鄭 力

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

船舶結(jié)構(gòu)和功能越來越復(fù)雜，船東要求越來越多元，市場競爭越來越激烈，傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助船舶設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)這些改變[1]。因此未來船舶企業(yè)必須提高船舶設(shè)計以及輔助制造的能力，引入虛擬仿真、智能制造等技術(shù)，增強(qiáng)船舶企業(yè)的競爭力。那么，如何實現(xiàn)船舶的虛擬仿真和智能制造呢？這就需要提高船舶生產(chǎn)設(shè)計水平、實現(xiàn)制造的柔性化、智能化和高度集成化，其中船舶生產(chǎn)設(shè)計的好壞直接影響智能制造，只有提高船舶生產(chǎn)設(shè)計水平才有可能實現(xiàn)智能制造[2]。

船舶生產(chǎn)設(shè)計是造船企業(yè)在船舶建造過程中的第一步，它直接決定船舶制造企業(yè)的生產(chǎn)和管理水平。目前國內(nèi)船舶制造企業(yè)大多采用CAM技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計技術(shù)，CAM通過對船舶詳細(xì)設(shè)計的進(jìn)一步細(xì)化，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)船舶建造能力現(xiàn)狀，為船舶的數(shù)控生產(chǎn)和現(xiàn)場制造服務(wù)，因此CAM技術(shù)的水平直接決定了船舶生產(chǎn)設(shè)計水平。工藝設(shè)計人員通過CAM系統(tǒng)的功能，進(jìn)行船舶產(chǎn)品型線設(shè)計、三維模型建立、數(shù)控零件號料、零部件加工信息生成、施工工藝文件編制等。因此，提高CAM產(chǎn)品的功能和設(shè)計人員的素質(zhì)就成為提高船舶生產(chǎn)設(shè)計水平的重中之重。船舶類高職院校應(yīng)順應(yīng)行業(yè)發(fā)展規(guī)律、緊跟行業(yè)前進(jìn)步伐，教師應(yīng)幫助船舶專業(yè)學(xué)生掌握船舶生產(chǎn)設(shè)計的核心內(nèi)容，從人才培養(yǎng)方案出發(fā)，為學(xué)生制定學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)步驟、學(xué)習(xí)載體、學(xué)習(xí)內(nèi)容、實施方案與時間分配等環(huán)節(jié)與船舶制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計實際工作任務(wù)相匹配，開發(fā)三維建模教學(xué)，從而達(dá)到突出以職業(yè)能力為核心的實踐能力培養(yǎng)，以提高學(xué)生的競爭力。

1 建立三維模型

1.1 型線光順

在船舶三維建模之前要進(jìn)行型線光順，首先，學(xué)生要將船體型線圖、型值表以及船體首尾部輪廓圖紙，都轉(zhuǎn)換成按三向光順計算程序所要求的格式數(shù)據(jù)，并且要依照規(guī)定的次序輸送給程序；其次，考慮在軟件計算過程中可能出現(xiàn)的各種情況及處理方法（如數(shù)據(jù)點的類型、多條型線共用點的設(shè)置等）；最后，進(jìn)行型線光順，按照船舶建造軟件事先安排好的計算順序和計算方法，對不同類型的型線分別進(jìn)行光順。對船體三向光順來講，這是一項非常重要而細(xì)致的工作。接下來利用光順的型線建立船舶型表面，并通過對型表面的照光來檢驗型線是否光順，這一步工作質(zhì)量的好壞，直接影響三維建模工作能否順利進(jìn)行。在TRIBON軟件中為了提高船舶生產(chǎn)設(shè)計效率，一般會用最短的時間生成一個初始的船舶型表面供三維建模使用，之后再進(jìn)行型線光順，再將之前的設(shè)計替換掉，這樣可以大大縮短船舶生產(chǎn)設(shè)計時間。

1.2 三維建模

建立船舶三維模型是建立產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫的過程。將二維圖紙上用不同線型表達(dá)的構(gòu)件，在相應(yīng)的三維數(shù)字空間中進(jìn)行虛擬實體造型，這個過程可以看作是建立一個工程項目全部信息的“船舶數(shù)據(jù)庫”的過程，該數(shù)據(jù)庫是面向?qū)ο蟮?，即所有設(shè)計和生產(chǎn)數(shù)據(jù)都作為“對象”來貯存，這些“對象”是船舶建造中的各類實體，如外板、甲板、艙壁板、肋骨、縱桁、縱骨、扶強(qiáng)材和加強(qiáng)筋等，每類實體都按一定的方式進(jìn)行組織。例如構(gòu)件規(guī)格和所屬分段等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)不同的情況，這些數(shù)據(jù)信息被用來生成各種二維和三維視圖，一旦在設(shè)計過程中需進(jìn)行修改，與模型相應(yīng)的技術(shù)數(shù)據(jù)將隨之改變，而不僅僅是改變圖形信息。船舶三維建模是一個虛擬仿真的過程，即把大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維可視化的計算機(jī)圖像，其功能主要是利用現(xiàn)行船舶輔助建造系統(tǒng)（比如CADDS5、 TRIBON、 CATIA、 HD-SHM等） 來實現(xiàn)，船舶三維模型建好后可以用來進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析、船舶建造的虛擬仿真等[3]。

2 教學(xué)設(shè)計開發(fā)

