船舶管系建模與虛擬裝配應用研究

郭濤，徐軼群（集美大學輪機工程學院，福建廈門　361021）

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船舶管系建模與虛擬裝配應用研究

郭濤，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3ds Max和Unity 3D軟件，對船舶管系進行建模和虛擬裝配。該方法對船舶管系設計進行優化提供了視覺上的判斷，并實現了通過虛擬現實技術對船舶管系裝配過程的模擬，不僅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中管系的廢返率，提升船廠的生產效率，具有較強的實際意義。

關鍵詞：船舶管系；三維建模；虛擬裝配

0　引言

在船舶的設計和生產過程中，船舶管系的設計與裝配部分占有十分重要的位置。現代大型船舶的管路系統有30多個，管子數量約為15 000根左右。由于管路系統的種類繁雜、數量較大，船舶管子的制裝過程在整個舾裝工程中占了20%以上的工作量，同時廢返率占管子總數的8%～15%[1]。有些船廠在管子入船組裝前都要提前在車間對管系進行組裝，以此來對管系進行干涉檢驗等相關檢驗。這樣的方法雖然保證了船舶管系的正常的設計與裝配，但也相應的增加了船舶生產、設計的工作量，降低了船廠的生產效率，增加了管系的廢返率。隨著虛擬現實技術和計算機技術的不斷發展，對船舶管系進行建模，再對裝配過程進行虛擬操作成為現實，這將有效地減少船舶生產、設計的工作量和管系的廢返率，提升船廠的生產效率。

1　船舶管路三維建模

船舶管路系統非常龐雜，管子與零件數量眾多。因此，在建模過程中容易造成不同種類管系混接的情況，整體建模也容易使模型太大影響到軟件的穩定性。因此，可以按照管路的不同系統、不同模塊或者是不同的工藝裝配過程分別建模，建模完成后再進行合成。由于3ds Max軟件具有良好的兼容性以及強大的前、后期處理能力，所以采用3ds Max對船舶管系進行建模。

1.1船舶管系的布置

在管系建模前，首先應明確管系的走向與布置。在管系布置時，應該注意管系的完整性和正確性，以確保最終的模型與設計建造中的管系布置相同，同時在管系布置中應注意以下幾個問題。

（1）管系布置合理性。如所有的淡水管路不得通過油艙，以免管子有破損或滲漏情況發生時，對水質產生污染。同樣，油管路也不得通淡水艙。燃油艙柜的空氣管、測甭管等管路應避免通過居住艙室、貯藏艙室等相關艙室。

（2）管系布置安全性。如油管、蒸汽管和水管等，應避免布置在配電板及其他電器設備的周圍，油管還應避免在鍋爐、蒸汽管及廢氣管等管路的上方通過。

（3）管系布置完整性。如燃油管系應具有燃油凈化系統、燃油日用系統和燃油輸送系統等，同時，管子、閥門等附件設備完備，以保證各系統能夠正常的運行。

（4）管系布置可操作性。如裝在管路間的閥門要留出相應的操作空間，管路之間、管路與設備之間要具有合適的距離以方便操作人員工作的進行。

（5）管系布置可維護性。如管路與設備、艙壁等保持合適的距離以方便裝卸、檢查和維修，同時在適當的部位對管子及相關附件、設備等裝設放泄閥，以利于排放管內剩余氣體或液體。

