船舶生产设计中三维建模的教学设计开发

郑 力

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

船舶结构和功能越来越复杂，船东要求越来越多元，市场竞争越来越激烈，传统的计算机辅助船舶设计与制造技术已经很难适应这些改变[1]。因此未来船舶企业必须提高船舶设计以及辅助制造的能力，引入虚拟仿真、智能制造等技术，增强船舶企业的竞争力。那么，如何实现船舶的虚拟仿真和智能制造呢？这就需要提高船舶生产设计水平、实现制造的柔性化、智能化和高度集成化，其中船舶生产设计的好坏直接影响智能制造，只有提高船舶生产设计水平才有可能实现智能制造[2]。

船舶生产设计是造船企业在船舶建造过程中的第一步，它直接决定船舶制造企业的生产和管理水平。目前国内船舶制造企业大多采用CAM技术代替传统生产设计技术，CAM通过对船舶详细设计的进一步细化，结合当前国内船舶建造能力现状，为船舶的数控生产和现场制造服务，因此CAM技术的水平直接决定了船舶生产设计水平。工艺设计人员通过CAM系统的功能，进行船舶产品型线设计、三维模型建立、数控零件号料、零部件加工信息生成、施工工艺文件编制等。因此，提高CAM产品的功能和设计人员的素质就成为提高船舶生产设计水平的重中之重。船舶类高职院校应顺应行业发展规律、紧跟行业前进步伐，教师应帮助船舶专业学生掌握船舶生产设计的核心内容，从人才培养方案出发，为学生制定学习目标、学习方法、学习步骤、学习载体、学习内容、实施方案与时间分配等环节与船舶制造企业生产设计实际工作任务相匹配，开发三维建模教学，从而达到突出以职业能力为核心的实践能力培养，以提高学生的竞争力。

1 建立三维模型

1.1 型线光顺

在船舶三维建模之前要进行型线光顺，首先，学生要将船体型线图、型值表以及船体首尾部轮廓图纸，都转换成按三向光顺计算程序所要求的格式数据，并且要依照规定的次序输送给程序；其次，考虑在软件计算过程中可能出现的各种情况及处理方法（如数据点的类型、多条型线共用点的设置等）；最后，进行型线光顺，按照船舶建造软件事先安排好的计算顺序和计算方法，对不同类型的型线分别进行光顺。对船体三向光顺来讲，这是一项非常重要而细致的工作。接下来利用光顺的型线建立船舶型表面，并通过对型表面的照光来检验型线是否光顺，这一步工作质量的好坏，直接影响三维建模工作能否顺利进行。在TRIBON软件中为了提高船舶生产设计效率，一般会用最短的时间生成一个初始的船舶型表面供三维建模使用，之后再进行型线光顺，再将之前的设计替换掉，这样可以大大缩短船舶生产设计时间。

1.2 三维建模

建立船舶三维模型是建立产品模型数据库的过程。将二维图纸上用不同线型表达的构件，在相应的三维数字空间中进行虚拟实体造型，这个过程可以看作是建立一个工程项目全部信息的“船舶数据库”的过程，该数据库是面向对象的，即所有设计和生产数据都作为“对象”来贮存，这些“对象”是船舶建造中的各类实体，如外板、甲板、舱壁板、肋骨、纵桁、纵骨、扶强材和加强筋等，每类实体都按一定的方式进行组织。例如构件规格和所属分段等数据信息，根据不同的情况，这些数据信息被用来生成各种二维和三维视图，一旦在设计过程中需进行修改，与模型相应的技术数据将随之改变，而不仅仅是改变图形信息。船舶三维建模是一个虚拟仿真的过程，即把大量数据转换为三维可视化的计算机图像，其功能主要是利用现行船舶辅助建造系统（比如CADDS5、 TRIBON、 CATIA、 HD-SHM等） 来实现，船舶三维模型建好后可以用来进行船舶结构的动态分析、船舶建造的虚拟仿真等[3]。

