-generator units， make a plan for the assembly process of the turbine-generator units， achieve virtual assembly of the turbine-generator units based on 3DVIA Composer. Through the application of the 3D simulation system of hydropower house in practice engineering， increases the models stereoscopic and immediacy， and contributes to the administrators to grasp the complex structure of the hydropower house and turbine-generator units.

Key words： AutoCAD； CATIA； 3DVIA Composer； Hydropower house； Three-dimensional simulation

虚拟仿真技术是当今CAD研究与应用的重要技术。水电站厂房是水利枢纽工程中的核心建筑物，水轮发电机是水电站厂房的关键点。厂房模型量较大，各个建筑物之间的相对关系复杂，且发电机组处于地下厂房内部，难于观察。开发水电站厂房模型三维仿真系统，将厂房内部复杂构造清晰的表达，同时将水轮发电机的结构装配以虚拟动画的形式形象、生动地展现出来。该文采用AutoCAD软件对厂房结构进行创建，采用CATIA三维制图软件对水轮发电机进行创建，采用3DVIA Composer软件输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片。

1 水电站厂房三维模型的创建

三维模型是水电站厂房模型三维仿真系统开发的基础，三维模型包含水电站厂房的土建部分和厂房内部的发电设备。由于3DVIA Composer是一套模型集成演示软件，不是专业的建模软件[1]，需要借助常用的大型三维建模软件进行三维模型的创建，通过分析比较笔者选用AutoCAD进行水电站厂房土建部分三维模型的创建，选用CATIA对厂房内部水轮发电机的三维模型进行创建。

1.1 基于AutoCAD的水电站厂房三维模型创建

AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，现广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、航空航天、轻工化工等诸多领域。AutoCAD三维模型主要有线框模型，曲面模型和实体模型。由于厂房结构比较复杂，建模前，先根据二维平面图纸将厂房结构进行规划，主要包括主厂房和副厂房，主厂房自上而下又分为发电机层、电气夹层、水轮机层及蜗壳层等。其次，将基本体、二维图形经拉伸、旋转、扫掠、放样等变幻为基本三维体，再通过并、差、交等布尔运算和各种编辑操作获得与图纸相符的厂房结构。图1就是利用AutoCAD创建的水电站厂房三维模型。

本次动画设定时间为60秒，为能全角度地观察水轮发电机装配体的外观特征，设置水轮发电机绕Y轴旋转一周，将时间线移到1s处，设置照相机关键帧，记录旋转开始的视点，再将时间线移至3s处，将装配体绕Y轴旋转一周，在时间轴上自动创建了3s时的摄像机关键帧，则在1～3s内，装配体将绕Y轴旋转一周。

之后根据水轮发电机的装配树结构，生成装配体的爆炸视图即设置装配体的拆卸顺序，自上而下主要包括上机架—定子—转子—下机架—水轮机，其中水轮机结构中的各零部件在拆卸过程中也要一一分离出来。应用变换工具生成爆炸视图，按拆卸顺序分别设置每个零部件的爆炸路径，在时间轴上设置每个零部件的拆卸时间长度为2s。单击“播放动画”观察动画，适当改变关键帧位置，调整拆卸顺序和运动速度。

装配体的装配过程为拆卸过程的逆过程，解除爆炸视图完成装配过程。可以通过选择所有拆卸过程的关键帧，复制到拆卸动画后2s，选择时间反转即可。完成动画之后，渲染输出“.avi”格式，利用Vegas软件进行配音加字幕，一个完整的仿真动画就制作完成了。

2.2 水电站厂房结构三维模型高清图片的制作

打开3DVIA Composer软件，将创建完成的水轮发电机组和厂房三维模型按照他们的相对位置关系集成，通过鼠标的旋转、平移和缩放操作，将模型以合适的视角在视口中显示，便于操作和观察。设置不透明性可以观察厂房内部的机组和厂房的层次结构，采用剖切可以观察厂房的断面图，能更加直观的了解厂房的层次机构。下面主要介绍3DVIA Composer中的消隐、剖切和光影效果等功能输出厂房的高清图片。

