基于3DS-MAX的船舶生產(chǎn)流程仿真

孔德寶，鐘文陽(yáng)

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433;2.中船龍穴造船有限公司，廣東廣州 511462)

基于3DS-MAX的船舶生產(chǎn)流程仿真

孔德寶1，鐘文陽(yáng)2

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433;2.中船龍穴造船有限公司，廣東廣州 511462)

主要研究模擬船廠制造流程三維建模。通過確定其生產(chǎn)流程，合理運(yùn)用3DS-MAX軟件，完成船舶產(chǎn)品從原料碼頭進(jìn)場(chǎng)，經(jīng)鋼材預(yù)處理、零件加工、部件裝配、分段裝配、分段舾裝、分段涂裝、分段總組直到下水的船舶生產(chǎn)周期的虛擬制造。并在后期進(jìn)行動(dòng)畫編輯工作，從而完成整個(gè)船舶生產(chǎn)流程的系統(tǒng)仿真與動(dòng)態(tài)演示。

三維建模;動(dòng)態(tài)仿真;虛擬制造

0 引言

數(shù)字化造船一直被業(yè)界認(rèn)為是傳統(tǒng)造船模式向現(xiàn)代造船模式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。從數(shù)字化設(shè)計(jì)，到數(shù)字化制造、再到數(shù)字化管理，通過推進(jìn)數(shù)字化造船進(jìn)程，可大幅度提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，改進(jìn)造船企業(yè)管理體制與創(chuàng)新模式，并完善與配套企業(yè)的有效銜接等。因此，數(shù)字化造船是降低造船業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、推動(dòng)船舶工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的一條必行之路。其中，船舶建造數(shù)字化的意義最為重大，它從工程層面考慮并解決問題，直接著眼于生產(chǎn)過程中的各個(gè)生產(chǎn)要素，達(dá)到控制成本、控制生產(chǎn)進(jìn)度的目的。本文以龍穴造船基地一期民品造船區(qū)為藍(lán)本，基于虛擬制造三維模型創(chuàng)建軟件3DS-MAX，設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的虛擬船廠布局及其車間模型。

1 仿真軟件介紹

1.1 虛擬制造系統(tǒng)

虛擬制造系統(tǒng)可分為3類，分別為以設(shè)計(jì)為中心、以生產(chǎn)為中心和以控制為中心的虛擬制造系統(tǒng)［1］。而面向生產(chǎn)工程的虛擬制造的核心問題是生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃，包括布局規(guī)劃、物流規(guī)劃和控制規(guī)劃，目標(biāo)是獲得優(yōu)化的生產(chǎn)系統(tǒng)性能指標(biāo)，解決生產(chǎn)制造系統(tǒng)規(guī)劃中的問題［2］。

虛擬制造是一種通過計(jì)算機(jī)將研究系統(tǒng)及其特征抽象成模型來分析數(shù)學(xué)模型行為、模擬展示，以此預(yù)估產(chǎn)品功能、性能、可加工性等各方面可能存在的問題，以增強(qiáng)制造過程中各級(jí)的決策與控制能力，從而使制造技術(shù)走出主要依賴經(jīng)驗(yàn)的狹小天地，發(fā)展到全方位預(yù)報(bào)的新階段。

與實(shí)際制造相比較，虛擬制造的主要特點(diǎn)是:產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬模型，在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試，甚至是設(shè)計(jì)人員和用戶可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作，而不依賴于原型樣機(jī)的反復(fù)修改;還可將開發(fā)的產(chǎn)品(部件)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里，不但大大節(jié)約了倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，更能根據(jù)用戶需求或市場(chǎng)變化快速改型設(shè)計(jì)，快速投入批量生產(chǎn)，從而大幅壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，提高質(zhì)量、降低成本。

1.2 軟件選擇

為實(shí)現(xiàn)虛擬制造所需的三維模型創(chuàng)建，就必須選擇合適的三維模型創(chuàng)建軟件以方便系統(tǒng)的開發(fā)和仿真的實(shí)現(xiàn)。優(yōu)秀的三維模型創(chuàng)建工具有很多，下面就本文選擇的3DS-MAX軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

