船舶機艙設備建模與虛擬裝配應用研究

吳先哲， 徐軼群

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

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船舶機艙設備建模與虛擬裝配應用研究

吳先哲， 徐軼群

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

摘要基于虛擬現實技術，通過運用Tribon、3DS Max對船舶機艙及設備進行建模并運用Unity 3D 進行虛擬裝配。該方法能使船舶機艙空間布局及主要設備進行優化，并實現了通過虛擬現實技術對船舶設備裝配過程的模擬，不僅有利于培訓人員的教學培訓，更有利于船舶設計人員與實際操作工人間的溝通，還可以減少船舶生產裝配過程中的失誤，提高船廠的生產效率，具有較強的實際意義。

關鍵詞船舶機艙三維建模虛擬裝配

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

虛擬現實技術是新世紀重要發展技術之一，它是利用先進計算機技術生成的具有與現實效果一樣的三維虛擬環境，是多媒體技術的高層次發展，其具有三個重要的、相互影響的、不可或缺的基本特征，分別是沉浸、交互、想象。經過技術不斷地發展，其已應用于商業開發、教育科研等各個重要領域，碩果累累。在船舶行業，虛擬現實技術也起著相當重要的作用。

經過仔細研究船舶機艙圖紙，參照船舶機艙中的真實環境，利用虛擬現實技術，建立一個逼真的機艙三維模型，接著進行虛擬的機艙場景優化。用戶可以在這個虛擬的機艙場景中進行自主漫游，相當于在實際機艙中進行觀察探索，能夠充分感受到在實際狹小的機艙工作環境中十分相似的切身體驗。在此漫游過程中，用戶能夠充分觀察到船舶機艙內的布局構造，管路以及設備的具體布置。另外，通過對構建出來的虛擬機艙場景中的設備進行虛擬裝配及進一步的交互操作，用戶能夠更好地掌握設備的裝配及操作方法，進一步更好地理解設備的運行原理并能將其運用到實際工作中去。通過對機艙設備的虛擬裝配，有助于船廠在實際裝配中減少操作失誤、縮短時間，從而提高實際效益。

1船舶機艙及設備三維建模

船舶機艙是船舶中最為重要的一個區域，在這個區域內，分布了眾多復雜的管路設備，故對機艙及設備建模，然后對其進行虛擬裝配研究有著重要的意義。用于三維建模的軟件較多，其各側重點不同，有的側重于工業行業，有的則主要應用于商業行業。現在常見的三維建模軟件有Catia、Solid Works、Pro/Engineer、Invertor、Tribon、3DS Max等。在本次建模中選擇Tribon和3DS Max軟件，兩者各自發揮其特點，相輔相成。

1.1建模軟件Tribon與3DS Max的特點

Tribon 軟件是目前世界造船業中不可缺少的軟件之一，其在船廠設計部門里有著重要的地位。該軟件主要用于船體的生產設計、制造以及管路、設備等舾裝設計布置，在船舶生產設計領域有著舉足輕重的作用，是國內造船業中重要的船舶設計軟件。Tribon軟件能夠按照船舶圖紙嚴格構建出精確的船體模型，但卻不能實現對船體和設備進行進一步的材質編輯、動畫設置、渲染等方面的功能。而3DS Max軟件剛好能彌補Tribon軟件在這些方面的不足。3DS Max是由AutoDesk公司開發的三維模型與動畫制作渲染軟件，它被廣泛應用于游戲設計、廣告設計、建筑設計和影視制作等多個領域。3DS Max的特點是具有強大的材質編輯和燈光處理功能，在后期的模型渲染上功能強大，能夠構建出逼真的模型。

Tribon軟件與3DS Max軟件相結合能夠取長補短，既能按照實際構建出機艙模型，同時又能對其進行材質編輯、渲染等優化。

1.2機艙及設備建模具體流程

首先認真研究該船機艙的設計圖紙，做到充分了解該機艙內部的具體結構、設備、管路以及彼此間的相互位置關系，平衡模型復雜程度，這有助于更準確地構建出機艙模型。接著在Tribon軟件中進行建模。由于Tribon軟件機艙建模后的三維模型都是未經過進一步優化處理的，因此必須將Tribon軟件已完成的機艙模型導入到3DS Max軟件內進行材質紋理、貼圖燈光等后期的優化處理。在模型導入完成后，便可對模型進行模型優化、貼圖渲染以及精細度處理。建模過程如圖1所示。