在窗口上侧“作者”下选择“创建切除面”，根据出现的红色箭头选择切除面的方向创建切除面，移动切除面到合适位置以剖切三维模型。3DVIA Composer中光影显示效果分为模型自身显示和灯光效果显示，在“渲染”菜单中，选择不同模型或灯光模式，可设置不同的显示效果。调整视口中模型的视角，点击“主页”下的“高分辨率图像”来输出图片，在弹出的“工作间”面板可设置图片的大小，将图片另存为常用的“.jpg”格式。如图5、图6分别为主厂房的纵剖面图和发电机组装配图。

3 结束语

本文借助AutoCAD和CATIA软件，完成了水电站厂房和水轮发电机组三维实体模型的创建，采用3DVIA Composer软件制作输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片，成功开发水电站厂房模型三维仿真系统，增强了模型的立体感和逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造，为之后电站厂房的虚拟漫游和安全监测研究提供了有力支撑。

参考文献：

[1] 李南辉，李洋波，王飞.基于Virtools的水电站厂房可视化系统开发[J].电脑知识与技术，2013，9（4）： 2464-2466.

[2] 马伟，张海英，雷贤卿. CATIA V5 R16曲面造型及逆向设计[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 詹熙达.CATIA V5产品设计实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 张志利，褚识广，龙勇，等.基于CATIA和3DVIA Composer的液压元件虚拟装配仿真[C].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集，2010.endprint

摘要：该文以AutoCAD和CATIA为平台，建立了水电站厂房的三维模型，采用3DVIA Composer软件进行模型集成，将CATIA等CAD软件产品导入，经过编辑输出水电站厂房的演示动画和高清图片。同时根据混流式水轮发电机的结构及原理规划了水轮发电机的装配序列，实现了水轮发电机的虚拟装配仿真。实际工程应用证明，水电站厂房模型三维仿真系统增强了模型的逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造。

关键词：AutoCAD；CATIA；3DVIA Composer；水电站厂房；三维仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）32-7727-04

Abstract： This paper finishes the three-dimension models of hydropower house based on AutoCAD and CATIA. Then integrate models using the 3DVIA Composer， import the CATIA and CAD models， edit and then output the animation and high-resolution images of hydropower house. According to the composition of the Francis turbine-generator units， make a plan for the assembly process of the turbine-generator units， achieve virtual assembly of the turbine-generator units based on 3DVIA Composer. Through the application of the 3D simulation system of hydropower house in practice engineering， increases the models stereoscopic and immediacy， and contributes to the administrators to grasp the complex structure of the hydropower house and turbine-generator units.

Key words： AutoCAD； CATIA； 3DVIA Composer； Hydropower house； Three-dimensional simulation

虚拟仿真技术是当今CAD研究与应用的重要技术。水电站厂房是水利枢纽工程中的核心建筑物，水轮发电机是水电站厂房的关键点。厂房模型量较大，各个建筑物之间的相对关系复杂，且发电机组处于地下厂房内部，难于观察。开发水电站厂房模型三维仿真系统，将厂房内部复杂构造清晰的表达，同时将水轮发电机的结构装配以虚拟动画的形式形象、生动地展现出来。该文采用AutoCAD软件对厂房结构进行创建，采用CATIA三维制图软件对水轮发电机进行创建，采用3DVIA Composer软件输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片。

1 水电站厂房三维模型的创建

三维模型是水电站厂房模型三维仿真系统开发的基础，三维模型包含水电站厂房的土建部分和厂房内部的发电设备。由于3DVIA Composer是一套模型集成演示软件，不是专业的建模软件[1]，需要借助常用的大型三维建模软件进行三维模型的创建，通过分析比较笔者选用AutoCAD进行水电站厂房土建部分三维模型的创建，选用CATIA对厂房内部水轮发电机的三维模型进行创建。

