摘 要

Abstract I

第1章 绪 论 1

1.1 选题的背景和意义 1

1.1.1 虚拟现实技术当前应用情况及未来发展前景 1

1.1.2 本课题研究的意义 1

1.2 虚拟现实技术国内外研究状况 1

1.2.1 虚拟现实技术国外研究状况 2

1.2.2 虚拟现实技术国内研究状况 2

1.3 仿真技术在造水机系统上的研究运用情况 2

1.4 本课题研究的主要内容和采取的技术手段 3

第2章 造水机系统介绍 4

2.1 造水机概述 4

2.2 造水机系统的工作原理 4

2.3 造水机系统的工作流程 5

2.4 本章小结 7

第3章 基于3ds Max辅机实验室造水机实体建模 8

3.1 关于3ds Max2015软件介绍 8

3.2 造水机模型建立的准备工作 9

3.3 造水机模型的建立过程 10

3.3.1 造水机系统各管路、指示表模型的建立 10

3.3.2 造水机系统各阀件模型的建立 15

3.3.3 造水机系统控制箱、按钮模型的建立 16

3.4 造水机模型的整体优化 18

3.5 本章小结 19

第4章 造水机模型的渲染和动画 20

4.1 造水机模型的渲染 20

4.2 造水机模型的动画 21

4.3 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

致 谢 26

参考文献 27

摘 要

船舶运营中，每天都要消耗大量淡水，供船员生活和船上设备运转所用。对于远洋船舶而言，自身不宜携带过多淡水，这就要求船舶能源源不断的补充自生所需淡水，以适应海上航行多变的气候和恶劣的生活环境。所以，远洋船舶一般都设有海水淡化装置（也称造水机），利用船舶自生装置以获得性能和经济上的双重效益，可减少船舶向港口购买淡水的费用，亦可以增强船舶的续航能力^[1]。

造水机在远洋船舶上是一个必不可少的辅助机械，对轮机工程专业学生来说必须对其有深刻地认识，了解其结构原理、熟悉其操作保养流程是基本的要求。但是由于生长地理环境和教学资源的限制，学习船上辅助机械对于轮机专业的学生来说是有一定困难的。为了方便老师对辅机实验室造水机系统的教学、减少轮机工程专业学生在学习造水机时的局限 ,本文采用3ds Max虚拟仿真的三维建模方法对造水机系统进行了研究 ，本次课题对其他机舱辅机设备的虚拟建模开发工作具有一定的借鉴和指导意义。

关 键 词: 造水机；3DS MAX；建模；动画

Abstract

0n ship operations, a large amount of fresh water is consumed every day for the life of the crew and the operation of equipment on board. For ocean-going vessels, they should not carry too much fresh water on their own. This requires that the ship's energy sources continuously supplement the freshwater needed for self-production to adapt to the changing climate and harsh living environment of the sea. Therefore, ocean-going vessels are generally equipped with seawater desalination devices (also known as water fresh generators), which use the vessel's self-generating devices to obtain performance and economical double benefits. It can reduce the cost of purchasing fresh water from the port to the port, and it can also enhance the life of the ship. ^[1].

Fresh water generator is an indispensable auxiliary machinery in ocean-going vessels. For marine engineering students, they must have a profound understanding of them. Understanding their structural principles and familiar with their operation and maintenance procedures are basic requirements. However, due to the limitations of the growing geographical environment and teaching resources, learning the auxiliary machinery on board has certain difficulties for the students of the mechanical engineering major. In order to facilitate the teacher's teaching of the auxiliary machine lab Fresh water generator system and reduce the limitations of the marine engineering students in learning the water machine, This paper uses the 3ds Max virtual simulation 3D modeling method to study the water generator system. This project has certain reference and guidance significance for the virtual modeling and development of other engine room auxiliary equipment.

