基于3dsmax的船舶三維運動仿真

1、基于3dsmax的船舶三維運動仿真摘要：本文嘗試使用3維軟件3dsmax作為仿真平臺，調用其下的reactor動力學 模塊，對船舶模型在水屮的交互運動進行了預報。通過兩個仿真試驗，介紹了這 種虛擬現實技術的工作原理，展示了其快速實時，交互方便的優(yōu)勢。一個試驗是 通過對帆船在風作用下的仿真，得到了位移響應曲線和運動動畫；另一個試驗是 通過對船舶破艙進水傾覆過程的模擬，得到了各個時刻船的浮態(tài)。關鍵詞：仿真；可視化；動畫；船舶設計 中圖分類號：tp391.9 文獻標志碼：a1引言i學計算結果的可視化-直是人們孜孜以求的目標，科學計算的結果往往是 高度抽象，枯燥，專業(yè)性很強的圖表，數字。隨著計算機硬件

2、和計算機圖型學的 發(fā)展，科學計算可視化己成為一門獨立的新型學科。特別的，近年來發(fā)展越來越 快的虛擬現實技術將其帶入一個全新的境界。虛擬現實是一種通過計算機生成的 虛擬環(huán)境，并且在其中可進行交互的人機界面，交互性和實時性是虛擬現實的關 鍵特征。因此，本文的工作就是將船舶運動預報的結果以虛擬現實的方式真實的再現 出來，以直觀的方式得到船舶在水中交互運動響應的效果，來達到介紹這種新的 有一定使用價值的仿真方法的目的。2軟件平臺環(huán)境簡介3dsmax作為一種功能強大的三維可視化平臺，有很強大的實時交互的功能 模塊，用這些模塊我們作了以下工作：研究對象的實體建模與修改，燈光和攝像 機設罝，材質設罝，對象屬

3、性設置，動両設罝與渲染，察看運動軌跡并可以得到 任何時刻的實驗數據；而且可以把計算結果用直觀的可視化的方式展示出來，并 可實現實時控制與仿真。動態(tài)模擬效果一直是max的一個弊端，大多數情況下使用者只能通過關鍵 幀來進行模擬，或者通過編程來產生效果，discreet公司終于在max4.2推出的時 候同時也推出了新的比較完善的動態(tài)模擬系統(tǒng)reactor。先簡單介紹一下動態(tài)模擬 的使用原理，首先，reactor把物體分為剛體，柔體，布料，水等幾種獨立的模塊, 然后分別用相對的收集器（或者是管理器）收集相應物體，使物體具備各自的自 然屬性，設置每種物體類型丁面的屬性參數，這樣就可以達到模擬效果了。3d

4、smax作為世界上最廣泛使用，功能最強大的視頻動畫制作軟件，其實吋 交互性非常的成功，同時他的動力學仿真功能也越來越完善，這樣就可能把他的 很強大的實時交互環(huán)境與一定精度的動力仿真結合起來。這種仿真方法在模擬布 料運動，機械零件運動，剛體碰撞等許多外界現象時，快速而形象，本文就試圖 通過使用這種仿真方法在船舶上的應用，來介紹它的強大功能。但遺憾的指出3dsmax的動力學仿真系統(tǒng)是線性保守系統(tǒng)，所以不可能模擬 出實體完全精確的運動狀態(tài)。3帆船在風作用下的運動仿真通過一個帆船在一個平靜的湖面上，受到自然風作用力時，產生運動響應的 實例，來演示仿真系統(tǒng)的工作原理。3.1實驗原理在3dsmax界面下，