1.2船舶管系的建模

在3ds Max中進行建模時，可將其他軟件（如Tribon，Foran）中所需要的可兼容模型導入并加以調整，再對剩余部分進行建模。建模過程如圖1所示。

圖1　船舶管系建模流程圖

在建模過程中，由于船舶管系排布交叉、大小和形狀各異，故在不影響船舶整體性和管系完整性的情況下，可對關系進行適當的優化。優化的主要內容如下：

（1）將不同長度的直管簡化成統一型號，增加建模的速率；

（2）將不同的閥門、附件等設備規定為幾種型號、規格，減少閥門和附件的建模數量；

（3）在保證不影響船舶整體空間的布置的情況下，盡可能的減少彎管的數量，同時減少管的分段數量和建模面數；

（4）整合位置較近、無材質差別的管路模型，減少模型烘焙渲染等處理的數量。

1.3船舶管系模型合成

在管路各系統模型建成后，需要將各管路系統進行合并。在合并前，需要確定模型間的相對位置關系，以確保各管路系統模型合成后在船艙內處于正確的位置。因此，可在船體和各管路系統中各選擇幾個結構特殊點，確定各管路系統的特殊點與相近的船體結構特殊點之間的偏移方向和偏移量，再進行管路系統模型的合并。

圖2　管路模型合并工作流程圖

在模型進行合并時，應注意如下問題：

（1）不同系統、不同模塊間管子及其附件的間距是否符合船舶實際要求，是否存在合并時在船體中位置不合適的情況；

（2）不同系統、不同模塊間管子及其附件是否存在位置重疊或部分重疊的現象；

圖3　局部彎管三維模型

（3）管系中的彎管和閥門等布置的位置是否合適，在合并后是否能夠滿足實際使用的需要；

（4）管系間的相對位置是否需要進行優化；

（5）復雜彎管、閥門及相關附件等的建模是否可以進行簡化。

此外，較多的船舶管路系統在模型合成后不易區分，應對不同的管路系統標注不同的顏色加以區分，方便后期的檢查和裝配等工作的進行。

圖4　燃油凈化系統三維模型

2　船舶管系的虛擬裝配

船舶管系在建模等上訴工作完成后，便可以對管系虛擬裝配的過程進行分析，并選擇適當的方法進行虛擬裝配。其目的是確保裝配過程既能夠方便操作，又可以簡單明確。對場景效果的處理，使用了現階段較為流行的Unity 3D軟件完成處理。

2.1管系的安裝方式

在船舶生產制造過程中，較為常見的管系安裝方式有系統安裝法、單元組裝法和分段預裝法等。在現代船舶制造業中，分段預裝法因為其減少了高空作業與仰裝作業的數量，有效的降低了實際工作中管系安裝的難度而被船廠廣泛的使用。因此，選用分段預裝法對船舶管系進行虛擬裝配。

該方法可分為三個階段：第一階段是在各分段內的艙室中安裝所需的管路；第二階段是對各分段進行合攏，確定剩余管路的安裝位置；最后一個階段是將剩余管路安裝完畢，即全船管系合攏。

2.2管系的虛擬裝配序列

虛擬裝配序列是根據各裝配體之間的各種約束關系和相關功能確定所有部件的安裝順序，生成裝配序列，其實就是尋求裝配體適當的部件安裝的順序，合理的裝配序列將有助于提升產品的生產效率。

現在幾種主要的裝配序列包括：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。由于船舶管系的裝配需要具有較強的實際可操作性，故采用拆卸法求解裝配序列。

拆卸法的特點就是“可拆可裝”，即裝配體部件的裝配過程和拆卸過程互為逆過程。可以依據模型拆卸順序反演得到適當的裝配順序，這也是該方法可以應用的一個前提條件。

2.3管系的虛擬裝配路徑

裝配路徑是零件從存放位置到安裝位置所經過的無物理碰撞的運動軌跡，合適的裝配路徑既能避免裝配部件間的干涉，又能保證裝配路徑的合理性和可操作性。常用的路徑規劃方法較多，如位姿空間法、可視圖法、基于遺傳算法的路徑規劃法等，并且裝配路徑的軌跡也沒有固定的路線，所以在路徑規劃時，要根據各管路系統實際的情況采用不同的規劃方法和裝配路徑軌跡。

