摘要：针对船舶舾装设计中三维模式的具体应用，做了简单的论述。三维模式的应用，能够有助于舾装托盘数据与图纸编码标准化，而且采取三维方式，开展仿真训练，具备较强的安全性与可视化优势。基于三维模式进行船舶舾装模块化设计，可以优化管系设计与电缆模块设计等，对优化船舶舾装系统，有着积极的作用。基于此，加强对三维模式的应用研究，有着必要性。
关键词：三维模式；船舶舾装；模块化设计；船舶机舱
现代化三维造船模式是基于统筹优化理论，利用先进的三维成组技术，基于船舶舾装区域特点，组织生产与作业，以实现时间与空间的有序设计，强化生产管理一体化。三维技术的应用，可以为船舶舾装设计，提供三维设计环境，提高设计质量，有效的控制设计误差，极大程度上能够缩短设计周期。
1 三维设计概述
应用三维技术，构建虚拟空间，按照设计的船舶舾装形状与尺寸，来构建船舶舾装三维模型，进行设计参数调整，按照设计要求，为模型赋上指定的材质与灯光，以获得三维画面。基于三维技术的画面，具有较高的拟真性，能够真实的展现真实物体。现阶段，常用的三维设计软件，主要包括Maya与ThinkDesign、Tribon等，Tribon是船舶与设计设计等常用的软件，具有较强的应用优势。
2 三维模式在船舶舾装设计中的应用
2.1 提高船舶制造效率
现代化船舶生产流水线技术快速的发展，推动着船舶舾装设计朝向数字化与信息化方向发展。基于三维技术，在模拟环境中，能够实现船舶舾装详细设计，展现工艺过程与作业计划，能够合理的缩短船舶设计与制造的衔接时间，科学的压缩制造周期。船舶舾装制造工作具体包括船舶主体设备与管件的安装等，基于现代化模块化设计，利用数字化设计方法，为传播制造提供指导，进而提升制造效率。
2.2 降低设计难度
应用三维技术，能够模拟船体结构，在三维环境下，完成船舶舾装设计。譬如：在对船只进行优化设计时，想要利用压缩机的空间，获得货船最大的空间，需要考虑到如何保持原有品质，同时需要满足内部设备安装需求，若利用二维设计模式，设计效果不佳，而且表现形式较为困难，难以快速修改，而采用三维设计模式，通过模拟设置压缩机舱以及相关设备，进行设计合理性分析，以确保设计的有效性，不仅能够有效的缩短出图时间，还能够提升设计水平。在进行设计修改时，利用三维模式，可以实现无限快速修改[1]。
2.3 实现综合布置
应用三维模式，进行机舱综合布置设计，将CAD船体平面结构，快速调入到Tribon中，定义三维坐标，将已经构建好的设计模型，给加载到平面结构中，能够实现综合布置。三维模式的设计灵活性较强，具有较高的设计效率。在进行设计的过程中，能够实现管、电、风综合设置。综合布置中运用二维设计模式，极易发生遗漏情况，增加作业量，甚至埋下安全隐患。利用三维模式，进行立体设计，将定性设计转变为定量设计，细化设计内容，采取模块化设计方式，进行设备设计与布置，能够使得设计思路更加的清晰细腻。
3 基于三维模式的船舶舾装设计
3.1 船舶机舱三维视景仿真系统组成
此系统主要组成部分包括三维图形引擎与视景数据库、立体视景模块、三维实体交互模块等。系统的核心部分是三维图形引擎以及轮机数值仿真模型，三维图形引擎主要负责视景生成与人机交互，轮机数值仿真模型主要是实现仿真数据和实船相同。系统的图形引擎和仿真模型实现数据交换，主要是利用网络通讯，图形引擎利用的是Virtools，使用UDP作为通讯协议，利用C/S架构，以实现协作式仿真[2]。
3.2 几何建模
在进行机舱视景开发时，需要进行几何建模。大型的视景数据库，为了能够确保实时渲染的性能，需要合理的管理与组织模型数据。利用层次结构，进行模型构建。按照船舶结构，划分为多个舱室，包括主机舱与副机舱等，接着按照舱室-系统-设备-零件层次结构，进行模型管理，例如图1所示。在进行几何模型构建时，基于实时视景仿真系统需求，采用实例化技术以及纹理映射技术等，进行系统优化。利用3dsMAX进行建模，将构建的模型，按照舱室，以nmo格式，导出文件，以便Virtools引擎使用。在进行建模的过程中，运用纹理映射方法，为电机散热肋片与钢格栅板等，进行贴面处理，能够有效的减少场景多边形面数。对于主机舱中的复杂设备，包括主柴油机与集控台等，合理将其划分成为子模型，避免场景漫游时发生帧频突变情况。
3.3 实时渲染