由Autodesk公司出品的3DS STUDIO MAX是風(fēng)靡世界的面向廣大PC用戶的32位的面向?qū)ο蟮膹?qiáng)大三維建模、動(dòng)畫制作和渲染軟件，它提供了一個(gè)非常易用的用戶界面。它第一次在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了通常只有在圖形工作站級(jí)硬件水平上才能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫與圖像的處理效果。新版的3DS-MAX在建模技術(shù)、材質(zhì)編輯、環(huán)境控制、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、渲染輸出、后期制作等方面日趨完善，內(nèi)部算法也有了很大改進(jìn)，極大地提高了制作與渲染的速度，其渲染輸出的結(jié)果達(dá)到了工作站級(jí)的水準(zhǔn)，功能界面的劃分更趨于合理，在三維動(dòng)畫制作過程中的各個(gè)功能任務(wù)組井然有序地整體結(jié)合在一起。

3DS-MAX的建模工具一方面提供了非常廣泛的多邊形建模工具組件，另一方面開始提供Nurbs面片建模工具組件，能夠與其他高端的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手展開競(jìng)爭(zhēng)。過去，3DS-MAX的動(dòng)畫制作主要依賴其豐富的外掛程序(插件)來完成，最近Discreet公司也在慢慢篩選出一些動(dòng)畫工具插件并集成到軟件的內(nèi)核之中。盡管它的動(dòng)畫工具組件在制作一些最高級(jí)的角色動(dòng)畫時(shí)還稍顯不足，但是它還是提供了足以勝任絕大多數(shù)動(dòng)畫任務(wù)的工具組件，能夠滿足幾乎所有領(lǐng)域的需要，只是在進(jìn)行一些非常極端的動(dòng)畫角色裝配設(shè)置時(shí)還有待提高。

除此之外，還有諸多優(yōu)秀的三維建模軟件，如Maya、基于Open Inventor的Amira等。就后續(xù)的研究和繼續(xù)開發(fā)而言，利用Amira和CATIA創(chuàng)建三維模型是最合適的選擇，因此選擇用3DS-MAX來創(chuàng)建三維模型。3DS-MAX泛用性較強(qiáng)，在各方面都有成熟應(yīng)用的案例，且從硬件設(shè)施上考慮，3DS-MAX是最合適的選擇。另外3DS-MAX具有兼容導(dǎo)入AutoCAD格式文件的功能，這為TRIBOM、AutoCAD之間的數(shù)據(jù)交互性有極大地便利性。

2 船廠布置規(guī)劃與流程分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外船廠的典型布置圖及總裝作業(yè)流程圖的分析，決定使用龍穴造船基地一期民品造船區(qū)的布置圖為藍(lán)本制作虛擬船廠的布置圖。圖1所示即為龍穴造船基地一期民品造船區(qū)的總體規(guī)劃圖。

從圖1中可以看出，該船廠布局是典型的I型結(jié)構(gòu)，所有的物流只向一個(gè)方向流動(dòng)，相比于其他布局形式，如L型、T型等，I型結(jié)構(gòu)是較為理想的布局，但是對(duì)岸線長(zhǎng)度有較高要求。據(jù)此，本文規(guī)劃了所需虛擬船廠的布置圖，如圖2所示。虛擬船廠擬定的造船能力為年造船15萬t級(jí)原油輪12艘及6 500 TEU集裝箱船8艘，由于是相同類型船舶批量制造，所以，可確定船廠布置圖為“I”型。圖3是依據(jù)船廠布置圖所繪的總裝流程圖，虛擬船廠模型的建立必須對(duì)應(yīng)相關(guān)的總裝流程。

圖1 龍穴造船基地一期民品造船區(qū)總體規(guī)劃圖

3 船廠三維模型的制作及動(dòng)態(tài)仿真

3.13DS-MAX軟件建模

依據(jù)前文所擬定的虛擬船廠布置圖及主流程圖，將TRIBON中的圖紙通過CAD在3DS-MAX中導(dǎo)入船廠布置圖，并對(duì)船廠的鋼材堆場(chǎng)、分段堆場(chǎng)、船塢等進(jìn)行建模，模型如圖4～圖6所示。

圖2 虛擬船廠的布置圖

圖3 虛擬船廠的總裝流程圖

各個(gè)模型創(chuàng)建完畢后，應(yīng)用場(chǎng)景合并的功能，將各個(gè)單獨(dú)的模型整合到一起，以形成完整船廠模型，并利用3DS-MAX強(qiáng)大的渲染功能進(jìn)行渲染出圖，結(jié)果如圖7所示。

