基于3dsmax的船舶三維運(yùn)動仿真

1、基于3dsmax的船舶三維運(yùn)動仿真摘要：本文嘗試使用3維軟件3dsmax作為仿真平臺，調(diào)用其下的reactor動力學(xué) 模塊，對船舶模型在水屮的交互運(yùn)動進(jìn)行了預(yù)報(bào)。通過兩個(gè)仿真試驗(yàn)，介紹了這 種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工作原理，展示了其快速實(shí)時(shí)，交互方便的優(yōu)勢。一個(gè)試驗(yàn)是 通過對帆船在風(fēng)作用下的仿真，得到了位移響應(yīng)曲線和運(yùn)動動畫；另一個(gè)試驗(yàn)是 通過對船舶破艙進(jìn)水傾覆過程的模擬，得到了各個(gè)時(shí)刻船的浮態(tài)。關(guān)鍵詞：仿真；可視化；動畫；船舶設(shè)計(jì) 中圖分類號：tp391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a1引言i學(xué)計(jì)算結(jié)果的可視化-直是人們孜孜以求的目標(biāo)，科學(xué)計(jì)算的結(jié)果往往是 高度抽象，枯燥，專業(yè)性很強(qiáng)的圖表，數(shù)字。隨著計(jì)算機(jī)硬件

2、和計(jì)算機(jī)圖型學(xué)的 發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化己成為一門獨(dú)立的新型學(xué)科。特別的，近年來發(fā)展越來越 快的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其帶入一個(gè)全新的境界。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種通過計(jì)算機(jī)生成的 虛擬環(huán)境，并且在其中可進(jìn)行交互的人機(jī)界面，交互性和實(shí)時(shí)性是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān) 鍵特征。因此，本文的工作就是將船舶運(yùn)動預(yù)報(bào)的結(jié)果以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式真實(shí)的再現(xiàn) 出來，以直觀的方式得到船舶在水中交互運(yùn)動響應(yīng)的效果，來達(dá)到介紹這種新的 有一定使用價(jià)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(qiáng)大的三維可視化平臺，有很強(qiáng)大的實(shí)時(shí)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(shí)體建模與修改，燈光和攝像 機(jī)設(shè)罝，材質(zhì)設(shè)罝，對象屬

3、性設(shè)置，動両設(shè)罝與渲染，察看運(yùn)動軌跡并可以得到 任何時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；而且可以把計(jì)算結(jié)果用直觀的可視化的方式展示出來，并 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制與仿真。動態(tài)模擬效果一直是max的一個(gè)弊端，大多數(shù)情況下使用者只能通過關(guān)鍵 幀來進(jìn)行模擬，或者通過編程來產(chǎn)生效果，discreet公司終于在max4.2推出的時(shí) 候同時(shí)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(dú)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(yīng)物體，使物體具備各自的自 然屬性，設(shè)置每種物體類型丁面的屬性參數(shù)，這樣就可以達(dá)到模擬效果了。3d

4、smax作為世界上最廣泛使用，功能最強(qiáng)大的視頻動畫制作軟件，其實(shí)吋 交互性非常的成功，同時(shí)他的動力學(xué)仿真功能也越來越完善，這樣就可能把他的 很強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互環(huán)境與一定精度的動力仿真結(jié)合起來。這種仿真方法在模擬布 料運(yùn)動，機(jī)械零件運(yùn)動，剛體碰撞等許多外界現(xiàn)象時(shí)，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(yīng)用，來介紹它的強(qiáng)大功能。但遺憾的指出3dsmax的動力學(xué)仿真系統(tǒng)是線性保守系統(tǒng)，所以不可能模擬 出實(shí)體完全精確的運(yùn)動狀態(tài)。3帆船在風(fēng)作用下的運(yùn)動仿真通過一個(gè)帆船在一個(gè)平靜的湖面上，受到自然風(fēng)作用力時(shí)，產(chǎn)生運(yùn)動響應(yīng)的 實(shí)例，來演示仿真系統(tǒng)的工作原理。3.1實(shí)驗(yàn)原理在3dsmax界面下，

5、搭建場景，建造模型，設(shè)置攝像機(jī)和燈光，在reactor動 力學(xué)模塊下，對場景內(nèi)模型的屬性進(jìn)行設(shè)置，使其滿足運(yùn)動條件，在時(shí)域屮對其 分析并求解，可以得到每個(gè)自由度的解隨時(shí)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(chǎn)生實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)刻的精確值。3.2實(shí)驗(yàn)步驟前期準(zhǔn)備：在正式動手前應(yīng)該考慮清楚整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，用到丫 max不的哪 些子模塊，每個(gè)子模塊起到什么樣的作用，它們之間的聯(lián)系是什么，并估計(jì)最后 可能會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果。從實(shí)際的物理現(xiàn)象出發(fā)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程應(yīng)該是：堤岸 將小湖圍起來，帆船作為載體浮在水面上，添加風(fēng)