Key Words：Fresh water generator;3ds max;modeling;animation

绪 论

选题的背景和意义

虚拟现实技术当前应用情况及未来发展前景

随着信息时代的到来，计算机虚拟仿真软件的快速开发，虚拟现实技术快速的发展了起来，并逐渐应用在了各个生活领域^[2]。目前，虚拟现实技术在文化教育、艺术及影视娱乐领域占主流地位。其次，在制造业、可视化计算、机器人等商业科研领域也占有一席之地。另外，在医学和军事航空领域也逐步开始有所运用。

虚拟现实技术从发展至今，已经走过了相当长的一段光辉历程。从目前在各个领域应用中所体现出的实用性和优越性我们不难预见：这项技术的运用具有广阔的领域和运用前景。虽然，虚拟现实技术目前研究的内容是微机给人在感觉或视觉上带来的逼真效果，但将人在实践得到的感觉信息在大脑中存储和加工处理使之成为人对客观世界的主观认识这一过程在不久的将来会成为该项技术的研究核心，也必然是会被攻克难关。我相信，随着计算机技术和网络技术的快速发展，计算机3D运行能力和网络宽带的大大提高，在日常生活中，虚拟现实技术必定运用越来越广泛。

本课题研究的意义

利用3ds Max的建模功能来建立船舶造水机系统的三维模型，再辅之以渲染、动画功能，可以逼真的将船舶机造水机系统结构特征和工作原理展现出来，并且通过人机接口可以将造水机系统的实际数据导入3d模型中。本次课题所建立的辅机实验室的造水机模型除了在外形、颜色上与辅机实验室的造水机相同外，还可以通过动画演示造水机的工作过程，工作原理。以后轮机专业学子或社会船员在造水机的学习或培训过程中，可以通过操作虚拟模型来实现对其工作原理和各个工况的研究。利用3ds Max建立造水机的三维模型实现学员在该系统中的漫游以及设备的操作，这不仅可以让学员真实的了解造水机的动态工作情形，提高学员学习效果，方便老师讲解教学，而且也节省实船实习所需的费用。用3ds Max对造水机建模仿真有许多突出的优点，比如系统维护、更新方便、效果逼真和易操作^[3]。

虚拟现实技术国内外研究状况

虚拟现实(VR)技术从起源到现在经历了三个发展阶段：上世纪60、70年代是VR技术的萌芽期，属于探索阶段；上世纪70年代末到80年代是VR技术的扩展期，属于从理论研究、试验走向实际运用阶段；90年代至今是VR技术的高速发展期，被应用到了生活的各个领域，属于黄金阶段。

虚拟现实技术国外研究状况

美国是最早开展VR技术研究和应用的国家，VR技术的应用研究大约开始于1980年，其研究水平基本上代表国际VR发展的水平^[4]。早在1993年，美国“卫星研究中行”就将虚拟现实技术应用在了航天航空领域上，采用虚拟制造的方法生产出的波音777飞机是世界上首架采用虚拟现实技术制造的飞机。现如今，虚拟现实技术的应用在美国已经大众化，人们用它来进行医疗探伤、制作电影特辑、观看体育赛事都已屡见不鲜。日本在虚拟现实技术的研发和使用上也表现得很积极。例如：2004年6月奈良尖端技术研究生院大学千原国宏教授开发出一种虚拟嗅觉装置，只需靠近虚拟世界中的某种水果，虚拟嗅觉装置就会释放出水果的香味，这是在嗅觉应用研究领域VR技术一项突破^[4]。在法国，如果你想参观卢浮宫，已经不再需要购买门票去现场了，因为卢浮宫所有的藏品都被“搬到了”网上，参观者可以在家和咖啡的同时漫游在整个卢浮宫的艺术殿堂。

虚拟现实技术国内研究状况

国内的虚拟现实技术虽起步较晚但也有迎面赶上的势头。国家政府部门和相关科研机构都高度重视虚拟现实技术的研发和应用。在“863计划”、“973计划”和“十二五规划”中都制定了对虚拟现实技术详细的技术支持方略和资助政策，用来刺激国内虚拟现实技术的发展。在不懈的努力下，我国在虚拟现实技术的研究和应用上也取得了一定的成就。例如：在工业领域的虚拟装配技术，该项技术可以通过模拟装配车间的5个环节实现虚拟场景用户模型。另外，在航天军事领域也取得了一定成就，解放军装甲兵工程学院和北京航天航空大学合作研发的多兵种协同作战和反恐战术演练系统，为我国的军事、国防做出了重大贡献。除此之外，在我国虚拟现实技术也逐渐应用在了影视、动漫、建筑等领域。

