基于3DS-MAX的船舶生产流程仿真

孔德宝，钟文阳

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433;2.中船龙穴造船有限公司，广东广州 511462)

基于3DS-MAX的船舶生产流程仿真

孔德宝1，钟文阳2

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433;2.中船龙穴造船有限公司，广东广州 511462)

主要研究模拟船厂制造流程三维建模。通过确定其生产流程，合理运用3DS-MAX软件，完成船舶产品从原料码头进场，经钢材预处理、零件加工、部件装配、分段装配、分段舾装、分段涂装、分段总组直到下水的船舶生产周期的虚拟制造。并在后期进行动画编辑工作，从而完成整个船舶生产流程的系统仿真与动态演示。

三维建模;动态仿真;虚拟制造

0 引言

数字化造船一直被业界认为是传统造船模式向现代造船模式转变的关键步骤。从数字化设计，到数字化制造、再到数字化管理，通过推进数字化造船进程，可大幅度提升企业竞争力，改进造船企业管理体制与创新模式，并完善与配套企业的有效衔接等。因此，数字化造船是降低造船业风险、推动船舶工业持续稳定发展的一条必行之路。其中，船舶建造数字化的意义最为重大，它从工程层面考虑并解决问题，直接着眼于生产过程中的各个生产要素，达到控制成本、控制生产进度的目的。本文以龙穴造船基地一期民品造船区为蓝本，基于虚拟制造三维模型创建软件3DS-MAX，设计制作相应的虚拟船厂布局及其车间模型。

1 仿真软件介绍

1.1 虚拟制造系统

虚拟制造系统可分为3类，分别为以设计为中心、以生产为中心和以控制为中心的虚拟制造系统［1］。而面向生产工程的虚拟制造的核心问题是生产系统的规划，包括布局规划、物流规划和控制规划，目标是获得优化的生产系统性能指标，解决生产制造系统规划中的问题［2］。

虚拟制造是一种通过计算机将研究系统及其特征抽象成模型来分析数学模型行为、模拟展示，以此预估产品功能、性能、可加工性等各方面可能存在的问题，以增强制造过程中各级的决策与控制能力，从而使制造技术走出主要依赖经验的狭小天地，发展到全方位预报的新阶段。

与实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是:产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至是设计人员和用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于原型样机的反复修改;还可将开发的产品(部件)储存在计算机里，不但大大节约了仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而大幅压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本。

1.2 软件选择

为实现虚拟制造所需的三维模型创建，就必须选择合适的三维模型创建软件以方便系统的开发和仿真的实现。优秀的三维模型创建工具有很多，下面就本文选择的3DS-MAX软件进行简单介绍。

由Autodesk公司出品的3DS STUDIO MAX是风靡世界的面向广大PC用户的32位的面向对象的强大三维建模、动画制作和渲染软件，它提供了一个非常易用的用户界面。它第一次在个人计算机上实现了通常只有在图形工作站级硬件水平上才能实现的动画与图像的处理效果。新版的3DS-MAX在建模技术、材质编辑、环境控制、动画设计、渲染输出、后期制作等方面日趋完善，内部算法也有了很大改进，极大地提高了制作与渲染的速度，其渲染输出的结果达到了工作站级的水准，功能界面的划分更趋于合理，在三维动画制作过程中的各个功能任务组井然有序地整体结合在一起。

3DS-MAX的建模工具一方面提供了非常广泛的多边形建模工具组件，另一方面开始提供Nurbs面片建模工具组件，能够与其他高端的竞争对手展开竞争。过去，3DS-MAX的动画制作主要依赖其丰富的外挂程序(插件)来完成，最近Discreet公司也在慢慢筛选出一些动画工具插件并集成到软件的内核之中。尽管它的动画工具组件在制作一些最高级的角色动画时还稍显不足，但是它还是提供了足以胜任绝大多数动画任务的工具组件，能够满足几乎所有领域的需要，只是在进行一些非常极端的动画角色装配设置时还有待提高。

除此之外，还有诸多优秀的三维建模软件，如Maya、基于Open Inventor的Amira等。就后续的研究和继续开发而言，利用Amira和CATIA创建三维模型是最合适的选择，因此选择用3DS-MAX来创建三维模型。3DS-MAX泛用性较强，在各方面都有成熟应用的案例，且从硬件设施上考虑，3DS-MAX是最合适的选择。另外3DS-MAX具有兼容导入AutoCAD格式文件的功能，这为TRIBOM、AutoCAD之间的数据交互性有极大地便利性。

2 船厂布置规划与流程分析

通过对国内外船厂的典型布置图及总装作业流程图的分析，决定使用龙穴造船基地一期民品造船区的布置图为蓝本制作虚拟船厂的布置图。图1所示即为龙穴造船基地一期民品造船区的总体规划图。