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

7、到船體上。圖1帆船三維實(shí)體模型屬性分析與設(shè)罝：本實(shí)驗(yàn)將要用到的是剛體系統(tǒng)和布體系統(tǒng)。因此，屬性設(shè) 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(shè)置密度，阻尼，波動屬性。對group設(shè)置質(zhì)量，求解運(yùn)算后，系統(tǒng)根據(jù)其質(zhì)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(shè)罝風(fēng)初速度（單位為系統(tǒng)默認(rèn)，以下均同）。風(fēng)的方向也可以隨 意設(shè)定，但是為了方便觀察結(jié)果，風(fēng)向設(shè)為x軸正方向。在實(shí)驗(yàn)中也可以對風(fēng)的 perturb和ripple進(jìn)行設(shè)置，他們的作用是產(chǎn)生一些非線性的擾動和波動影響。求解得到數(shù)值：時(shí)間軸設(shè)置為0到100幀（幀是max內(nèi)部時(shí)

8、間單位，一秒 30巾貞）。設(shè)置完畢后，就可以求解了，界面左下方的performing simulation表示 求解的時(shí)間進(jìn)度。求解完畢后的數(shù)據(jù)自動保存在文件中。3.3結(jié)果輸出與分析求解完畢后，通過打開max下的運(yùn)動軌跡面板模塊（圖二），可以得到對船 體任何一個(gè)時(shí)刻下的具體位置數(shù)據(jù)。橫軸代表時(shí)間幀數(shù)，縱軸代表位置。當(dāng)前的 小窗口顯示的是船體在第17幀時(shí)，x軸，y軸，z軸的數(shù)值。從閣中可看到三條由 連續(xù)關(guān)鍵幀組成的運(yùn)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(yùn)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?yàn)橐獢[脫水的靜止?fàn)顟B(tài)，所以位移值冇一個(gè)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?yàn)閥軸方向與受力方向和運(yùn)動方向 都正交，所以位置保持一個(gè)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?yàn)榇跀[脫靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)有上下的波動，并且隨著時(shí)間增加，波動逐 漸減小并趨于零。通過分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)模擬帆船在風(fēng)作用丁的運(yùn)動與實(shí)際的物理現(xiàn)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(guān) positionftlrotationqj scale-(sbodified objecto vood_oakgitr t圖2 運(yùn)動軌

11、跡面板最后生成一段船體如何在風(fēng)力作用下運(yùn)動的動畫，可以在窗口中實(shí)時(shí)預(yù)覽， 也可以渲染成通用的動畫格式文件。下圖（圖三）是reactor預(yù)覽窗口的顯示界 面。圖3 reactor預(yù)覽界面4船舶破損進(jìn)水傾覆過程仿真演示船的一個(gè)艙破損（遭到襲擊，碰撞或者觸礁），進(jìn)水并逐漸下沉，直至 傾覆的過程。4.1實(shí)驗(yàn)說明為了簡化實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)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(gè)船艙破艙后，假定只冇這個(gè)艙進(jìn)水，而且進(jìn)水過程是漸進(jìn)緩 慢的，所以每個(gè)時(shí)刻研宄對象都處于動態(tài)平衡。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)將用到了剛體模塊 和水模塊。同時(shí)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(jìn)水后，由于這個(gè)

12、艙的重量是不斷增加的，因此，將這個(gè)艙單 獨(dú)作為一個(gè)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(dá)到模擬艙內(nèi)進(jìn)水的效果。當(dāng)破艙的進(jìn)水量增人到一定程度 后，船就會發(fā)生傾覆。通過實(shí)驗(yàn)，我們可以觀察到船在各個(gè)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(shù)據(jù)。得到數(shù)據(jù)后，就可以更進(jìn)一步的計(jì)算船 所受的力，彎矩，扭矩。4.2實(shí)驗(yàn)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(cè)（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(xiàn)象。破艙位置圖4破艙的位置不意圖4.3實(shí)驗(yàn)過程船在平衡時(shí)，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(diǎn)，使用了實(shí)驗(yàn)法，由此知道，當(dāng)破艙重量達(dá)到90.4,即破 艙進(jìn)水量達(dá)到70.4時(shí)，船將發(fā)生傾覆。所以為了演示逐漸傾覆的過程，將實(shí)驗(yàn) 劃分為8個(gè)子步驟，每個(gè)子步驟中破艙重量都增加10。因此得到8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 和8個(gè)船的浮態(tài)姿勢。4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過輔助面板下的角度測量器測得下面數(shù)據(jù)，見表一：表1測量數(shù)據(jù)表進(jìn)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(jìn)水s 10，橫傾角2.243, 縱傾角0.728(2)進(jìn)水量30,橫傾角6.923, 縱傾角2.447(3)進(jìn)水量50，橫傾角13.227, 縱傾角2.349(4)進(jìn)水量70，橫傾角25.021, 縱傾角5.84(5)進(jìn)水量80，傾覆圖5傾覆過程示意圖5結(jié)論通過對前面兩個(gè)實(shí)騎的總結(jié)，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(shí)驗(yàn)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(shí)隨地更該環(huán)境參數(shù)，模型參數(shù)，運(yùn)動參數(shù)等設(shè)計(jì)變量。在分析過 程中，能夠精確而方便的得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而ii實(shí)驗(yàn)結(jié)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?yàn)閷?shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對象都是非 線性系統(tǒng)，所以仿真不可能取代實(shí)驗(yàn)，只能夠?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行前期的預(yù)測。對復(fù)雜結(jié) 構(gòu)的模型作了運(yùn)算時(shí)的簡化。受限于內(nèi)部默認(rèn)的算法，如果用戶使用其它算法， 則必須進(jìn)行二次開發(fā)。總之，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在科學(xué)工程上的應(yīng)用，快速實(shí)吋, 交互性強(qiáng)，操作方便的3dsmax仿真