2 教学设计开发

2.1 教学环境方面

教学设计开发主要从软件设施和教师能力两方面进行。在软件设施方面，网络技术、人工智能、计算机图形学等软件技术的发展为学院进行虚拟仿真教学提供了条件，在虚拟仿真世界的数字化多维空间中，师生可以获得船舶建造的各种信息，这种仿真可以代替耗费大量时间与资源的真实船舶建造过程，也可以使船舶生产设计与虚拟建造的各个环节表现得更加逼真。借助这样的教学软件，学生可以通过多种方式与虚拟环境进行交互，从虚拟仿真环境中得到感性和理性的认识，从而帮助学生深化概念、理解流程、提升技能。学院的多媒体教室、VR教室等为虚拟仿真教学提供了硬件设施，东欣船舶建造系统、TRIBON软件等船舶辅助建造软件、DELMIA等虚拟仿真软件为虚拟仿真教学提供了软件支持。以上软件设施为三维建模的教学设计提供了前提保障，使得这项教学设计开发能够顺利进行。在教师能力方面，以课程教学团队进行教师能力提升，以真实船舶生产设计案例进行专业技能培训，共同进行教学资源开发，统一评价体系，同时借教学设计开发的机会可以提升整个教学团队的能力。

2.2 教学资源方面

依据教学船舶图纸资源，建立该教学船舶的三维模型，根据船舶制造企业生产设计要求，在光顺的三维型线基础上，进一步形成光顺的船舶型表面，建立初始化数据库（材质库、型材库、端切库等），并制定船舶建造方针及分段划分图，最后以分段为单元在计算机中建立三维模型。使用船舶行业广泛应用的东欣船舶建造软件进行模型建立，按照实船生产设计流程，开展项目训练，模拟与船舶建造企业实际生产设计一致的学习环境，将型线放样、三维建模和图纸生成与实训项目相结合，从识读详细设计图纸、确定建造方针、分段划分、软件初始化、建立数据库、三维建模等各个单元入手进行教学设计开发，使学生掌握船体生产设计中三维建模的要领，实现技能训练、知识学习与素质养成一体化，逐步达到专业培养目标的要求。另外，建立的三维模型还能够进行虚拟建造的仿真，即将零件按照船舶建造工艺要求装配成分段，实现计算机虚拟制造。由虚拟制造作为技术支撑，教学设计就可以针对船舶生产设计工作岗位，提炼出典型工作任务，实施真实的生产任务，配合知识点下达任务单，使用真实任务培养学生的职业技能，并将相关造船行业职业技能标准融入实训过程中，从而提高学生的职业能力，提升专业人才培养水平。[4]

由于船舶结构复杂且设备繁多，为使学生能够真正、透彻地理解船舶结构和功能，就希望可以随时查看构件信息并按需要移动构件，同时还可以方便地修改构件规格和布置位置，这就需要在复杂的虚拟场景中找到正确路径、进入并能获取构件信息并更改信息，采用视点变换的方式穿行、观察、更改虚拟场景。当虚拟环境建立后，实现这些功能并不难，而船舶三维模型恰恰能够提供这种虚拟仿真所需的船舶背景，也能够使学生以虚拟仿真的形式沉浸在虚拟环境中并与之交互，船舶三维模型可以完成构件的实体造型构造、实体间的干涉检查，并可以实现整个船舶的总组和搭载仿真、虚拟船厂设计模拟等。

总之，三维建模作为船舶生产设计的重要环节，直接面向数控生产实际。生产设计人员在船舶建造软件的辅助下，根据船舶详细设计图纸资源和船舶建造的具体要求进行三维建模，通过人机交互操作方式进行设计，还可在模型的基础上输出零件的加工信息、工程图纸、技术文档等。而相关专业的设计人员以三维模型为船体背景进行其他专业的设计构思和认证。三维模型的好坏直接决定了数控生产的准确程度及加工的难易程度，所以基于三维模型的虚拟仿真教学设计对船舶工程技术专业的学生来说意义重大。船舶工程技术专业的培养目标是培养德、智、体、美全面发展，具有较强专业技能、良好职业道德和可持续发展能力的高素质技术技能型人才。此次教学设计开发能够提高学生的综合素质，实现学生工作后的无缝岗位对接。