从图1中可以看出，该船厂布局是典型的I型结构，所有的物流只向一个方向流动，相比于其他布局形式，如L型、T型等，I型结构是较为理想的布局，但是对岸线长度有较高要求。据此，本文规划了所需虚拟船厂的布置图，如图2所示。虚拟船厂拟定的造船能力为年造船15万t级原油轮12艘及6 500 TEU集装箱船8艘，由于是相同类型船舶批量制造，所以，可确定船厂布置图为“I”型。图3是依据船厂布置图所绘的总装流程图，虚拟船厂模型的建立必须对应相关的总装流程。

图1 龙穴造船基地一期民品造船区总体规划图

3 船厂三维模型的制作及动态仿真

3.13DS-MAX软件建模

依据前文所拟定的虚拟船厂布置图及主流程图，将TRIBON中的图纸通过CAD在3DS-MAX中导入船厂布置图，并对船厂的钢材堆场、分段堆场、船坞等进行建模，模型如图4～图6所示。

图2 虚拟船厂的布置图

图3 虚拟船厂的总装流程图

各个模型创建完毕后，应用场景合并的功能，将各个单独的模型整合到一起，以形成完整船厂模型，并利用3DS-MAX强大的渲染功能进行渲染出图，结果如图7所示。

3.2 船厂模型运动动画制作

在上述静态的模型构建的基础上，为更好地达到预估适用性的目的，可将相应的模型进行计算机动态模拟。本文以钢板预处理为例，用以说明制作动画的基本流程。钢板从原料码头进入船厂之后，第一个重要的工艺阶段是钢材的预处理作业流程，一般的钢材预处理的流程如图8所示。

图4 虚拟船厂的钢材堆场模型

图5 虚拟船厂的分段堆场模型

图6 虚拟船厂的船坞模型

图7 虚拟船厂的3DS-MAX渲染出图

图8 船厂钢板预处理流程图

从图8可知，钢板在钢材堆场经过堆场门吊和进料辊道的输送后，进入预处理车间，经过辊平、喷砂除锈、喷漆、烘干等工序后，由出料辊道输送到理料区。3DS-MAX拥有强大的动画制作功能，利用自动关键点和迷你轨迹编辑器，可简单地实现生产现场所需工作的动态演示。同时，可设置“目标摄像机”，调整以摄像机视角观察，并给以摄像机一个路径，利用3DS-MAX中的路径约束对摄像机进行运动轨迹的锁定，使其能从各个角度对钢材预处理的过程进行拍摄，然后使用Video Post进行动画输出。

因此，通过控制其帧数开始与结束，可以决定动画时间的长短;同理，可以制作分段堆场的液压台车吊机运动、船坞龙门吊吊装动作等过程的动态模拟，并依次制作为动画。

3.3 “会声会影”(Ulead VideoStudio)动画编辑

会声会影是友立公司研发的产品，是一款功能强大的“视频编辑”软件，具有图像抓取和编修功能，可以转换 MV、DV、V8、TV和实时记录，并提供有超过100多种的编制功能与效果，可制作DVD、VCD、VCD光盘，并支持各类编码。使用会声会影软件可对制作的各个动画进行编辑，将所需编辑的动画加入到其中，在界面下方的时间轨迹栏中编排各个动画的顺序。在主界面中的标题栏中点击，可为动画加入字幕，并可控制字幕出现的时间、位置。

4 结论与展望

对船舶生产建造系统应用虚拟仿真技术，可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析，提高系统方案的可行性。通过基于3DS-MAX模拟船厂的制造流程，并进行三维建模，能够成功实现从船舶产品整个船舶生产周期的动态仿真。

基于本文的研究成果，随着计算机仿真技术的发展，能够将三维模型动态仿真的结果形成直观的视图，提供包括生产系统的生产量，确定瓶颈位置，报告资源利用率等，校验生产系统设计合理性的数据［3］。面对不同的物流策略，将通过进行仿真实验，输出仿真报告来找出最优解，最终对物流系统的优缺点进行判断，做出科学决策。

［1］ 肖田元.虚拟制造及其在轿车数字化工程中的应用［J］.系统仿真学报，2002，14(3):342-347.

［2］ 贾晨辉，张昊，陆剑峰.离散制造系统规划与仿真建模研究［J］.计算机工程与应用，2007，(3):31-35.

［3］ 谢磊，柳存根.基于em-plant的船舶建造流程仿真［J］.造船技术，2010，(4):43-46.

U673.2

A

2011-07-30

孔德宝(1985-)，男，助理工程师，主要从事船舶建造的生产管理和现场协调工作;钟文阳(1982-)，男，助理工程师，主要从事分段完整性检验和控制工作。