動畫技術(shù)在船舶電纜拉敷仿真中的應(yīng)用

馮秀艷 錢迎勝

【摘 要】動畫技術(shù)在船舶主干電纜拉敷仿真中的應(yīng)用主要針對新的造船模式下的主干電纜拉敷目標，開展主干電纜拉敷仿真技術(shù)研究，實現(xiàn)柔性電纜仿真技術(shù)在船舶中的深入應(yīng)用。

本文中提到的動畫技術(shù)以3dmax動畫為例，通過復(fù)雜模型背景下輕量化技術(shù)將產(chǎn)品模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提出了電纜拉敷路徑生成方法及柔性實體電纜創(chuàng)建方法，通過電纜柔性化拉敷流程的模擬仿真，驗證拉敷路徑的合理性和可行性，同時對拉敷工裝的設(shè)計、布局的合理性起到檢驗作用，對產(chǎn)品施工設(shè)計工作具有指導(dǎo)性意義。

【關(guān)鍵詞】3dmax 動畫；輕量化；轉(zhuǎn)換；柔性；路徑；仿真

引言

近年來，船舶行業(yè)的很多大型企業(yè)采用DELMIA系統(tǒng)進行產(chǎn)品工藝仿真，同時開展了船機管電舾等多專業(yè)的工藝仿真工作。其中電氣專業(yè)的主干電纜拉敷在施工過程中存在諸多問題，例如敷設(shè)通道的規(guī)劃、敷設(shè)工裝的驗證等問題，生產(chǎn)任務(wù)緊迫，為避免重復(fù)性錯誤，節(jié)約生產(chǎn)資源，需使用仿真手段進行驗證和解決。在DELMIA中打開工藝流程及產(chǎn)品與資源，主要完成電纜敷設(shè)路徑制定、甘特圖分析、裝配仿真分析、碰撞干涉分析以及人機工程等工作。但該軟件不能實現(xiàn)電纜的柔性拉敷仿真，只可基于剛性機械模型進行操作。只能采用將電纜模型打斷成若干小段，通過順序隱藏顯示每段及間隔時間設(shè)置的方法，完成電纜走線仿真。該方法只是在形式上完成了電纜的拉敷仿真，并沒有真正解決實際問題，在仿真分析及驗證方面明顯不足，無法通過三維可視化方式直接反應(yīng)工藝設(shè)計規(guī)劃的合理性，進而無法模擬真實環(huán)境中電纜柔性化的拉敷仿真試驗。本文通過開展主干電纜柔性拉敷仿真技術(shù)的研究，解決新的建造模式下主干電纜拉敷的系列問題，為船舶產(chǎn)品的主干電纜拉敷提供技術(shù)支持。

1 電纜拉敷背景模型輕量化處理

電纜拉敷背景模型復(fù)雜，包含船體、管路、設(shè)備、基座、焊接件等，模型數(shù)據(jù)量大。大型裝配模型打開過程耗時長，做些簡單操作后，由于內(nèi)存等資源消耗殆盡，經(jīng)常會造成DELMIA系統(tǒng)無響應(yīng)或者系統(tǒng)崩潰。因此在進行仿真前，須對大型裝配模型進行輕量化處理，利用CATIA軟件的前置處理接口將復(fù)雜背景模型導(dǎo)出為CGR輕量化格式。

2 產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換

2.1 模型轉(zhuǎn)換方法

對于動畫軟件低版本（3DMAX2016以下），要實現(xiàn)CATIA模型轉(zhuǎn)換，可使用CATIA批量轉(zhuǎn)換工具，Batch-DXF-IGES-STEP工具。注意，DXF和DWG格式只支持二維的圖紙形式。點擊“run”運行，查看目標目錄，找到生成文件，“Processes”欄可查看轉(zhuǎn)換日志文件。上面步驟完成后3DMAX導(dǎo)入生成的文件即可。另：CATIA存為iges或step格式，3DMAX進行導(dǎo)入亦可。對于高版本包括3DMAX 2016及以上版本，由于動畫軟件本身支持catpart、catproduct格式，因此可直接導(dǎo)入CATIA模型。

2.2 模型轉(zhuǎn)換技巧

將輕量化格式的模型在3dmax軟件中導(dǎo)入。對模型進行處理，刪除不需要的部分，得到最終的結(jié)果模型。對模型細節(jié)部分進行處理，可調(diào)整顏色等信息。在3dmax中，當模型三角面片數(shù)據(jù)量超過一定數(shù)量時，操作出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，加上3dmax軟件本身的穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)宕機退出等現(xiàn)象，因此，為了減少面片數(shù)目，可采用轉(zhuǎn)換成可編輯網(wǎng)格，編輯網(wǎng)格，移除孤立頂點，最后焊接頂點的方法進行解決。

3 電纜拉敷路徑生成

3.1獲取電纜敷設(shè)路徑方法

目前產(chǎn)品設(shè)計都在CATIA軟件中實現(xiàn)，因此需將CATIA電纜通道路徑信息進行導(dǎo)出處理。首先將所有通道進行處理后轉(zhuǎn)換為實體，將通道中心線顯示出來，在新窗口中打開保存。