5、搭建場景，建造模型，設置攝像機和燈光，在reactor動 力學模塊下，對場景內模型的屬性進行設置，使其滿足運動條件，在時域屮對其 分析并求解，可以得到每個自由度的解隨時間的離散值，然后通過本仿真系統(tǒng)將 解自動加載到帆船三維模型上，讓其產生實時運動，并可生成一般的動両文件或 圖片，最后可以通過軌跡視圖面板，得到每一時刻的精確值。3.2實驗步驟前期準備：在正式動手前應該考慮清楚整個實驗流程，用到丫 max不的哪 些子模塊，每個子模塊起到什么樣的作用，它們之間的聯系是什么，并估計最后 可能會出現什么樣的結果。從實際的物理現象出發(fā)，整個實驗流程應該是：堤岸 將小湖圍起來，帆船作為載體浮在水面上，添加風

6、的影響，風對帆船上的帆布產 生力的作用，帆布帶動船體沿著風向向前移動，同時船在運動時受到水的阻力， 所以水產生的波動，波動反過又體現在船的運動上。搭建場景：為了使實驗過程更形象生動，搭建了簡單的環(huán)境。場景中包括： 一個聚光燈（主光燈），一個泛光燈（輔光燈），一架攝像機，一圈環(huán)形堤岸（剛 體），湖水（流體），并分別賦予材質并實時顯示。建造受力的帆船模型:建造帆船三維mesh模型并賦予實吋顯示材質（圖一）， 包括船體（剛體），桅桿（剛體），帆布（布體）。船體是用mesh建模。因為船 體與桅桿一起運動，所以合成一個group組（剛體），對帆布施加連接到剛體上 命令，這樣帆布受到風力之后，就能把力傳遞

7、到船體上。圖1帆船三維實體模型屬性分析與設罝：本實驗將要用到的是剛體系統(tǒng)和布體系統(tǒng)。因此，屬性設 置如下：將堤岸，船體，桅桿添加到剛體收集器里，將帆布添加到布料收集器里, 水具有流體屬性，對其設置密度，阻尼，波動屬性。對group設置質量，求解運算后，系統(tǒng)根據其質量和體積求解出密度，并與水的密度做比較，決定船體能否 浮在水面上。設罝風初速度（單位為系統(tǒng)默認，以下均同）。風的方向也可以隨 意設定，但是為了方便觀察結果，風向設為x軸正方向。在實驗中也可以對風的 perturb和ripple進行設置，他們的作用是產生一些非線性的擾動和波動影響。求解得到數值：時間軸設置為0到100幀（幀是max內部時

8、間單位，一秒 30巾貞）。設置完畢后，就可以求解了，界面左下方的performing simulation表示 求解的時間進度。求解完畢后的數據自動保存在文件中。3.3結果輸出與分析求解完畢后，通過打開max下的運動軌跡面板模塊（圖二），可以得到對船 體任何一個時刻下的具體位置數據。橫軸代表時間幀數，縱軸代表位置。當前的 小窗口顯示的是船體在第17幀時，x軸，y軸，z軸的數值。從閣中可看到三條由 連續(xù)關鍵幀組成的運動軌跡線。這三條線分別代表在0-100幀之間的x軸，y軸， z軸方向上的運動變化軌跡。分析圖中的x軸軌跡，可以看到，船體在初始階段， 因為要擺脫水的靜止狀態(tài)，所以位移值冇一個擾動，軌

9、跡線傾角（即速度）也比 較小，40幀之后，軌跡線趨于均勻直線，說明船體速度保持平衡，外界合力為 零。分析y軸軌跡基本上是一條直線，那是因為y軸方向與受力方向和運動方向 都正交，所以位置保持一個恒定的值，速度始終為零。z軸軌跡線是一條波動的 阻尼曲線，因為船在擺脫靜止狀態(tài)時有上下的波動，并且隨著時間增加，波動逐 漸減小并趨于零。通過分析發(fā)現，計算機模擬帆船在風作用丁的運動與實際的物理現象吻合。0 gxoupol transform(? positionfflrotationelscaleobject (dunuiy) 03iastolqultrangfoxaimposition;tlrotati

10、onjj scale e>(hodified object (3 0 vood_oakgxtrt-0boathltiansfoin position rotation fpl scalejcct (editable :色material #1.:哩 transformi -fl±)positxon(plrotationqa3scalemodified object voodj)akertrt$ >art03 ftkltraxigfoxn關 positionftlrotationqj scale-(sbodified objecto vood_oakgitr t圖2 運動軌