2.1 教學(xué)環(huán)境方面

教學(xué)設(shè)計開發(fā)主要從軟件設(shè)施和教師能力兩方面進(jìn)行。在軟件設(shè)施方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)等軟件技術(shù)的發(fā)展為學(xué)院進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)提供了條件，在虛擬仿真世界的數(shù)字化多維空間中，師生可以獲得船舶建造的各種信息，這種仿真可以代替耗費大量時間與資源的真實船舶建造過程，也可以使船舶生產(chǎn)設(shè)計與虛擬建造的各個環(huán)節(jié)表現(xiàn)得更加逼真。借助這樣的教學(xué)軟件，學(xué)生可以通過多種方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，從虛擬仿真環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，從而幫助學(xué)生深化概念、理解流程、提升技能。學(xué)院的多媒體教室、VR教室等為虛擬仿真教學(xué)提供了硬件設(shè)施，東欣船舶建造系統(tǒng)、TRIBON軟件等船舶輔助建造軟件、DELMIA等虛擬仿真軟件為虛擬仿真教學(xué)提供了軟件支持。以上軟件設(shè)施為三維建模的教學(xué)設(shè)計提供了前提保障，使得這項教學(xué)設(shè)計開發(fā)能夠順利進(jìn)行。在教師能力方面，以課程教學(xué)團(tuán)隊進(jìn)行教師能力提升，以真實船舶生產(chǎn)設(shè)計案例進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，共同進(jìn)行教學(xué)資源開發(fā)，統(tǒng)一評價體系，同時借教學(xué)設(shè)計開發(fā)的機(jī)會可以提升整個教學(xué)團(tuán)隊的能力。

2.2 教學(xué)資源方面

依據(jù)教學(xué)船舶圖紙資源，建立該教學(xué)船舶的三維模型，根據(jù)船舶制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計要求，在光順的三維型線基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成光順的船舶型表面，建立初始化數(shù)據(jù)庫（材質(zhì)庫、型材庫、端切庫等），并制定船舶建造方針及分段劃分圖，最后以分段為單元在計算機(jī)中建立三維模型。使用船舶行業(yè)廣泛應(yīng)用的東欣船舶建造軟件進(jìn)行模型建立，按照實船生產(chǎn)設(shè)計流程，開展項目訓(xùn)練，模擬與船舶建造企業(yè)實際生產(chǎn)設(shè)計一致的學(xué)習(xí)環(huán)境，將型線放樣、三維建模和圖紙生成與實訓(xùn)項目相結(jié)合，從識讀詳細(xì)設(shè)計圖紙、確定建造方針、分段劃分、軟件初始化、建立數(shù)據(jù)庫、三維建模等各個單元入手進(jìn)行教學(xué)設(shè)計開發(fā)，使學(xué)生掌握船體生產(chǎn)設(shè)計中三維建模的要領(lǐng)，實現(xiàn)技能訓(xùn)練、知識學(xué)習(xí)與素質(zhì)養(yǎng)成一體化，逐步達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求。另外，建立的三維模型還能夠進(jìn)行虛擬建造的仿真，即將零件按照船舶建造工藝要求裝配成分段，實現(xiàn)計算機(jī)虛擬制造。由虛擬制造作為技術(shù)支撐，教學(xué)設(shè)計就可以針對船舶生產(chǎn)設(shè)計工作崗位，提煉出典型工作任務(wù)，實施真實的生產(chǎn)任務(wù)，配合知識點下達(dá)任務(wù)單，使用真實任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能，并將相關(guān)造船行業(yè)職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)融入實訓(xùn)過程中，從而提高學(xué)生的職業(yè)能力，提升專業(yè)人才培養(yǎng)水平。[4]

由于船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)備繁多，為使學(xué)生能夠真正、透徹地理解船舶結(jié)構(gòu)和功能，就希望可以隨時查看構(gòu)件信息并按需要移動構(gòu)件，同時還可以方便地修改構(gòu)件規(guī)格和布置位置，這就需要在復(fù)雜的虛擬場景中找到正確路徑、進(jìn)入并能獲取構(gòu)件信息并更改信息，采用視點變換的方式穿行、觀察、更改虛擬場景。當(dāng)虛擬環(huán)境建立后，實現(xiàn)這些功能并不難，而船舶三維模型恰恰能夠提供這種虛擬仿真所需的船舶背景，也能夠使學(xué)生以虛擬仿真的形式沉浸在虛擬環(huán)境中并與之交互，船舶三維模型可以完成構(gòu)件的實體造型構(gòu)造、實體間的干涉檢查，并可以實現(xiàn)整個船舶的總組和搭載仿真、虛擬船廠設(shè)計模擬等。

總之，三維建模作為船舶生產(chǎn)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，直接面向數(shù)控生產(chǎn)實際。生產(chǎn)設(shè)計人員在船舶建造軟件的輔助下，根據(jù)船舶詳細(xì)設(shè)計圖紙資源和船舶建造的具體要求進(jìn)行三維建模，通過人機(jī)交互操作方式進(jìn)行設(shè)計，還可在模型的基礎(chǔ)上輸出零件的加工信息、工程圖紙、技術(shù)文檔等。而相關(guān)專業(yè)的設(shè)計人員以三維模型為船體背景進(jìn)行其他專業(yè)的設(shè)計構(gòu)思和認(rèn)證。三維模型的好壞直接決定了數(shù)控生產(chǎn)的準(zhǔn)確程度及加工的難易程度，所以基于三維模型的虛擬仿真教學(xué)設(shè)計對船舶工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說意義重大。船舶工程技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，具有較強(qiáng)專業(yè)技能、良好職業(yè)道德和可持續(xù)發(fā)展能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。此次教學(xué)設(shè)計開發(fā)能夠提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，實現(xiàn)學(xué)生工作后的無縫崗位對接。