船舶机舱设备建模与虚拟装配应用研究

吴先哲， 徐轶群

(集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021)



船舶机舱设备建模与虚拟装配应用研究

吴先哲， 徐轶群

(集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021)

摘要基于虚拟现实技术，通过运用Tribon、3DS Max对船舶机舱及设备进行建模并运用Unity 3D 进行虚拟装配。该方法能使船舶机舱空间布局及主要设备进行优化，并实现了通过虚拟现实技术对船舶设备装配过程的模拟，不仅有利于培训人员的教学培训，更有利于船舶设计人员与实际操作工人间的沟通，还可以减少船舶生产装配过程中的失误，提高船厂的生产效率，具有较强的实际意义。

关键词船舶机舱三维建模虚拟装配

Marine Engine Room Equipment Modeling and Virtual Assembly Application Research of the Ship

WU Xian-zhe， XU Yi-qun

(Jimei University Institute of Marine Engineering, Xiamen Fujian 361021, China)

AbstractBased on virtual reality technology,it can make the ship engine room and equipment models by Tribon and 3DS Max.Also it can use the unity 3D software to do virtual assembly.The method can optimize the layout of the ship engine room and the major equipment.Also it can implement the ship equipment assembly process simulation by virtual reality technology.It is not only beneficial to communication between the ship design personnel and the actual operator,but it can also reduce the mistakes of the ship production and assembly process.The method can improve shipyard production efficiency and has strong practical significance.

Keywords Ship engine roomThree dimensional modelVirtual assembly

0引言

虚拟现实技术是新世纪重要发展技术之一，它是利用先进计算机技术生成的具有与现实效果一样的三维虚拟环境，是多媒体技术的高层次发展，其具有三个重要的、相互影响的、不可或缺的基本特征，分别是沉浸、交互、想象。经过技术不断地发展，其已应用于商业开发、教育科研等各个重要领域，硕果累累。在船舶行业，虚拟现实技术也起着相当重要的作用。

经过仔细研究船舶机舱图纸，参照船舶机舱中的真实环境，利用虚拟现实技术，建立一个逼真的机舱三维模型，接着进行虚拟的机舱场景优化。用户可以在这个虚拟的机舱场景中进行自主漫游，相当于在实际机舱中进行观察探索，能够充分感受到在实际狭小的机舱工作环境中十分相似的切身体验。在此漫游过程中，用户能够充分观察到船舶机舱内的布局构造，管路以及设备的具体布置。另外，通过对构建出来的虚拟机舱场景中的设备进行虚拟装配及进一步的交互操作，用户能够更好地掌握设备的装配及操作方法，进一步更好地理解设备的运行原理并能将其运用到实际工作中去。通过对机舱设备的虚拟装配，有助于船厂在实际装配中减少操作失误、缩短时间，从而提高实际效益。

1船舶机舱及设备三维建模

船舶机舱是船舶中最为重要的一个区域，在这个区域内，分布了众多复杂的管路设备，故对机舱及设备建模，然后对其进行虚拟装配研究有着重要的意义。用于三维建模的软件较多，其各侧重点不同，有的侧重于工业行业，有的则主要应用于商业行业。现在常见的三维建模软件有Catia、Solid Works、Pro/Engineer、Invertor、Tribon、3DS Max等。在本次建模中选择Tribon和3DS Max软件，两者各自发挥其特点，相辅相成。

1.1建模软件Tribon与3DS Max的特点

Tribon 软件是目前世界造船业中不可缺少的软件之一，其在船厂设计部门里有着重要的地位。该软件主要用于船体的生产设计、制造以及管路、设备等舾装设计布置，在船舶生产设计领域有着举足轻重的作用，是国内造船业中重要的船舶设计软件。Tribon软件能够按照船舶图纸严格构建出精确的船体模型，但却不能实现对船体和设备进行进一步的材质编辑、动画设置、渲染等方面的功能。而3DS Max软件刚好能弥补Tribon软件在这些方面的不足。3DS Max是由AutoDesk公司开发的三维模型与动画制作渲染软件，它被广泛应用于游戏设计、广告设计、建筑设计和影视制作等多个领域。3DS Max的特点是具有强大的材质编辑和灯光处理功能，在后期的模型渲染上功能强大，能够构建出逼真的模型。

Tribon软件与3DS Max软件相结合能够取长补短，既能按照实际构建出机舱模型，同时又能对其进行材质编辑、渲染等优化。

1.2机舱及设备建模具体流程

首先认真研究该船机舱的设计图纸，做到充分了解该机舱内部的具体结构、设备、管路以及彼此间的相互位置关系，平衡模型复杂程度，这有助于更准确地构建出机舱模型。接着在Tribon软件中进行建模。由于Tribon软件机舱建模后的三维模型都是未经过进一步优化处理的，因此必须将Tribon软件已完成的机舱模型导入到3DS Max软件内进行材质纹理、贴图灯光等后期的优化处理。在模型导入完成后，便可对模型进行模型优化、贴图渲染以及精细度处理。建模过程如图1所示。