11、跡面板最后生成一段船體如何在風力作用下運動的動畫，可以在窗口中實時預覽， 也可以渲染成通用的動畫格式文件。下圖（圖三）是reactor預覽窗口的顯示界 面。圖3 reactor預覽界面4船舶破損進水傾覆過程仿真演示船的一個艙破損（遭到襲擊，碰撞或者觸礁），進水并逐漸下沉，直至 傾覆的過程。4.1實驗說明為了簡化實驗，在整個過程中作了如下假定：水面是平靜，即研究對象只受 到重力和浮力。某個船艙破艙后，假定只冇這個艙進水，而且進水過程是漸進緩 慢的，所以每個時刻研宄對象都處于動態(tài)平衡。因此整個實驗將用到了剛體模塊 和水模塊。同時在建模對船體也作了簡化，沒有包括上層建筑?？紤]到破艙在進水后，由于這個

12、艙的重量是不斷增加的，因此，將這個艙單 獨作為一個整體（剛體），船的其他部分作為另一整體（剛體），然后通過不斷的 增加破艙的重量就能達到模擬艙內進水的效果。當破艙的進水量增人到一定程度 后，船就會發(fā)生傾覆。通過實驗，我們可以觀察到船在各個過程屮的浮態(tài)姿勢， 也可以測量出船的橫傾角和縱傾角數據。得到數據后，就可以更進一步的計算船 所受的力，彎矩，扭矩。4.2實驗對象說明船的重量，即排水量取為490。破艙的位置選在前半部左舷側（第8站， 全船總共10站），見圖四，是為丫較為明顯的觀察到船的橫傾和縱傾現象。破艙位置圖4破艙的位置不意圖4.3實驗過程船在平衡時，將要破損的艙的本身重量為20,則其他部分

13、的重量即為470。 為了找到傾覆的臨界點，使用了實驗法，由此知道，當破艙重量達到90.4,即破 艙進水量達到70.4時，船將發(fā)生傾覆。所以為了演示逐漸傾覆的過程，將實驗 劃分為8個子步驟，每個子步驟中破艙重量都增加10。因此得到8組實驗數據 和8個船的浮態(tài)姿勢。4.4實驗結果通過輔助面板下的角度測量器測得下面數據，見表一：表1測量數據表進水量01020304050607080橫傾角(度)02.2434.9396.92310.63413.22715.24525.021縱傾角(度)00.7281.1432.4472.3493.3114.0635.84為了觀察明顯，從8次過程中選取了 5次平衡狀態(tài)，

14、見圖五:(1)進水s 10，橫傾角2.243, 縱傾角0.728(2)進水量30,橫傾角6.923, 縱傾角2.447(3)進水量50，橫傾角13.227, 縱傾角2.349(4)進水量70，橫傾角25.021, 縱傾角5.84(5)進水量80，傾覆圖5傾覆過程示意圖5結論通過對前面兩個實騎的總結，可以知道3dsmax仿真系統(tǒng)的最突出優(yōu)勢在丁 在滿足一定精度的前提下，實驗快速簡單方便，因此特別適合演示說明。在仿真 過程中，可隨時隨地更該環(huán)境參數，模型參數，運動參數等設計變量。在分析過 程中，能夠精確而方便的得到實驗數據。而ii實驗結果可以生成動畫，形象直觀。但是3dsmax仿真系統(tǒng)也有明顯的不足：因為實際的實驗環(huán)境和對象都是非 線性系統(tǒng)，所以仿真不可能取代實驗，只能夠對實驗進行前期的預測。對復雜結 構的模型作了運算時的簡化。受限于內部默認的算法，如果用戶使用其它算法， 則必須進行二次開發(fā)。總之，隨著虛擬現實技術的發(fā)展，仿真技術在科學工程上的應用，快速實吋, 交互性強，操作方便的3dsmax仿真