然后將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3dmax軟件中，并隱藏實體部分，只保留二維線段，作為電纜拉敷路徑的中心線，根據(jù)電纜規(guī)格尺寸可計算出電纜拉敷路徑。

3.2創(chuàng)建電纜轱轆電纜路徑方法

首先統(tǒng)計出電纜轱轆盤放的電纜的圈數(shù)以及每圈電纜中心線間距，電纜中心線圈半徑等參數(shù)。創(chuàng)建一根螺旋線，這根螺旋線作為最內(nèi)側(cè)電纜線圈的中心線，根據(jù)電纜規(guī)格尺寸調(diào)整螺旋線各項參數(shù)。將第一份螺旋線復(fù)制n等份，n為電纜轱轆盤放的電纜總?cè)?shù)。分別將其設(shè)置為逆時針方向、順時針方向、逆時針方向、順時針方向，以此類推。然后根據(jù)前面統(tǒng)計出的電纜線圈中心線間距等相關(guān)參數(shù)進行螺旋線參數(shù)調(diào)整，得到最終的所有電纜線圈的中心線。將所有線圈進行中心對齊，將多根螺旋線端點依次利用軟件融合焊接功能將其焊接在一起，這樣所有線圈變成一根線圈。至此，電纜轱轆上的電纜路徑創(chuàng)建完畢。

3.3敷設(shè)工裝電纜路徑創(chuàng)建方法

電纜通過拉敷工裝進行纏繞并按實際規(guī)劃的路徑進行拉敷，電纜敷設(shè)工裝根據(jù)設(shè)計的拉敷布局進行擺放，計算好工裝位置和距離，須與現(xiàn)場施工規(guī)劃的方案一致。擺放到位后，根據(jù)電纜纏繞規(guī)則進行曲線路徑的繪制，將多有路徑曲線首尾焊接，變?yōu)橐粭l路徑，這樣電纜通過拉敷工裝的路徑就建立完畢。在下面所述的實體電纜建好后便可以根據(jù)電纜盤放驗證拉敷工裝設(shè)計、布局和拉敷路徑的合理性了。

4 柔性實體電纜建模方法

當電纜敷設(shè)背景、路徑都準備好后，需要實體電纜進行拉敷操作了。實體電纜的創(chuàng)建方法至關(guān)重要，DELMIA軟件功能的限制無法進行電纜柔性拉敷操作，經(jīng)研究，這項功能可用3DMAX軟件解決。主干電纜長度值較高，要想達到隨意彎曲的效果，就必須細化電纜模型，也就是提高電纜的分段數(shù)。由于電纜使用圓柱體進行創(chuàng)建，而由于3DMAX軟件限制，圓柱高度最大分段數(shù)只能設(shè)置為200個，經(jīng)測試當電纜長度超過10m時，彎曲時出現(xiàn)失真現(xiàn)象。綜上所述，當電纜超過一定長度，需進行相應(yīng)處理，經(jīng)研究可用以下方法進行處解決：

（1）首先創(chuàng)建一根10m的圓柱體電纜，分段數(shù)設(shè)置為200。然后根據(jù)實際情況復(fù)制多根，例如總長度為100m，則復(fù)制9根，將這十根電纜首對尾依次排布好，為形成一根電纜做準備。

（2）將多根電纜進行連接。選擇第一根電纜，將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，然后點擊附加，再選擇第二根電纜（由于電纜太高，從視圖中選擇困難，需用“選擇對象”命令進行選擇），點擊確定。

再次點擊“選擇對象”命令，選擇第三根電纜，以此類推，附加完所有電纜，取消激活“附加”按鈕。至此所有電纜合并為一根，該電纜具有精細的柔性彎曲功能。

（3）選擇最終合成的電纜，添加“路徑變形綁定（WSM）”修改，拾取電纜路徑，點擊“轉(zhuǎn)到路徑”。這樣，電纜就與事先規(guī)劃的敷設(shè)路徑合為一體，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，進行相關(guān)設(shè)置，就可看到電纜按照敷設(shè)路徑進行拉敷動作。

5 電纜拉敷流程仿真實施及意義

在3DMAX環(huán)境下進行電纜敷設(shè)流程的模擬仿真，驗證了拉敷路徑的合理性和可行性，同時對拉敷工裝的設(shè)計、布局的合理性起到檢驗作用，為電纜盤放空間的設(shè)計提供了依據(jù)。經(jīng)對理論敷設(shè)路徑多次進行迭代調(diào)整優(yōu)化后，使其布置合理、施工可達、滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。該方法已在某船舶產(chǎn)品電纜拉敷項目中得到驗證，為電纜拉敷實施可行性提供了技術(shù)保障。

6 結(jié)束語

電纜柔性拉敷仿真已經(jīng)成為一項倍受關(guān)注的技術(shù)，開展此類研究，有利于船舶產(chǎn)品設(shè)計建造水平提升，降低現(xiàn)場實施失誤率，節(jié)約成本，提高工作效率。大力發(fā)展民用科技，將動畫技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中，相信經(jīng)過長時間的摸索與努力，還會涌現(xiàn)出更多更先進的技術(shù)，這對提高產(chǎn)品設(shè)計建造質(zhì)量具有重大意義。

（作者單位：渤船集團設(shè)計院）