因为实际船机舱设备表面的材质与光照相对复杂，为了能够获得更为真实的画面，对于重要设备，可以采取烘焙贴图的方式来表现，控制贴图的数量，避免影响渲染的实时性。基于GPU编程，利用机舱设备着色器，能够实现以下功能：1）光照模型。利用着色器，来控制渲染流程时，要经过编程，进而达到光照效果。2）环境映射。采用模拟光滑表面，来反射周围的实际环境，主要是利用物体表面的法线，进行贴图采样，比如立方体贴图或者球体贴图等。利用立方体环境贴图，可以在离线状态下预先渲染，也可以在实时渲染的过程中动态生成，基于实际情况来选择。3）凹凸映射。此技术原理是对物体法线，施加扰动，进而在动态光照下，产生凹凸明暗效果。在着色器中，利用柏林噪声，生成三维噪声纹理，进行渲染时，基于定点坐标，进行采样，以获取法相扰动向量，把扰动附加在模型顶点法向上，以获得凹凸效果[3]。
3.4 三维视景交互
3.4.1 场景漫游
三维设计模式下，场景漫游能够直接展现视景系统品质，分为两种模式，包括手动漫游以及自动漫游。基于以下组合形式实现漫游模拟：1）第一人称视角手动漫游。基于此漫游模式，设计人员可以基于设计需求，来调整摄像机位置以及视向。在更新周期内，可以利用软件的旋转与平移矩阵等功能，来计算摄像机位置与观察目标位置。2）第一人称自动漫游。此模式下实现漫游，需要根据终点与当前位置，利用路径规划算法，来获得全局路径，可以直接用作摄像机的运动路径，但是为了有效的控制摄像机运动，需要求得视向，可以利用当前路径阶段，将切线放线给作为视向，或者将观察目标作为目标，来求得视向。3）第三人称视角手动漫游。此模式下，用户可以进行外设，来控制角色的行进以及转向，使得摄像机可以跟在角色后随其运动。通过算法，来确定位置，可以利用观察目标和角色分离法，或者直接把角色当做观察目标。4）第三人称视角自动漫游。此模式下，角色路径就是全局路径规划结果。此模式角色位置和视向算法，与第一人称自动漫游模式相同。
3.4.2 场景导航
船舶舾装设计中，因为船舶机舱极为复杂，为了能够方便仿真训练时有效的完成操作，需要对舱室与设备等，设计导航模式，将机舱划分为不同舱室，点击相关按钮，进入对应场景。接着可以利用键盘，切换小地图显示，或者可以直接隐藏。当在小地图上显示时，利用鼠标操作，点击地图区域，可以自动将摄像机，引导到此区域。入口导航模式主要是借助Virtools优化工具箱功能，即Portal功能，在水密门或者楼梯等位置处，设计入口，便于漫游摄像机和入口产生碰撞时，仿真系统能够完成场景加载。为了能够获得较好的视觉沉浸感，基于投影方式差异，利用双目立体视觉原理，实现立体视景，可以利用双目汇聚投影或者双目平行投影[4]。
4 船舶舾装模块化设计
基于三维模型，进行船舶舾装模块化设计，主要分为以下内容：1）系统模块化设计。通常船舶设计多是在原有船型上进行改进，或者改进原有系统，通过模块化设计，以CAD或者而CAM形式，进行模块存档，实现快速改进，减少后期影响。2）全宽式单元模块化设计。因为船舶舾装涉及到管子与设备等的安装与布置，若设计不合理，则极易影响船舶舾装的性能，对此需要按照细化设计内容，按照以下内容设计：将机舱底层的小单元和其他散装管件，结合成为全宽型单元，实现整体制作与分块吊装；管件改装，将原总组阶段泵舱底层的散管，可以改装为整体单元；将干管附件和单元体，形成新的组合件单元，比如压缩空气减压阀；合理控制单元大小。比如将低温淡水泵单元长度控制在3.9m左右，将其宽度控制在2.1m，将重量控制在2.7t左右。3）集控室单元模块化设计。对于机舱甲板顶部，可以在集控室分段顶部，设置甲板，以形成隔离舱。管系和风管的管码，要合理的布设在隔离舱顶部[5]。
5 结束语
将三维技术应用于船舶舾装设计中，通过构建仿真系统，基于模块化设计理念，能够实现船舶舾装优化设计，提高设计效率，使得设计效果更加的直观。
参考文献
[1]唐浩.TRIBON系统在船舶电气舾装设计中的应用[J].江苏船舶,2012（02）:39-41.
[2]陈伟.船舶制造三维设计系统SB3DS在船舶动力管系生产设计中的应用探讨[J].中国水运(下半月),2014（02）:122-125+127.
[3]曾鸿,张均东,任光,甘辉兵.船舶机舱三维视景仿真系统设计与实现[J].系统仿真学报,2014（02）:363-368+375.
[4]杨王峰,郑子龙,杨斌,王直欢,施柳玲.现代船舶舾装设计与制造效率提高方法研究[J].中国水运(下半月),2014（03）:4-6.
[5]单小芬,朱明华,李吉,张红伟.船舶数字化装配工艺设计与仿真技术研究[J].航空制造技术,2014（21）:57-59.
论文作者:吴自峰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/9
标签：船舶论文; 模式论文; 机舱论文; 模型论文; 系统论文; 舱室论文; 技术论文; 《基层建设》2017年第11期论文;