船舶生產設計中三維建模的教學設計開發

鄭 力

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

船舶結構和功能越來越復雜，船東要求越來越多元，市場競爭越來越激烈，傳統的計算機輔助船舶設計與制造技術已經很難適應這些改變[1]。因此未來船舶企業必須提高船舶設計以及輔助制造的能力，引入虛擬仿真、智能制造等技術，增強船舶企業的競爭力。那么，如何實現船舶的虛擬仿真和智能制造呢？這就需要提高船舶生產設計水平、實現制造的柔性化、智能化和高度集成化，其中船舶生產設計的好壞直接影響智能制造，只有提高船舶生產設計水平才有可能實現智能制造[2]。

船舶生產設計是造船企業在船舶建造過程中的第一步，它直接決定船舶制造企業的生產和管理水平。目前國內船舶制造企業大多采用CAM技術代替傳統生產設計技術，CAM通過對船舶詳細設計的進一步細化，結合當前國內船舶建造能力現狀，為船舶的數控生產和現場制造服務，因此CAM技術的水平直接決定了船舶生產設計水平。工藝設計人員通過CAM系統的功能，進行船舶產品型線設計、三維模型建立、數控零件號料、零部件加工信息生成、施工工藝文件編制等。因此，提高CAM產品的功能和設計人員的素質就成為提高船舶生產設計水平的重中之重。船舶類高職院校應順應行業發展規律、緊跟行業前進步伐，教師應幫助船舶專業學生掌握船舶生產設計的核心內容，從人才培養方案出發，為學生制定學習目標、學習方法、學習步驟、學習載體、學習內容、實施方案與時間分配等環節與船舶制造企業生產設計實際工作任務相匹配，開發三維建模教學，從而達到突出以職業能力為核心的實踐能力培養，以提高學生的競爭力。

1 建立三維模型

1.1 型線光順

在船舶三維建模之前要進行型線光順，首先，學生要將船體型線圖、型值表以及船體首尾部輪廓圖紙，都轉換成按三向光順計算程序所要求的格式數據，并且要依照規定的次序輸送給程序；其次，考慮在軟件計算過程中可能出現的各種情況及處理方法（如數據點的類型、多條型線共用點的設置等）；最后，進行型線光順，按照船舶建造軟件事先安排好的計算順序和計算方法，對不同類型的型線分別進行光順。對船體三向光順來講，這是一項非常重要而細致的工作。接下來利用光順的型線建立船舶型表面，并通過對型表面的照光來檢驗型線是否光順，這一步工作質量的好壞，直接影響三維建模工作能否順利進行。在TRIBON軟件中為了提高船舶生產設計效率，一般會用最短的時間生成一個初始的船舶型表面供三維建模使用，之后再進行型線光順，再將之前的設計替換掉，這樣可以大大縮短船舶生產設計時間。

1.2 三維建模

建立船舶三維模型是建立產品模型數據庫的過程。將二維圖紙上用不同線型表達的構件，在相應的三維數字空間中進行虛擬實體造型，這個過程可以看作是建立一個工程項目全部信息的“船舶數據庫”的過程，該數據庫是面向對象的，即所有設計和生產數據都作為“對象”來貯存，這些“對象”是船舶建造中的各類實體，如外板、甲板、艙壁板、肋骨、縱桁、縱骨、扶強材和加強筋等，每類實體都按一定的方式進行組織。例如構件規格和所屬分段等數據信息，根據不同的情況，這些數據信息被用來生成各種二維和三維視圖，一旦在設計過程中需進行修改，與模型相應的技術數據將隨之改變，而不僅僅是改變圖形信息。船舶三維建模是一個虛擬仿真的過程，即把大量數據轉換為三維可視化的計算機圖像，其功能主要是利用現行船舶輔助建造系統（比如CADDS5、 TRIBON、 CATIA、 HD-SHM等） 來實現，船舶三維模型建好后可以用來進行船舶結構的動態分析、船舶建造的虛擬仿真等[3]。

