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(lái)越復(fù)雜，船東要求越來(lái)越多元，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)這些改變[1]。因此未來(lái)船舶企業(yè)必須提高船舶設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力。那么，如何實(shí)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(jì)水平、實(shí)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(jì)的好壞直接影響智能制造，只有提高船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平才有可能實(shí)現(xiàn)智能制造[2]。

船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)是造船企業(yè)在船舶建造過(guò)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(guó)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(jì)技術(shù)，CAM通過(guò)對(duì)船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步細(xì)化，結(jié)合當(dāng)前國(guó)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(chǎng)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(jì)水平。工藝設(shè)計(jì)人員通過(guò)CAM系統(tǒng)的功能，進(jìn)行船舶產(chǎn)品型線設(shè)計(jì)、三維模型建立、數(shù)控零件號(hào)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(jì)人員的素質(zhì)就成為提高船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)施方案與時(shí)間分配等環(huán)節(jié)與船舶制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際工作任務(wù)相匹配，開(kāi)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(shí)踐能力培養(yǎng)，以提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(jì)算過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況及處理方法（如數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型、多條型線共用點(diǎn)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(jì)算順序和計(jì)算方法，對(duì)不同類型的型線分別進(jìn)行光順。對(duì)船體三向光順來(lái)講，這是一項(xiàng)非常重要而細(xì)致的工作。接下來(lái)利用光順的型線建立船舶型表面，并通過(guò)對(duì)型表面的照光來(lái)檢驗(yàn)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(jì)效率，一般會(huì)用最短的時(shí)間生成一個(gè)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(jì)替換掉，這樣可以大大縮短船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)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(kù)的過(guò)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(shí)體造型，這個(gè)過(guò)程可以看作是建立一個(gè)工程項(xiàng)目全部信息的“船舶數(shù)據(jù)庫(kù)”的過(guò)程，該數(shù)據(jù)庫(kù)是面向?qū)ο蟮模此性O(shè)計(jì)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)都作為“對(duì)象”來(lái)貯存，這些“對(duì)象”是船舶建造中的各類實(shí)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(shí)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(lái)生成各種二維和三維視圖，一旦在設(shè)計(jì)過(guò)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(gè)虛擬仿真的過(guò)程，即把大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維可視化的計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，船舶三維模型建好后可以用來(lái)進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析、船舶建造的虛擬仿真等[3]。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1 教學(xué)環(huán)境方面

教學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)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(jì)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(fèi)大量時(shí)間與資源的真實(shí)船舶建造過(guò)程，也可以使船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)與虛擬建造的各個(gè)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(guò)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(shí)，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(jì)提供了前提保障，使得這項(xiàng)教學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)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(duì)進(jìn)行教師能力提升，以真實(shí)船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，共同進(jìn)行教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，統(tǒng)一評(píng)價(jià)體系，同時(shí)借教學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)可以提升整個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(jì)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(kù)（材質(zhì)庫(kù)、型材庫(kù)、端切庫(kù)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(jì)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(shí)船生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程，開(kāi)展項(xiàng)目訓(xùn)練，模擬與船舶建造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)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(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相結(jié)合，從識(shí)讀詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙、確定建造方針、分段劃分、軟件初始化、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、三維建模等各個(gè)單元入手進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使學(xué)生掌握船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)中三維建模的要領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)技能訓(xùn)練、知識(shí)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(shí)現(xiàn)計(jì)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(jì)就可以針對(duì)船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作崗位，提煉出典型工作任務(wù)，實(shí)施真實(shí)的生產(chǎn)任務(wù)，配合知識(shí)點(diǎn)下達(dá)任務(wù)單，使用真實(shí)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(shí)訓(xùn)過(guò)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(shí)查看構(gòu)件信息并按需要移動(dòng)構(gòu)件，同時(shí)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(chǎng)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(diǎn)變換的方式穿行、觀察、更改虛擬場(chǎng)景。當(dāng)虛擬環(huán)境建立后，實(shí)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(shí)體造型構(gòu)造、實(shí)體間的干涉檢查，并可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)船舶的總組和搭載仿真、虛擬船廠設(shè)計(jì)模擬等。

總之，三維建模作為船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接面向數(shù)控生產(chǎn)實(shí)際。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員在船舶建造軟件的輔助下，根據(jù)船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙資源和船舶建造的具體要求進(jìn)行三維建模，通過(guò)人機(jī)交互操作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)人員以三維模型為船體背景進(jìn)行其他專業(yè)的設(shè)計(jì)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(jì)對(duì)船舶工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)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(jì)開(kāi)發(fā)能夠提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工作后的無(wú)縫崗位對(duì)接。