圖1　船舶機艙及設備建模流程圖

1.3機艙建模

在船體實際建造過程中，船廠都是使用分段制造的方法以提高實際效益。分段是由零件、部件組合成的船體結構，按其幾何特征可分為平面分段(如甲板分段)、曲面分段(如帶梁拱的上層建筑分段)、半立體分段(如舷側分段)、立體分段(如底部分段)以及總段。在生產過程中，船體是從零件、部件、分段以及總段一步步制造裝配而成。其過程如圖2所示。

圖2　船體建造過程

模仿上述的分段建造過程，在Tribon機艙建模過程中也使用分段建模，其建造完成的模型如圖3所示。

圖3　機艙三維模型

2船舶機艙設備的虛擬裝配

在進行完船舶機艙建模后，接下來是對設備虛擬裝配的過程進行分析，并選擇適當的方法進行裝配。其目的是確保裝配過程既能夠方便操作，又可以簡單明確。在這過程中運用Unity 3D軟件進行場景效果處理。

2.1虛擬裝配技術的優勢

虛擬裝配是根據具體產品或零件、部件的形狀和主要特征，在計算機平臺上進行仿真裝配的過程。用戶可以通過交互式的控制方式來控制其裝配過程。虛擬裝配有著其重要的優點，即可驗證裝配性、可驗證最優裝配規劃、可節約規劃時間、可提高規劃靈活性和可通過虛擬裝配來熟悉裝配過程這五方面的優勢。

2.2設備的虛擬裝配序列

虛擬裝配序列是為了保證生產現場的生產效率而尋求制定裝配體中產品配件的最合理安裝順序。它是根據具體裝配體之間的特定關系以及具體功能特點來確定配件的安裝順序，從而進一步生成裝配序列。目前的裝配序列方法包括有組件識別法、裝配優先約束關系法、知識求解法和拆卸法等裝配序列方法。

經分析，在船舶機艙設備的虛擬裝配過程中，最適用的裝配方法為拆卸法，顧名思義該方法就是可以虛擬拆卸和虛擬裝配，兩者互為可逆。

2.3設備的虛擬裝配路徑

在確定了虛擬裝配序列之后，接下來就是規劃裝配路徑。虛擬裝配的路徑規劃是在確定裝配序列的基礎上對其組件的安裝路徑進行規劃，在虛擬裝配技術中占有重要的地位，也是檢驗虛擬設備是否符合拆卸法這個裝配序列的重要依據。目前世界上較典型的路徑規劃方法有：位姿空間法、方向多面錐法、可師徒法、單元分解法、拓撲法和人工勢場法等。

在裝配路徑類別方面，裝配路徑分為兩類:一類是粗裝配路徑，指的是零件逐步靠近欲組裝的設備，但還沒有開始裝配的這一段過程中所經過的路徑，在裝配工藝上只要求在此路徑中不與其他設備發生干涉即可；另一類是精裝配路徑，指的是從靠近預組裝設備到完成組裝的這段過程經過的路徑，在此路徑中裝配工藝要求嚴格，必須嚴格符合工藝上的可行性。

在機艙設備虛擬裝配過程中需要這兩類裝配路徑相互配合運用，并需充分考慮到在碰撞干涉后進行虛擬裝配。

在確定相關裝配路徑后，便可在Unity 3D中完成設備虛擬裝配，其流程圖如圖4所示。

圖4　設備虛擬裝配流程圖

2.4裝配完成的設備模型

裝配完成的設備模型如圖5、圖6所示。

圖5　船舶主機三維模型

圖6　油水分離器三維模型

2.5機艙的漫游檢查

在Unity 3D中可對機艙進行漫游檢查(見圖7)，這可以使用戶能夠詳細地了解機艙結構及其中的設備或管路布置情況。以下就是進行的腳本編輯，其目的是當點擊鼠標左鍵時，用戶會朝鼠標點擊的方向移動。

圖7　機艙漫游檢查

漫游控制腳本程序：

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結束語

應用虛擬現實技術在船舶各系統中進行虛擬仿真已經逐步成為國內造船行業的一個重要發展方向。對船舶機艙設備裝配過程進行虛擬仿真，有利于提高船舶設計人員與實際操作工人之間的溝通效率，減少實際裝配中的失誤，提升船廠的生產效率。通過對構建出來的虛擬機艙場景中的設備進行虛擬裝配及進一步的交互操作，用戶能夠更好地了解設備運行原理及操作方法，并能將其熟練運用到實際工作中去。通過對機艙設備的虛擬裝配，對于實際生產具有重要的實踐意義。

參考文獻

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中圖分類號U662

文獻標志碼A

作者簡介：吳先哲(1991-)，男，碩士研究生，研究領域為船舶與海洋結構物設計制造。