Composer起重船虚拟动画仿真

   

一、引言

       长江三峡航道过往船只时有发生沉船、倾覆事件,而目前尚缺乏专门用于沉船打捞搜救的设备,由于救援不及时导致频繁发生人员伤亡事故。我公司拟设计一款“1000吨全回转起重机”,用于在长江三峡库区、长江干线中游及长江干线其他水域完成应急抢险作业的沉船、沉物打捞设备。本文主要讲解应用SolidWorks软件,完成“1000吨全回转起重机”的整体设计,并用3DVIA Composer对模型进行颜色渲染、虚拟装配、干涉检查和动画仿真,确保设计安全可靠,模型直观易懂。起重机设计原理如图1所示。

起重机设计原理图

图1 起重机设计原理图


二、起重机的设计原理

       为了完成“1000吨全回转起重机”的整体设计,设计过程中利用SolidWorks“自顶向下”的设计方式,在总体设计中将整个超重机分为若干部件,同时满足多人协同设计。其中转台锁定机构,吊臂防后倾装置,人字架前撑杆、后拉杆组件,吊臂组件及滑轮组件等均采用参数化设计,方便模型修改和二次利用。起重机按结构主要分为以下部分:船体组件、人字架组件、吊臂组件、转台组件及电气液压系统等,通过操作员在驾驶室内地控制,实现起重机的救援和打捞工作。在大型装配体中,选用“轻化”模式,可以使模型打开的速度大大加快。起重机装配结构关系如图2所示。

起重机装配结构关系图

图2 起重机装配结构关系图


三、SolidWorks和3DVIA Composer的功能与特点

       SolidWorks在建模过程中实现“参数化设计”、“模块化设计”,能快速设计装配机构、管路和复杂零件。在设计过程中,相似的模型应用参数化设计后,从菜单栏中导出参数,在下次使用过程中,直接修改参数,然后重新导入,模型将依据现有特征尺寸自动更新;模块化设计是通过对不同的模块进行组合,实现利用有限的零部件设计出更多产品的一种设计方法。采用模块化设计可以有效满足顾客对产品方案多样化地需求,快速产生对市场的影响力,同时减少设计、制造成本。在本起重机设计过程中,吊臂组件、防后倾装置等均可采用模块化设计。起重机整机设计效果如图3所示。

起重机整体设计效果图

图3 起重机整体设计效果图


      SolidWorks在设计过程中能进行干涉检查,有效避免产品生产过程中可能出现的错误。例如在吊臂铰座设计过程中,内部结构比较复杂,特别容易发生零件干涉。通过三维设计和干涉检查,有效避免产品在拼装时发生尺寸偏差、不能焊接等现象。吊臂铰座模型和干涉检查图如图4、图5所示;吊臂铰座由很多异形板焊接组成,在三维设计过程中可以确保零件不发生干涉,下料拼接为产品质量提供有力保证。

吊臂铰座模型图

图4 吊臂铰座模型图


吊臂干涉检查图

图5 吊臂干涉检查图

    

      3DVIA Composer是由达索系统开发的图形软件,软件集成于SolidWorks设计软件中,可以利用三维设计模型制作专业技术文档和交互式动画视频。3DVIA Composer通过获取3D模型中的特征信息,将设计更改以无缝方式直接更新到产品文档中,从而创建精确和最新的印刷及交互材料。软件本身结合了许多来自不同系统的数据,其支持的3D CAD系统和文件格式包括:SolidWorks生成的所有三维模型,CATIA V4和V5,Pro/ENGINEER以及通用三维格式STEP和IGES等。最新版本的3DVIA Composer支持更多的格式,兼容更广,并且可以通过XML交换与任何PLM系统实现集成。3DVIA Composer可输出许多标准文件格式,包括Microsoft Office、PDF、HTML、SVG和CGM等,允许用户将3DVIA Composer生成的内容集成到现有产品文档中。3DVIA Composer是一款简单易用的3D软件,而并非CAD软件,结合SolidWorks强大的三维建模功能,它可以在文档编制、销售、市场推广、客户服务、培训、三维演示和制造等方面取得良好效果,能够帮助用户以低成本的方式来创新,并以创新的方式来发展。


