基于3DS-MAX的船舶生產流程仿真

孔德寶，鐘文陽

(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的船舶生產流程仿真

孔德寶1，鐘文陽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。通過確定其生產流程，合理運用3DS-MAX軟件，完成船舶產品從原料碼頭進場，經鋼材預處理、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周期的虛擬制造。并在后期進行動畫編輯工作，從而完成整個船舶生產流程的系統仿真與動態演示。

三維建模;動態仿真;虛擬制造

0 引言

數字化造船一直被業界認為是傳統造船模式向現代造船模式轉變的關鍵步驟。從數字化設計，到數字化制造、再到數字化管理，通過推進數字化造船進程，可大幅度提升企業競爭力，改進造船企業管理體制與創新模式，并完善與配套企業的有效銜接等。因此，數字化造船是降低造船業風險、推動船舶工業持續穩定發展的一條必行之路。其中，船舶建造數字化的意義最為重大，它從工程層面考慮并解決問題，直接著眼于生產過程中的各個生產要素，達到控制成本、控制生產進度的目的。本文以龍穴造船基地一期民品造船區為藍本，基于虛擬制造三維模型創建軟件3DS-MAX，設計制作相應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

虛擬制造系統可分為3類，分別為以設計為中心、以生產為中心和以控制為中心的虛擬制造系統［1］。而面向生產工程的虛擬制造的核心問題是生產系統的規劃，包括布局規劃、物流規劃和控制規劃，目標是獲得優化的生產系統性能指標，解決生產制造系統規劃中的問題［2］。

虛擬制造是一種通過計算機將研究系統及其特征抽象成模型來分析數學模型行為、模擬展示，以此預估產品功能、性能、可加工性等各方面可能存在的問題，以增強制造過程中各級的決策與控制能力，從而使制造技術走出主要依賴經驗的狹小天地，發展到全方位預報的新階段。

與實際制造相比較，虛擬制造的主要特點是:產品與制造環境是虛擬模型，在計算機上對虛擬模型進行產品設計、制造、測試，甚至是設計人員和用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作，而不依賴于原型樣機的反復修改;還可將開發的產品(部件)儲存在計算機里，不但大大節約了倉儲費用，更能根據用戶需求或市場變化快速改型設計，快速投入批量生產，從而大幅壓縮新產品的開發時間，提高質量、降低成本。

1.2 軟件選擇

為實現虛擬制造所需的三維模型創建，就必須選擇合適的三維模型創建軟件以方便系統的開發和仿真的實現。優秀的三維模型創建工具有很多，下面就本文選擇的3DS-MAX軟件進行簡單介紹。

由Autodesk公司出品的3DS STUDIO MAX是風靡世界的面向廣大PC用戶的32位的面向對象的強大三維建模、動畫制作和渲染軟件，它提供了一個非常易用的用戶界面。它第一次在個人計算機上實現了通常只有在圖形工作站級硬件水平上才能實現的動畫與圖像的處理效果。新版的3DS-MAX在建模技術、材質編輯、環境控制、動畫設計、渲染輸出、后期制作等方面日趨完善，內部算法也有了很大改進，極大地提高了制作與渲染的速度，其渲染輸出的結果達到了工作站級的水準，功能界面的劃分更趨于合理，在三維動畫制作過程中的各個功能任務組井然有序地整體結合在一起。

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爭對手展開競爭。過去，3DS-MAX的動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畫工具插件并集成到軟件的內核之中。盡管它的動畫工具組件在制作一些最高級的角色動畫時還稍顯不足，但是它還是提供了足以勝任絕大多數動畫任務的工具組件，能夠滿足幾乎所有領域的需要，只是在進行一些非常極端的動畫角色裝配設置時還有待提高。

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

2 船廠布置規劃與流程分析

通過對國內外船廠的典型布置圖及總裝作業流程圖的分析，決定使用龍穴造船基地一期民品造船區的布置圖為藍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的總體規劃圖。