图1　船舶机舱及设备建模流程图

1.3机舱建模

在船体实际建造过程中，船厂都是使用分段制造的方法以提高实际效益。分段是由零件、部件组合成的船体结构，按其几何特征可分为平面分段(如甲板分段)、曲面分段(如带梁拱的上层建筑分段)、半立体分段(如舷侧分段)、立体分段(如底部分段)以及总段。在生产过程中，船体是从零件、部件、分段以及总段一步步制造装配而成。其过程如图2所示。

图2　船体建造过程

模仿上述的分段建造过程，在Tribon机舱建模过程中也使用分段建模，其建造完成的模型如图3所示。

图3　机舱三维模型

2船舶机舱设备的虚拟装配

在进行完船舶机舱建模后，接下来是对设备虚拟装配的过程进行分析，并选择适当的方法进行装配。其目的是确保装配过程既能够方便操作，又可以简单明确。在这过程中运用Unity 3D软件进行场景效果处理。

2.1虚拟装配技术的优势

虚拟装配是根据具体产品或零件、部件的形状和主要特征，在计算机平台上进行仿真装配的过程。用户可以通过交互式的控制方式来控制其装配过程。虚拟装配有着其重要的优点，即可验证装配性、可验证最优装配规划、可节约规划时间、可提高规划灵活性和可通过虚拟装配来熟悉装配过程这五方面的优势。

2.2设备的虚拟装配序列

虚拟装配序列是为了保证生产现场的生产效率而寻求制定装配体中产品配件的最合理安装顺序。它是根据具体装配体之间的特定关系以及具体功能特点来确定配件的安装顺序，从而进一步生成装配序列。目前的装配序列方法包括有组件识别法、装配优先约束关系法、知识求解法和拆卸法等装配序列方法。

经分析，在船舶机舱设备的虚拟装配过程中，最适用的装配方法为拆卸法，顾名思义该方法就是可以虚拟拆卸和虚拟装配，两者互为可逆。

2.3设备的虚拟装配路径

在确定了虚拟装配序列之后，接下来就是规划装配路径。虚拟装配的路径规划是在确定装配序列的基础上对其组件的安装路径进行规划，在虚拟装配技术中占有重要的地位，也是检验虚拟设备是否符合拆卸法这个装配序列的重要依据。目前世界上较典型的路径规划方法有：位姿空间法、方向多面锥法、可师徒法、单元分解法、拓扑法和人工势场法等。

在装配路径类别方面，装配路径分为两类:一类是粗装配路径，指的是零件逐步靠近欲组装的设备，但还没有开始装配的这一段过程中所经过的路径，在装配工艺上只要求在此路径中不与其他设备发生干涉即可；另一类是精装配路径，指的是从靠近预组装设备到完成组装的这段过程经过的路径，在此路径中装配工艺要求严格，必须严格符合工艺上的可行性。

在机舱设备虚拟装配过程中需要这两类装配路径相互配合运用，并需充分考虑到在碰撞干涉后进行虚拟装配。

在确定相关装配路径后，便可在Unity 3D中完成设备虚拟装配，其流程图如图4所示。

图4　设备虚拟装配流程图

2.4装配完成的设备模型

装配完成的设备模型如图5、图6所示。

图5　船舶主机三维模型

图6　油水分离器三维模型

2.5机舱的漫游检查

在Unity 3D中可对机舱进行漫游检查(见图7)，这可以使用户能够详细地了解机舱结构及其中的设备或管路布置情况。以下就是进行的脚本编辑，其目的是当点击鼠标左键时，用户会朝鼠标点击的方向移动。

图7　机舱漫游检查

漫游控制脚本程序：

var world:Vector3;

var speed:float=0;

function Update ()

{

var screenpos=Camera.main.WorldToScreenPoint(transform.position); var e:Vector3=Input.mousePosition;

if(Input.GetMouseButton(0))

{

e.z=screenpos.z;

world.x=Camera.main.ScreenToWorldPoint(e).x;

world.z=Camera.main.ScreenToWorldPoint(e).z;

world.y=transform.position.y;

speed=1;

}

if(transform.position==world)

{

speed=0;

}

transform.LookAt(world);

transform.Translate(Vector3.forward*speed*Time.deltaTime);

}

3结束语

应用虚拟现实技术在船舶各系统中进行虚拟仿真已经逐步成为国内造船行业的一个重要发展方向。对船舶机舱设备装配过程进行虚拟仿真，有利于提高船舶设计人员与实际操作工人之间的沟通效率，减少实际装配中的失误，提升船厂的生产效率。通过对构建出来的虚拟机舱场景中的设备进行虚拟装配及进一步的交互操作，用户能够更好地了解设备运行原理及操作方法，并能将其熟练运用到实际工作中去。通过对机舱设备的虚拟装配，对于实际生产具有重要的实践意义。

参考文献

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[7]田秀峰.基于动态仿真的船舶管系虚拟装配路径规划方法研究[D].沈阳:东北大学,2008.

中图分类号U662

文献标志码A

作者简介：吴先哲(1991-)，男，硕士研究生，研究领域为船舶与海洋结构物设计制造。