四、3DVIA Composer的动画仿真

       最新版本的3DVIA Composer是3DVIA Composer V6R2013 sp2版本,该版本动画方面功能实现了较大增强,其他功能也有很大改观,例如可以导入配置文件、可以进行旋转模式操作,同时输出格式有WEB浏览器支持,菜单中增加了3D测量功能以及3D工具箱等。

     

       3D动画在计算机上实现的过程较为复杂,对计算机配置要求也较高,要做好计算机3D动画必须要对其有一定了解。在3DVIA Composer中,刚性模型的任何变动都可以被记录为动画,也称为关键帧,随着时间向后拖移,连续的关键帧就组成一张张画面,从而形成整个动画。动画制作的一般过程如图6所示。

动画设计过程流程图

图6 动画设计过程流程图


        首先从模型的导入开始,模型可以单独导入,也可以通过3DVIA Sync转换各种其他软件生成的三维格式导入模型,本文中直接导入装配体模型。三维模型的导入在3DVIA Composer三维动画创建中具有非常重要的作用,是使用动画模块进行三维创建时的重要步骤。启动3DVIA Composer,进入工作环境。在主菜单中选取【打开】选项,系统弹出【打开】对话框,在对话框中选取所需的模式即可完成导入,对于有些格式暂不支持的三维模型,可以通过3DVIA Sync转换文件格式,然后再导入,模型导入和转换格式如图7、图8所示。

DVIA Composer直接导入模型截图

图7 DVIA Composer直接导入模型截图


3DVIA syne转换格式导入模型截图

图8 3DVIA syne转换格式导入模型截图

 


       模型导入后,需要对模型进行颜色渲染,在软件左侧属性栏中,可以设置零件要显示的名称、颜色、透明度、纹理、亮度以及运动机构的连接形式等,如图9所示。此时可通过工具栏菜单对模型进行文字标注、场景布置等,这些工具包括箭头图像、标签、编号和尺寸等,统称为协同角色。可以帮助制作者在动画显示制作中,更加准确地表述设计者的目的与意图。了解这些功能后,在菜单栏中选择动画模式,然后在时间轴位置选择自动关键帧,此时手动的任何操作命令,包括模型复制、平移、旋转、文字标注及尺寸标注等一系列过程都会以自动关键帧的形式被记录下来,这些关键帧就是生成动画的元素,如图10所示。

颜色渲染界面

图9 颜色渲染界面


自动关键帧生成界面

图10 自动关键帧生成界面

    

       在动画制作的过程中,掌握一些常用技巧对做成动画的质量有很大帮助,例如:在生成关键帧时,尽量减少关键帧的数量,有利于后期修改维护;设置机构运动,要明确零件的链接种类有五种,分别是自由、枢轴、球面、线性和刚性,在设置过程中,如何设置才能使机构运动不出错;还有定义子父级关系、枢轴对齐等方法的使用,整个动画的制作过程和表述机构运动过程的准确性都极其重要。

    

        最后是用3DVIA Composer生成动画,在文件菜单中,通过另存为菜单,将文件另存为avi格式,通过设置压缩比,即可生成对应清晰度的视频文件。如果有更高要求,可通过其他软件,例如会声会影等视频合成软件,增加声音、特效处理,这样就完成了一部带图、文、声等功能的仿真视频。同时3DVIA Composer还可生成高分辨率图像,配合软件自带的材质库,图像效果非常逼真。应用发布功能,可以将生成的关键帧和视图,打包成网页文件HTML和交互式pdf格式文档,最新版本的软件支持发布成3DVIA Studio格式,发布后的文件,可以通过编程的形式,完成角色定制,实现虚拟环境仿真到3D互动操作地完整体验。


五、结语

       本文以SolidWorks软件为基础,从武桥重工集团股份有限公司海工产品“1000吨全回转起重机”的设计过程出发,应用三维设计的优势,将模型以“自顶向下”的方式设计出来,模型直观;通过干涉检查,避免在生产过程中发现设计尺寸出错;通过3DVIA Composer对模型进行渲染,以自动关键帧的形式将其输出为仿真动画,同时讲述了3DVIA Composer软件在制作仿真动画过程中的技巧,以及发布的格式和功能;采用SolidWorks三维建模及3DVIA Composer对起重机整体动画仿真后,改变了样机在试制方面的弊病,提高了机器运行的同步程度、可靠性和稳定性。通过对整机动画演示,能够及时发现运动部件间的配合情况,便于改进设计,方便系统的维护,节约了成本,提高了效率。



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