基于3ds max的绞吸式挖泥船建模与骨骼系统设计

基于3DSMax的绞吸式挖泥船建模与骨骼系统设计

郑庆云袁眭演祥

渊工业和信息化部电子第五研究所华东分所袁江苏苏州

215000冤

摘要院绞吸式挖泥船是最常用的疏浚设备之一遥由于绞吸式挖泥船的体积庞大袁疏浚作业过程复杂袁因此袁

为了保证施工安全与效率袁新入职的操作人员需要通过绞吸式挖泥船仿真器来进行接近于实船体验的专业培训遥在设计仿真器系统时袁为了实现船体的视景与仿真动作袁首先需要构建绞吸式挖泥船的三维模型遥但是袁在例如UDK尧DirectX和XNA仿真软件中袁直接通过程序代码建立复杂的挖泥船模型是很难实现的遥而通过3DS较好地实现仿真效果遥采用3DSMax进行了绞吸式挖泥船的建模与骨骼系统的设计遥

Max和Maya等三维建模软件能够构造出较为完整尧准确的三维模型袁同时将建模软件与仿真软件相结合袁可以

关键词院绞吸式挖泥船曰建模曰骨骼系统曰3DSMax中图分类号院TP391.92文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1672-5468.2020.01.005

文章编号院1672-5468渊2020冤01-0024-05

TheModelingandSkeletalSystemDesignofaCutter

SuctionDredgerBasedon3DSMax

渊CEPREI-EAST袁Suzhou215000袁China冤

Becauseofthelargevolumeofsuctiondredgerandthecomplexityofdredgingoperation袁inordertoensureconstructionsafetyandefficiency袁thenewlyhiredoperatorsneedtoreceiveprofessionaltrainingclosetotheactualshipexperiencethroughthecuttersuctiondredgersimulator袁whendesigningtheemulatorsysteminordertoachievethehullvisualandsimulationactions袁itisfirstnecessarytoconstructathree-dimensionalmodelofthecuttersuctiondredger.However袁insimulationsoftwaresuchasUDK袁DirectX袁andXNA袁itisdifficulttobuildacomplexdredgermodeldirectlythroughtheprogramcode.Through3DSMax袁Mayaandother3Dmodeling

ZHENGQingyun袁SUIYanxiang

Abstract院Thecuttersuctiondredgerisoneofthemostcommonlyuseddredgingequipments.

software袁amorecompleteandaccurate3Dmodelcanbeconstructed袁andthesimulationeffectcanbewellrealizedbycombiningthemodelingsoftwarewiththesimulationsoftware.3DSMaxisusedforthemodelingofthesuctiondredgerandthedesigningoftheskeletonsystem.

Keywords院cuttersuctiondredger曰modeling曰skeletalsystem曰3DSMax

收稿日期院2019-03-27

作者简介院郑庆云渊1991-冤袁男袁江苏淮安人袁工业和信息化部电子第五研究所华东分所工程师袁硕士袁主要从事疏浚仿

真系统研究工作遥

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第1期郑庆云等院基于3DSMax的绞吸式挖泥船建模与骨骼系统设计

我国河流众多袁水资源丰富袁但河流泥沙淤积较为严重遥在治理淤积问题时袁由于绞吸式挖泥船可以实现连续的疏浚作业与泥浆输送袁因此绞吸式挖泥船被视为一种高效率的疏浚设备[1]遥我国每年都要培养一批疏浚操作人员袁传统的培训一般是基于船舶操作理论教学和真船实习的方式袁这种培训方式不仅会给训练人员带来一定的人身风险袁而且在培训过程中容易造成能源浪费遥本文对绞吸式挖泥船的模型和骨骼系统的设计进行了研究袁旨在更加精准尧科学地实现对绞吸式的建模与骨骼系统的构建遥

0引言

复杂袁4个角处均配有一个水平导向轮用于承受钢桩的力遥钢桩上升与下降的方式一般有3种袁目前普遍利用液压油缸尧夹具来对钢桩进行提升袁根据绞挖泥船本身的体积和钢桩的重力袁一般有单油缸和双油缸两种升降方式遥双油缸提升方式如图2所示遥