仿真技术在造水机系统上的研究运用情况

在计算机仿真技术快速崛起并被广泛应用的大环境下，几年前，二维仿真轮机模拟器便出现在了任意一所设有航海专业的院校，并被应用在了实践教学中。轮机模拟器实际就是通过计算机的强大仿真能力来模拟现实船舶中的重要机舱设备，通过软、硬件的协同作用比较全面的实现真实船舶上机舱设备的工作流程和具体功能的一整套设备^[3] 。自然，许多高校都将造水机系统作为机舱设备二维仿真开发的重点对象之一。

南京理工大学对船舶海水淡化装置仿真的研究主要集中在船舶造水机液位的动态分析及仿真上，主要实现的工作是:首先建立造水机系统的数学模型(主要涉及到数字量、蒸发器、冷凝器等的建模)，然后基于Labview作为开发环境，仿真DCS技术作为开发工具，最终完成了低温多效造水机DCS仿真系统的开发^[5]。

西北工业大学的研究内容是控制造水机工作温度，他们首次将模糊控制这一理论应用在了造水机温度系统里，最终设计出了一套可以同时控制造水机蒸发温度和冷凝温度的双层多变量控制器。

厦门海洋职业技术学院对船舶造水机仿真的研究主要涉及对监控系统的设计，其研究依据船舶造水机系统的工作规律，研发出了一套可视化的监控系统，该系统可实时监测装置的状态及工作参数。该系统的模块化分析主要集中在产水量控制单元上，采用的是前反馈的控制方式。之后对蒸发器水位进行了研究，通过建立蒸馏器的控制模型来动态分析蒸发器水位影响因素以及变动情况^[6]。

在虚拟现实技术被广泛应用的情况下，对海水淡化装置的研究也逐渐从二维仿真软件过渡到了三维仿真软件上来。国内许多航海类高校和从事船舶研究相关的研究所、研究院都对船舶机造水机系统进行了3d虚拟仿真的研究工作。例如：

2012年曼恒数公司研发的“船舶机舱设备虚拟装配系统”，将3D拾取技术和虚拟现实技术运用在了造水机系统中。通过VR眼镜，实现了虚拟环境中的漫游、交互，和造水机结构的拆装、工作流程的展示，最终将逼真的效果呈现在用户眼前^[7]。

大连海事大学开发了一套从二维仿真到三维虚拟演示的完整的造水机系统虚拟仿真软件。先是在Visual Studio 集成开发环境中利用C＃完成了船舶造水机系统二位仿真软件的开发^[3]，接着用三维建模软件3ds Max建立了造水机的3D模型，最后将3D模型导入了虚拟现实软件Unity3D中，实现了造水机系统的虚拟操作和人机交互。

武汉理工大学系统仿真与控制中心将三维模拟仿真技术应用于对船舶机舱设备的研究上来，相对而言是将此项技术应用于船舶研究上比较早的高等院校了。其开发的“船舶机舱漫游系统”已经被运用在了实践教学中，成为了其他利用虚拟现实技术开发机舱设备的高校的典范。最近，由辅机实验室老师牵头，对辅机实验室造水机等辅助设备进行全方位，立体化的仿真建模工作已经展开。我相信在不久后，我校的辅机设备将实现全方位的、立体化的虚拟教学方式。

本课题研究的主要内容和采取的技术手段

本次设计是基于运用3ds Max三维建模软件以本校辅机实验室的造水机为实体对象进行仿真建模。通过现场测量实验室内的海水淡化装置，以1：1的比例，对造水机外形（主要由蒸发器、分离器、冷凝器、海水系统、加热系统、抽真空和排盐水系统、淡水系统和海水投药系统等组成）和可操作的阀件、按钮、指示灯、旋钮等建立独立的三维模型，对其进行优化，并附加上渲染、动画等功能，最终实现对海水淡化装置工作原理的动画演示及其工作流程的虚拟操作。

造水机系统介绍

造水机概述

一般来说，远洋船舶都配备有造水机。造水机生产的淡水（指盐分含量低于1000mg/L的水)一部分用维持船舶上机器设备的运转,如：作为主机、发电机和空压机的冷却水，锅炉系统的补给水^[8]；另一部分经矿化、杀菌后作为船员的饮用水。