從圖1中可以看出，該船廠布局是典型的I型結構，所有的物流只向一個方向流動，相比于其他布局形式，如L型、T型等，I型結構是較為理想的布局，但是對岸線長度有較高要求。據此，本文規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應相關的總裝流程。

圖1 龍穴造船基地一期民品造船區總體規劃圖

3 船廠三維模型的制作及動態仿真

3.13DS-MAX軟件建模

依據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中導入船廠布置圖，并對船廠的鋼材堆場、分段堆場、船塢等進行建模，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

各個模型創建完畢后，應用場景合并的功能，將各個單獨的模型整合到一起，以形成完整船廠模型，并利用3DS-MAX強大的渲染功能進行渲染出圖，結果如圖7所示。

3.2 船廠模型運動動畫制作

在上述靜態的模型構建的基礎上，為更好地達到預估適用性的目的，可將相應的模型進行計算機動態模擬。本文以鋼板預處理為例，用以說明制作動畫的基本流程。鋼板從原料碼頭進入船廠之后，第一個重要的工藝階段是鋼材的預處理作業流程，一般的鋼材預處理的流程如圖8所示。

圖4 虛擬船廠的鋼材堆場模型

圖5 虛擬船廠的分段堆場模型

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 船廠鋼板預處理流程圖

從圖8可知，鋼板在鋼材堆場經過堆場門吊和進料輥道的輸送后，進入預處理車間，經過輥平、噴砂除銹、噴漆、烘干等工序后，由出料輥道輸送到理料區。3DS-MAX擁有強大的動畫制作功能，利用自動關鍵點和迷你軌跡編輯器，可簡單地實現生產現場所需工作的動態演示。同時，可設置“目標攝像機”，調整以攝像機視角觀察，并給以攝像機一個路徑，利用3DS-MAX中的路徑約束對攝像機進行運動軌跡的鎖定，使其能從各個角度對鋼材預處理的過程進行拍攝，然后使用Video Post進行動畫輸出。

因此，通過控制其幀數開始與結束，可以決定動畫時間的長短;同理，可以制作分段堆場的液壓臺車吊機運動、船塢龍門吊吊裝動作等過程的動態模擬，并依次制作為動畫。

3.3 “會聲會影”(Ulead VideoStudio)動畫編輯

會聲會影是友立公司研發的產品，是一款功能強大的“視頻編輯”軟件，具有圖像抓取和編修功能，可以轉換 MV、DV、V8、TV和實時記錄，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。使用會聲會影軟件可對制作的各個動畫進行編輯，將所需編輯的動畫加入到其中，在界面下方的時間軌跡欄中編排各個動畫的順序。在主界面中的標題欄中點擊，可為動畫加入字幕，并可控制字幕出現的時間、位置。

4 結論與展望

對船舶生產建造系統應用虛擬仿真技術，可以通過計算機技術進行精確計算和驗證分析，提高系統方案的可行性。通過基于3DS-MAX模擬船廠的制造流程，并進行三維建模，能夠成功實現從船舶產品整個船舶生產周期的動態仿真。

基于本文的研究成果，隨著計算機仿真技術的發展，能夠將三維模型動態仿真的結果形成直觀的視圖，提供包括生產系統的生產量，確定瓶頸位置，報告資源利用率等，校驗生產系統設計合理性的數據［3］。面對不同的物流策略，將通過進行仿真實驗，輸出仿真報告來找出最優解，最終對物流系統的優缺點進行判斷，做出科學決策。

［1］ 肖田元.虛擬制造及其在轎車數字化工程中的應用［J］.系統仿真學報，2002，14(3):342-347.

［2］ 賈晨輝，張昊，陸劍峰.離散制造系統規劃與仿真建模研究［J］.計算機工程與應用，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，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管理和現場協調工作;鐘文陽(1982-)，男，助理工程師，主要從事分段完整性檢驗和控制工作。