绞吸式挖泥船主要是由船体尧绞刀尧台车尧桥架尧定位装置尧柴油机动力装置尧液压装置尧泥泵和输泥系统等组成[2-4]袁其基本构成如图1所示遥

图2双油缸提升

1绞吸式挖泥船的组成

图1绞吸式挖泥船示意图

c冤绞刀切削系统

绞刀切削系统在疏浚作业过程中用于切削尧搅碎水下硬石尧土块遥绞刀一般是由大环尧刀臂尧轮毂和刀齿4个部分组成袁刀臂通过焊接固定在大环与轮毂之间袁刀齿焊接在刀臂上遥轮毂则是与绞刀轴相连袁当绞刀轴转动时袁轮毂在绞刀轴扭矩的作用下袁带动整个绞刀进行旋转运动遥另外袁绞刀轴与刀臂之间的夹角在30毅耀45毅范围之内[5]遥绞刀的结构示意图如图3所示遥

b冤定位桩台车系统

在疏浚作业过程中袁绞吸式挖泥船在水上的定位尧横移和行走都是依靠定位桩台车系统来实现的遥定位桩台车系统中一般包含两根钢桩袁一根为工作桩袁另一根为定位桩遥台车的结构较为

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a冤船体与桥架

绞吸式挖泥船的主体一般是箱型船体结构袁用于储存能耗品与船员的生活用品遥主船体分为压载舱尧储存舱尧泵舱和机舱等袁机舱与泵舱利用水密舱壁隔开袁从而保证了绞吸式挖泥船的安全遥桥架位于绞吸式挖泥船的船艏袁桥架的一端通过枢轴与挖泥船船体相连遥

轮毂

刀齿

刀臂

大环

图3绞刀的结构示意图

25电子产品可靠性与环境试验2020年

由于疏浚作业过程较为复杂袁挖泥船部件与设备众多袁有时某个部件的运动会带动其他部件进行运动袁在3DSMax中需要设定部件之间的父子运动关系遥为了更好地实现挖泥船的仿真运动袁以及疏浚仿真过程的真实性袁需要了解完整的疏浚作业过程遥

在疏浚作业之前袁首先需要进行相关的安全检查与准备袁待一切准备就绪后袁操作人员进行合泵并启动电动液压阀袁桥架缓缓地下放袁同时油泵开始工作袁绞刀开始旋转袁桥架在自身重力的作用下下放入水中袁绞刀随着桥架也一起入水直至入土遥

当绞刀头入土后袁绞刀系统开始工作袁水下泥沙尧碎石等被绞吸袁产生的泥浆通过管道进行输送遥随后通过操作横移手柄来控制挖泥船的左右横移遥以向左横移为例袁当操作左横移手柄时袁左横移绞车会收进缆绳袁右横移绞车放出缆绳袁挖泥船则会以主桩为旋转中心袁向左横移绞吸泥土袁当挖泥船绞吸至左临界区域时袁将桥架下放至下一个施工深度曰操作右横移手柄袁挖泥船又以主桩为旋转中心向右进行绞吸工作袁直至到达右临界区域袁然后继续下放桥架高度曰重复上述工作袁直至达到目标深度为止遥左右临界区域的定义则是以挖槽中心线为对称线袁形成一个60毅~80毅的扇形袁左右横移的路径则是扇形区域中对应60毅~80毅圆心角的圆弧遥

当完成某圆弧的目标施工深度后袁通过台车来推动挖泥船向前移动袁下放桥架与绞刀袁继续进行左右横移绞吸遥当台车的液压活塞杆伸出至最大行程时袁此时无法通过台车继续使挖泥船向前移动袁则插入辅助桩袁主桩被提升袁通过台车复位装置使主桩向前移动后继续插入袁拔出辅助桩袁在新的区域中继续进行疏浚作业袁如此重复操作遥在此过程中袁当挖泥船前移一定的距离时需重新抛锚定位袁保证疏浚施工的准确进行[6]遥绞吸式挖泥船的疏浚作业过程的示意图如图4所示遥

2绞吸式挖泥船疏浚作业过程

横移距离

锚

锚

台车行程

主桩

辅助桩

图4绞吸式挖泥船疏浚作业过程示意图

目前三维开发软件较多袁例如院3DSMax尧Maya和Solidworks等袁考虑到模型与系统之间的兼容性袁由于XNA能够较好地支持与兼容3DSMax生成的三维网络模型袁因而本文所述仿真器系统基于XNA开发框架设计遥

为了提高绞吸式挖泥船模型的准确性袁同时减少挖泥船的网格模型导入XNA后出现显示问题袁在建模时需要减少数据量袁应尽量地抓住船体的主轮廓袁减少面数[7]遥另外袁船体模型的中心基点应与实际场景中的中心点一致袁这样就保证了模型显示时位置的正确性遥由于挖泥船部件众多袁本文就以绞刀建模为代表进行介绍袁其余部件建模不再赘述遥

首先袁在3DSMax中右侧工具面板的野标准基本体冶选项栏中选择野管状体冶袁建立两个管状体模型袁分别代表绞刀的轮毂和大环袁两个模型间预留一定空间用于摆放刀臂袁如图5所示遥