远洋船舶通过配备造水机设备来生产所需淡水而不是通过设置储存水舱来携带淡水的原因主要有以下三点：其一，远洋船舶连续航行时间长，距离补水基地远，想要储备足够多的淡水来满足船舶航行的需要，势必要腾出大量的舱室来储存淡水，这就减少了船舶的载重吨位，影响运输能力的发挥；其二，如果淡水储存的时间过长，会造成污染，影响其品质；其三，船舶储存的淡水过多，船舶的自由液面面积相应的会增加，会给船舶的稳性带来了极大的影响，特别是在风浪中航行时，造成船舶倾覆的可能性极大的上升。

目前海水淡化方法主要有蒸馏法、电渗析法、反渗透法和冷冻法等^[9]。而远洋船舶上大多都是采用以主机缸套水为热源的蒸馏式海水淡化装置，蒸馏式海水淡化装置可分为正空沸腾式和真空闪发式两种。

本次课题设计研究的的造水机属于真空沸腾式海水淡化装置，型号是：ZFS1.5。主要由蒸发器、分离器、冷凝器、海水系统、加热系统、淡水系统、抽真空系统、排盐水系统和海水投药系统等组成。

造水机系统的工作原理

蒸馏式海水淡化装置采用沸腾蒸馏法，从海水中制取淡水，海水在装置中经过沸腾、蒸发、分离和冷凝等过程转化为淡水^[10-11]。

加热水箱的加热水（实验室以热水箱的水替代实船上的主机缸套水）经热水进口管路流入海水淡化装置的下壳体侧，加热器中处于93％真空状态下的海水管路内的海水通过管壁吸收加热水的热量后开始沸腾、蒸发，部分海水汽化上升，而未被蒸发的海水形成浓盐水被喷射泵抽出。汽化的淡水蒸汽经分离器分离后由两侧进入冷凝腔，蒸汽被海水管路内流动的冷却海水冷凝成蒸馏水，由凝水泵抽出送入淡水箱，而不凝性气体则通过抽气管被喷射泵抽走。整个过程都是在高真空状态下完成的，喷射泵抽吸浓盐水和不凝性气体，使装置维持高真空^[10]。造水机原理图如图2.1所示。

图2.1造水机原理图

Fig.2.1 Schematic diagram of FW generator

造水机系统的工作流程

造水机的整个工作流程包括：一 .启动前对各个机电设备、指示表、阀件、管路接头、电源及线路的检查工作；二 .造水机起动工作；三. 造水机运行管理工作；四 造水机停止工作。

启动前检查造水机系统各设备完好无误后，启动工作流程如下：

1. 打开控制箱上的电源按钮，接通电源；
2. 关闭阀真空破坏阀9、底部排泄阀15、凝水泵出口阀16、给水调节阀8；
3. 打开海水系统中的截止阀1、2、3、4、5后，按下控制箱上的海水泵启动按钮起动海水泵；
4. 调节阀2，使管路上的压力表指针转到0.4MPa、流量计指数为5.6t/h；
5. 打开单向阀6、7开始抽真空，10分钟后真空表指针指到-0.09MPa；
6. 缓慢打开给水阀8，拨动控制箱上的观察灯开关，可从可从壳体上的观察窗看到水位控制在距离蒸发器上管口板以上10mm；
7. 打开热水泵前后阀门10、12，加热器进出口阀13、14，按下控制箱上的热水泵起动按钮，起动热水泵；
8. 调节热水旁通阀11，使热水流量维持在6t/h左右，热水入口温度应为65℃左右；
9. 此时装置开始产生蒸馏水，运行10分钟后，按下控制箱上的凝水泵起动按钮，起动凝水泵，凝水泵出口压力应为正值；

10.打开单向阀16，淡水管路上的截止阀，此时可在淡水流量计中看到已有淡水产生。

造水机的运行管理工作无误，运转结束后停止工作流程如下：

1. 关闭海水阀8、抽气管路和抽浓盐水管路上的单向截止阀6、7，按下控制箱上热水泵停止按钮，停止热水泵，按下淡水泵停止按钮，停淡水泵；
2. 按下控制箱上的海水泵停止按钮，停止海水泵，关闭海水管路上的截止阀；
3. 关闭电源开关；
4. 打开真空破坏阀9、底部放泄阀15，放残完成后再关闭这两个阀。

造水机的实验设备系统图如图2.2所示。

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