3.2 船廠模型運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫制作

在上述靜態(tài)的模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為更好地達(dá)到預(yù)估適用性的目的，可將相應(yīng)的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬。本文以鋼板預(yù)處理為例，用以說明制作動(dòng)畫的基本流程。鋼板從原料碼頭進(jìn)入船廠之后，第一個(gè)重要的工藝階段是鋼材的預(yù)處理作業(yè)流程，一般的鋼材預(yù)處理的流程如圖8所示。

圖4 虛擬船廠的鋼材堆場(chǎng)模型

圖5 虛擬船廠的分段堆場(chǎng)模型

圖6 虛擬船廠的船塢模型

圖7 虛擬船廠的3DS-MAX渲染出圖

圖8 船廠鋼板預(yù)處理流程圖

從圖8可知，鋼板在鋼材堆場(chǎng)經(jīng)過堆場(chǎng)門吊和進(jìn)料輥道的輸送后，進(jìn)入預(yù)處理車間，經(jīng)過輥平、噴砂除銹、噴漆、烘干等工序后，由出料輥道輸送到理料區(qū)。3DS-MAX擁有強(qiáng)大的動(dòng)畫制作功能，利用自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)和迷你軌跡編輯器，可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需工作的動(dòng)態(tài)演示。同時(shí)，可設(shè)置“目標(biāo)攝像機(jī)”，調(diào)整以攝像機(jī)視角觀察，并給以攝像機(jī)一個(gè)路徑，利用3DS-MAX中的路徑約束對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的鎖定，使其能從各個(gè)角度對(duì)鋼材預(yù)處理的過程進(jìn)行拍攝，然后使用Video Post進(jìn)行動(dòng)畫輸出。

因此，通過控制其幀數(shù)開始與結(jié)束，可以決定動(dòng)畫時(shí)間的長(zhǎng)短;同理，可以制作分段堆場(chǎng)的液壓臺(tái)車吊機(jī)運(yùn)動(dòng)、船塢龍門吊吊裝動(dòng)作等過程的動(dòng)態(tài)模擬，并依次制作為動(dòng)畫。

3.3 “會(huì)聲會(huì)影”(Ulead VideoStudio)動(dòng)畫編輯

會(huì)聲會(huì)影是友立公司研發(fā)的產(chǎn)品，是一款功能強(qiáng)大的“視頻編輯”軟件，具有圖像抓取和編修功能，可以轉(zhuǎn)換 MV、DV、V8、TV和實(shí)時(shí)記錄，并提供有超過100多種的編制功能與效果，可制作DVD、VCD、VCD光盤，并支持各類編碼。使用會(huì)聲會(huì)影軟件可對(duì)制作的各個(gè)動(dòng)畫進(jìn)行編輯，將所需編輯的動(dòng)畫加入到其中，在界面下方的時(shí)間軌跡欄中編排各個(gè)動(dòng)畫的順序。在主界面中的標(biāo)題欄中點(diǎn)擊，可為動(dòng)畫加入字幕，并可控制字幕出現(xiàn)的時(shí)間、位置。

4 結(jié)論與展望

對(duì)船舶生產(chǎn)建造系統(tǒng)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行精確計(jì)算和驗(yàn)證分析，提高系統(tǒng)方案的可行性。通過基于3DS-MAX模擬船廠的制造流程，并進(jìn)行三維建模，能夠成功實(shí)現(xiàn)從船舶產(chǎn)品整個(gè)船舶生產(chǎn)周期的動(dòng)態(tài)仿真。

基于本文的研究成果，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⑷S模型動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果形成直觀的視圖，提供包括生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量，確定瓶頸位置，報(bào)告資源利用率等，校驗(yàn)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的數(shù)據(jù)［3］。面對(duì)不同的物流策略，將通過進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，輸出仿真報(bào)告來找出最優(yōu)解，最終對(duì)物流系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行判斷，做出科學(xué)決策。

［1］ 肖田元.虛擬制造及其在轎車數(shù)字化工程中的應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14(3):342-347.

［2］ 賈晨輝，張昊，陸劍峰.離散制造系統(tǒng)規(guī)劃與仿真建模研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，(3):31-35.

［3］ 謝磊，柳存根.基于em-plant的船舶建造流程仿真［J］.造船技術(shù)，2010，(4):43-46.

U673.2

A

2011-07-30

孔德寶(1985-)，男，助理工程師，主要從事船舶建造的生產(chǎn)管理和現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)工作;鐘文陽(yáng)(1982-)，男，助理工程師，主要從事分段完整性檢驗(yàn)和控制工作。