在確定以上方式及相關數據后，就可以在Unity 3D中完成管系虛擬裝配，其流程如圖5所示。

圖5　管系虛擬裝配流程圖

圖6　管系裝配路徑

2.4管系的漫游檢查

在Unity 3D中可對管系進行漫游檢查，這可以幫助用戶更好的了解管系模型，并對其中關鍵部位進行有效的調整。這就需要對該過程進行腳本編輯，腳本采用JavaScript進行編程。

漫游控制腳本程序：

function Start () {

}

function Update () {

if(GUI.Button(Rect(60，50，150，30)，"漫游檢查")

{if(Input.GetKey(KeyCode.W))

{transform.Translate(0，0，0.5*Time.del?taTime，Space.Self);

transform.Rotate(0，15*Time.deltaTime，0，Space.Self);

} / /鍵盤“W”實現向前移動并以Y軸旋轉

…

if(Input.GetKey(KeyCode.P))

{transform.localEulerAngles = new Vector3(-ro?tationY，rotationX，0);

} //鍵盤“P”進行視角轉換

if (Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") > 0)

{ if(Camera.main.fieldOfView>2)

Camera.main.fieldOfView-=2;

if(Camera.main.orthographicSize>=1) Camera.main.orthographicSize-=0.5F;

} //以鼠標實現視角的放大

}…

if(GUI.Button(Rect(60，80，150，60)，"自動漫游") {

if (Time.time < 15) {//沿Y軸正方向走15s

gameObject.transform.Translate(0，0.005，0，Space.Self);

}

if(Time.time >= 15&&Time.time < 30){//沿X軸正方向走20s

gameObject.transform.Translate(0.003，0，0，Space.Self);

}

if(Time.time >= 30&&Time.time < 45){//在此位置視角慢慢放大

Camera.main.fieldOfView +=0.2;

Camera.main.orthographicSize +=0.1F;

}…

}

…

}

圖7　管系漫游檢查

3　結語

應用虛擬現實技術和計算機技術對船舶各系統進行虛擬仿真已經逐步成為國內造船行業的一個重要的發展方向，對船舶管系裝配過程進行虛擬仿真，有利于船舶設計人員與實際操作工人間的溝通，減少實際裝配中的錯誤，減少船舶生產中管系的廢返率，提升船廠的生產效率，也在一定程度上優化了船舶管系的配置，提升船舶設計的質量。同時，該方法還可用于教學實踐中，以提升學生的認知和理解能力。綜合來看，該方法的應用具有較強的實際意義。

參考文獻：

［1］羅國榮.機艙管系的綜合布置與施工［J］.廣船科技，2000（4）：7，16-18.

［2］路慧彪.基于仿真的船舶機艙管路三維自動布置方法研究［D］.大連：大連海事大學，2011.

［3］劉鑫.三維建模在船舶管系放樣中的應用［J］.中國水運，2010（6）：5-7.

［4］王博.船舶虛擬裝配工藝優化仿真研究［D］.大連：大連理工大學，2006.

［5］虞臣超.虛擬現實技術在船體裝配中的應用研究［D］.廈門：集美大學，2014.

(編輯：阮毅)

Application Research on Ship Piping System Modeling and Virtual Assembly

GUO Tao，XU Yi-qun
（Jimei University，Institute of Marine Engineering，Xiamen 361021，China）

Abstract:Based on virtual reality technology，it can make the ship piping system model and virtual assembly by using 3ds Max and Unity 3D software.The method to optimize ship piping design provides the judgment on the vision，and implemented the ship piping 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 scrap rate of return in ship piping production.The method can improve shipyard production efficiency and has strong practical significance.

Key words:ship piping system；three dimensional model；virtual assembly

通訊作者簡介：徐軼群，男，1963年生，碩士，教授。研究領域：船舶與海洋結構物設計制造，輪機工程。

作者簡介：第一郭濤，男，1987年生，山西忻州人，碩士研究生。研究領域：船舶與海洋結構物設計制造。

收稿日期：2015－05－16

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 008

中圖分類號：U664.84+1

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0029－04