3D交互式U型管换热器拆装实验平台建立研究

李恩挺　孟永彪

摘要：该文通过在3D技术的基础之上结合虚拟现实技术Virtools软件，开发了3D交互式U型管换热器拆装实验平台。提出了一种结合3D建模技术和虚拟现实技术建立3D交互式实验平台的思路。以Auto CAD和3ds max进行建模，通过3ds max和Virtools的协作，在Virtools中进行相关场景和交互式拆装实验平台的实现。通过研究开发，发现该思路简单、易行，最后的成果可操作性好，达到了预期的效果。

关键词：3D建模；Virtools；交互式；实验平台

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1009-3044（2014）31-7528-04

1 概述

传统化工设备的拆装维修培训和实验课，主要是通过对二维图纸的分析、车间的实训和一些拆装演示视频进行。其可视性差、培训周期较长、动手操作性低，不能很好的调动学员的积极参与，达不到拆装实验课的教学目的。一种可视性好、周期短、可操作性好的实验平台的建立，对化工设备拆装人员的培训和石化设备相关专业的实训课程，就显得尤为重要和必要。本研究以3D交互式U型管换热器拆装实验平台的建立为重点研究对象，以在研究中一些问题的发现和研究解决为主线，论述3D技术和交互式技术在化工设备拆装实训课程中的应用。

虚拟现实在计算机中构造一个形象逼真的模型，人与之进行交互，产生与真实世界相同的反馈信息，使人们获得与真实世界相同的感受 [1] 。3D交互式U型管换热器拆装实验平台就是利用现在流行的3D建模技术和虚拟交互式技术和好的结合在一起，研究创建一个可视化好、周期短、学员可以亲自动手操作的实验平台。3D建摸软件比较多，如AUTOCAD、UG、3ds Max等，可选用的也比较多。而虚拟现实技术的开发软件本来不多，且具用3D和交互式开发功能更是凤毛麟角。根据开发的要求我们在交互式开发软件方面选取法国的达索公司的Virtools作为3D交互式U型管换热器拆装实验平台后期交互式开发工具。

Virtools是一种用来开发虚拟现实技术的专业软件，是被业公认的最好的交互式、虚拟现实开发软件，是一种可以进行3D交互式虚拟技术开发的软件。但是Virtool软件中不可进行相关的3D建模，Virtools的三维模型的导入现在需通过一个插件Max to Virtools把3Ds Max的模型导入Virtools中。使用CAD、3ds和3ds Max等设计数据，能够逼真的精细结构和材质特征，这种方法可以达到较高水平的细节程度（“真三维”实体）[2] 。利用AutoCAD和3Ds max的无缝导入，故可以用AutoCAD进行U型管式换热器的3D建模。

2 技术路线

先通过Auto CAD进行3D建模然后导入3Ds Max，再通过辅助插件Max to Virtools把在3dsMax中的模型导入Virtools中，进行后续的相关虚拟交互式功能实现。交互式功能的实现是通过在五个不同的模块中实现的：操作说明模块、装配演示模块、虚拟装配模块（交互操作）、拆装简介模块和制作说面模块。这五个不同的操作模块中各项功能实现后，经调试成功后，就进入产品的发布阶段。其具体技术路线如图1所示。

2.1 U型管式换热器3D模型建立

U型管式换热器包括：鞍座、筒体、U型管束、管板、垫圈、紧固件螺栓螺母垫片等。在CAD的三维模式下利用其拉伸、旋转、扫掠等操作对各部件进行建模。根据具体实际情况在实际的拆装维修和认识实验中：鞍座和筒体是焊接连接，是不可拆卸的，故再把筒体和鞍座作布尔运算的合集，同时将相关同类3D模型进行布尔运算以满足后期的需要。将建立好的模型按其实际位置装配成一个整体的U型管式换热器，最后将3D模型导入Vitrools中。

4 产品的发布

3D交互式U型管换热器拆装实验平台在各部分功能实现的情况下建立成功了，下面就是要做最后的产品发布。Virtools的发布包括了两种情况：一种是在Virtools环境下的，另一种是在没有安装Virtools下的。将整个3D交互式U型管换热器拆装实验平台以“*.CMO”文件保存则必须要求在安装Virtools下才能使用。另一种则是利用Virtools Make Exe插件直接将相关的Virtools文件生成“*.exe”文件，可以在没有安装Virtools的环境下，进行单机安装使用，也可以发布到网上，只要用户安装了相关的播放插件都可以进行虚拟拆装实验。本次采用生成“*.exe”文件的方式发布，如图7所示为装配演示界面的装配演示过程截图。

5 结束语

随着虚拟现实技术的发展，他在各行各业都有广泛的应用，在化工机械行业中也有许多的应用，如各种的虚拟加工制造厂、甚至是虚拟化工厂。虚拟实验室较于传统实验室有许多的优点，对于虚拟现实技术在化工机械中的应用，正在不断的探索和研究之中。该文所才有的Virtools技术队虚拟实验平台的开发和研究，提出了结合3D建模技术和Vitools的方法是一种是十分好的进行建立交互式虚拟实验平台的思路。采用结合3D建模技术和Vitools的方法，建立虚拟实验平台，时间快、效果好、构造的平台易于学习。使接受培训的学员有到了车间、工厂的感觉。虚拟实验平台的建立不是一个实验操作平台的建立、也不是一成不变的，作者下一步再根据其在实际使用中的问题和建议进行更好的完善和改进，也准备进行多平台协作虚拟实验平台的研究。

参考文献：

[1] 贺雪晨，陈振云，周自斌.虚拟现实技术应用教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2] 陈怀友，张天驰，张菁.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3] 张雪鹏，陈国华，戴莺莺，等.基于3D的虚拟运动仿真平台设计及Virtools功能实现[J].化工大学学报：自然科学版，2009（4）：93-96.

[4] 李昌国，朱福全，谭良，等.基于3D和Virtools技术的虚拟实验开发方法研究[J].计算机工程与应用，2006（31）：84-86，96.

[5] 褚识广，张志利，李向阳，等.基于Virtools的齿轮泵虚拟装配训练系统[J].机床与液压，2011（6）：73-75.