3绞吸式挖泥船建模

图5绞刀轮毂与大环的建模

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第1期郑庆云等院基于3DSMax的绞吸式挖泥船建模与骨骼系统设计

在完成轮毂和大环的建模后袁在右侧工具面板的野样条线冶选项栏中选择野线冶袁在轮毂和大环之间拉出刀臂的曲线袁通过调整样条线上的控制点袁使线的形状与实际刀臂曲线的形状相符遥完成样条线形状的调整后袁选中样条线袁在右侧工具栏中勾选野在渲染中启用冶野在视口中启用冶和野矩形冶袁将样条线转为有体积的多边形袁如图6所示遥

终挖泥船的模型如图8所示遥

图8绞吸式挖泥船整体三维图

图6刀臂的建模

当完成其中一条刀臂的制作后袁可用相同方法做出其他刀臂袁此处不再赘述遥之后选择侧面的若干面袁对这些面沿法线方向进行倒角袁对倒角的高度和角度进行适当调整袁做出刀齿形状遥最终的绞刀模型如图7所示遥

骨骼系统是由骨骼对象组成的一个有层次尧有关联的链接系统袁通常也称作骨架树遥实现三维模型的动画效果一般有两种方式袁一种是关键帧动画袁另一种则是骨骼动画[8]遥本文采用骨骼动画来完成挖泥船的仿真动作遥

绞吸式挖泥船结构较为复杂袁主要是由船体尧主副桩尧桥架和绞刀等部件

组成袁有的部件发生相对的运动袁有的部件则是在另一部件的运动影响下发生复合运动遥例如院桥架在下放至水下时袁绞刀头不仅要实现本身的旋转运动袁同时也要跟随着桥架的下放一起发生运动袁这样绞刀就实现了复合运动遥因此袁

我们称桥架运动是野父冶运动袁绞刀运动是野子冶运动袁这样就意味在骨骼绑定时需要设定野子父冶骨骼关系遥所以袁挖泥船骨骼系统则不仅仅是一个骨骼对象袁而是由多个骨骼对象组成了一个有阶层尧有关联的系统遥根据上文介绍的绞吸式挖泥船的疏浚作业过程可

知袁船体是骨骼系统的根骨骼渊RootBone冤袁几乎船上一切部件的运动都离不开船体遥

4绞吸式挖泥船骨骼系统

图7绞刀模型

在完成铰刀尧桥架尧船体尧上层建筑和主副桩等模型的建立后袁使用移动与旋转将各模型摆放在正确位置袁摆放过程中需要使用到野对齐冶功能袁如院绞刀与桥架的X轴尧Z轴进行对齐袁最

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在了解了骨骼系统的阶层关系与挖泥船的运动部件后袁下一步则是在3DS

Max中创建骨骼并绑定遥本文以桥架为例袁首先袁在3DSMax的野骨骼编辑工具冶中点击创建骨骼曰然后袁选中桥架模型袁当鼠标图像发生变化时拖至桥架的骨骼袁这样就完成了骨骼与模型的绑定袁

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也称作骨骼与模型的野子父冶关系的绑定遥桥架骨骼绑定的示意图如图9所示袁绞吸式挖泥船的骨骼系统如图10所示遥

杂性袁本文的绞吸式挖泥船模型与骨骼系统还有许多地方可以进行开发和改进遥参考文献院

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键技术分析2019渊2冤院134-现[J].上海海事大学学报袁2011袁32渊3冤院-67.校学报袁2004袁18渊1冤院1-9.

5结束语

本文通过对绞吸式挖泥船三维模型与骨骼系

统的设计与研究袁在3DSMax中初步建立了相对完整的绞吸式挖泥船三维模型袁并且根据挖泥船部件的运动关键袁通过设定子父运动关系构建了挖泥船的骨骼系统袁考虑到实际挖泥船机构的复

[5]张齐生袁李红

杰袁张兴华.绞吸式挖泥船绞刀系统液压冲击研究[J].液压与气动袁116.

2015渊3冤院113-

[6]丁宏锴袁倪福

生.绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统

图9

桥架骨骼的绑定示意图

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[7]冯莉莉袁武卫

Max的虚拟校园三维模型的创

玲.基于3ds

建[J].林业科技

2009袁41渊1冤院

情

报

袁

[8]王永海.3dsMax

10-11.

角色动画技术精粹院蒙皮窑毛发窑骨骼与绑定[M].北京院机械工业出版社袁

图10绞吸式挖泥船的骨骼系统

2008.

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