2 教學設計開發

2.1 教學環境方面

教學設計開發主要從軟件設施和教師能力兩方面進行。在軟件設施方面，網絡技術、人工智能、計算機圖形學等軟件技術的發展為學院進行虛擬仿真教學提供了條件，在虛擬仿真世界的數字化多維空間中，師生可以獲得船舶建造的各種信息，這種仿真可以代替耗費大量時間與資源的真實船舶建造過程，也可以使船舶生產設計與虛擬建造的各個環節表現得更加逼真。借助這樣的教學軟件，學生可以通過多種方式與虛擬環境進行交互，從虛擬仿真環境中得到感性和理性的認識，從而幫助學生深化概念、理解流程、提升技能。學院的多媒體教室、VR教室等為虛擬仿真教學提供了硬件設施，東欣船舶建造系統、TRIBON軟件等船舶輔助建造軟件、DELMIA等虛擬仿真軟件為虛擬仿真教學提供了軟件支持。以上軟件設施為三維建模的教學設計提供了前提保障，使得這項教學設計開發能夠順利進行。在教師能力方面，以課程教學團隊進行教師能力提升，以真實船舶生產設計案例進行專業技能培訓，共同進行教學資源開發，統一評價體系，同時借教學設計開發的機會可以提升整個教學團隊的能力。

2.2 教學資源方面

依據教學船舶圖紙資源，建立該教學船舶的三維模型，根據船舶制造企業生產設計要求，在光順的三維型線基礎上，進一步形成光順的船舶型表面，建立初始化數據庫（材質庫、型材庫、端切庫等），并制定船舶建造方針及分段劃分圖，最后以分段為單元在計算機中建立三維模型。使用船舶行業廣泛應用的東欣船舶建造軟件進行模型建立，按照實船生產設計流程，開展項目訓練，模擬與船舶建造企業實際生產設計一致的學習環境，將型線放樣、三維建模和圖紙生成與實訓項目相結合，從識讀詳細設計圖紙、確定建造方針、分段劃分、軟件初始化、建立數據庫、三維建模等各個單元入手進行教學設計開發，使學生掌握船體生產設計中三維建模的要領，實現技能訓練、知識學習與素質養成一體化，逐步達到專業培養目標的要求。另外，建立的三維模型還能夠進行虛擬建造的仿真，即將零件按照船舶建造工藝要求裝配成分段，實現計算機虛擬制造。由虛擬制造作為技術支撐，教學設計就可以針對船舶生產設計工作崗位，提煉出典型工作任務，實施真實的生產任務，配合知識點下達任務單，使用真實任務培養學生的職業技能，并將相關造船行業職業技能標準融入實訓過程中，從而提高學生的職業能力，提升專業人才培養水平。[4]

由于船舶結構復雜且設備繁多，為使學生能夠真正、透徹地理解船舶結構和功能，就希望可以隨時查看構件信息并按需要移動構件，同時還可以方便地修改構件規格和布置位置，這就需要在復雜的虛擬場景中找到正確路徑、進入并能獲取構件信息并更改信息，采用視點變換的方式穿行、觀察、更改虛擬場景。當虛擬環境建立后，實現這些功能并不難，而船舶三維模型恰恰能夠提供這種虛擬仿真所需的船舶背景，也能夠使學生以虛擬仿真的形式沉浸在虛擬環境中并與之交互，船舶三維模型可以完成構件的實體造型構造、實體間的干涉檢查，并可以實現整個船舶的總組和搭載仿真、虛擬船廠設計模擬等。

總之，三維建模作為船舶生產設計的重要環節，直接面向數控生產實際。生產設計人員在船舶建造軟件的輔助下，根據船舶詳細設計圖紙資源和船舶建造的具體要求進行三維建模，通過人機交互操作方式進行設計，還可在模型的基礎上輸出零件的加工信息、工程圖紙、技術文檔等。而相關專業的設計人員以三維模型為船體背景進行其他專業的設計構思和認證。三維模型的好壞直接決定了數控生產的準確程度及加工的難易程度，所以基于三維模型的虛擬仿真教學設計對船舶工程技術專業的學生來說意義重大。船舶工程技術專業的培養目標是培養德、智、體、美全面發展，具有較強專業技能、良好職業道德和可持續發展能力的高素質技術技能型人才。此次教學設計開發能夠提高學生的綜合素質，實現學生工作后的無縫崗位對接。