1.1 基于AutoCAD的水电站厂房三维模型创建

AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，现广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、航空航天、轻工化工等诸多领域。AutoCAD三维模型主要有线框模型，曲面模型和实体模型。由于厂房结构比较复杂，建模前，先根据二维平面图纸将厂房结构进行规划，主要包括主厂房和副厂房，主厂房自上而下又分为发电机层、电气夹层、水轮机层及蜗壳层等。其次，将基本体、二维图形经拉伸、旋转、扫掠、放样等变幻为基本三维体，再通过并、差、交等布尔运算和各种编辑操作获得与图纸相符的厂房结构。图1就是利用AutoCAD创建的水电站厂房三维模型。

本次动画设定时间为60秒，为能全角度地观察水轮发电机装配体的外观特征，设置水轮发电机绕Y轴旋转一周，将时间线移到1s处，设置照相机关键帧，记录旋转开始的视点，再将时间线移至3s处，将装配体绕Y轴旋转一周，在时间轴上自动创建了3s时的摄像机关键帧，则在1～3s内，装配体将绕Y轴旋转一周。

之后根据水轮发电机的装配树结构，生成装配体的爆炸视图即设置装配体的拆卸顺序，自上而下主要包括上机架—定子—转子—下机架—水轮机，其中水轮机结构中的各零部件在拆卸过程中也要一一分离出来。应用变换工具生成爆炸视图，按拆卸顺序分别设置每个零部件的爆炸路径，在时间轴上设置每个零部件的拆卸时间长度为2s。单击“播放动画”观察动画，适当改变关键帧位置，调整拆卸顺序和运动速度。

装配体的装配过程为拆卸过程的逆过程，解除爆炸视图完成装配过程。可以通过选择所有拆卸过程的关键帧，复制到拆卸动画后2s，选择时间反转即可。完成动画之后，渲染输出“.avi”格式，利用Vegas软件进行配音加字幕，一个完整的仿真动画就制作完成了。

2.2 水电站厂房结构三维模型高清图片的制作

打开3DVIA Composer软件，将创建完成的水轮发电机组和厂房三维模型按照他们的相对位置关系集成，通过鼠标的旋转、平移和缩放操作，将模型以合适的视角在视口中显示，便于操作和观察。设置不透明性可以观察厂房内部的机组和厂房的层次结构，采用剖切可以观察厂房的断面图，能更加直观的了解厂房的层次机构。下面主要介绍3DVIA Composer中的消隐、剖切和光影效果等功能输出厂房的高清图片。

在窗口上侧“作者”下选择“创建切除面”，根据出现的红色箭头选择切除面的方向创建切除面，移动切除面到合适位置以剖切三维模型。3DVIA Composer中光影显示效果分为模型自身显示和灯光效果显示，在“渲染”菜单中，选择不同模型或灯光模式，可设置不同的显示效果。调整视口中模型的视角，点击“主页”下的“高分辨率图像”来输出图片，在弹出的“工作间”面板可设置图片的大小，将图片另存为常用的“.jpg”格式。如图5、图6分别为主厂房的纵剖面图和发电机组装配图。

3 结束语

本文借助AutoCAD和CATIA软件，完成了水电站厂房和水轮发电机组三维实体模型的创建，采用3DVIA Composer软件制作输出水轮发电机虚拟装配演示动画和厂房高清图片，成功开发水电站厂房模型三维仿真系统，增强了模型的立体感和逼真度，有助于厂房管理人员快速熟悉掌握厂房及水轮发电机的复杂构造，为之后电站厂房的虚拟漫游和安全监测研究提供了有力支撑。

参考文献：

[1] 李南辉，李洋波，王飞.基于Virtools的水电站厂房可视化系统开发[J].电脑知识与技术，2013，9（4）： 2464-2466.

[2] 马伟，张海英，雷贤卿. CATIA V5 R16曲面造型及逆向设计[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 詹熙达.CATIA V5产品设计实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 张志利，褚识广，龙勇，等.基于CATIA和3DVIA Composer的液压元件虚拟装配仿真[C].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集，2010.endprint