摘 要

随着现代计算机技术及配套设备迅速发展，虚拟现实技术逐渐成为目前热门研究学科。虚拟现实技术（virtual reality）也常被称作虚拟实境，一般简称为VR，也被称作灵境技术或人工虚拟环境。其原理是通过电脑进行计算模拟生成一个三维空间的虚拟平台，为使用者提供触觉、视觉、听觉等感官上的虚拟体验，给使用者带来仿佛置身于其中的感受。因此虚拟现实技术已被越来越广泛的应用在各个领域中。

虚拟现实技术在工业上有着极为有效的应用。例如精密仪器的操作培训，通过运用虚拟拆装技术可以有效增加培训效率及熟练程度，减低不必要的经济损失。再者例如大型机器的安装与拆卸工作，现实中进行拆装练习存在工作量大，相关工作繁重的缺点。通过虚拟拆装可以增加工作人员对大型机器的结构了解并增加对相关组件拆装的经验并有效降低培训时长。

本论文目标是对某生产实习船的轴系部件运用3ds max软件进行建模。然后研究船舶主推进装置的虚拟安装工艺。使人们可以直观，方便的了解轴系的安装过程和步骤。

关键词：船舶轴系；三维建模；安装工艺；3ds max

Abstract

With the rapid development of modern computer technology and ancillary equipment, virtual reality technology has become the current popular research disciplines. Virtual reality, also known as virtual reality, generally referred to as VR, also known as spiritual environment or artificial virtual environment. The principle is to simulate the computer to generate a three-dimensional virtual platform, to provide users with tactile, visual, auditory and other sensory virtual experience, to the user as if immersed in one of the feelings. So virtual reality technology has been more and more widely used in various fields.

Virtual reality technology in the industry has a very effective application. Such as precision instrument operation training, through the use of virtual disassembly technology can effectively increase the training efficiency and proficiency, reduce unnecessary economic losses. In addition, such as large-scale machine installation and demolition work, the reality of the disassembly practice there is a large workload, the heavy work of the shortcomings. Through the virtual disassembly can increase the staff of the structure of large-scale machine to understand and increase the experience of the relevant components disassembly and effectively reduce the training time.

The purpose of this paper is to model the shafting parts of a practical ship by using 3ds max software. Then the virtual installation technology of ship main propulsion device is studied. So that people can intuitively and conveniently understand the installation process and steps of the shafting.

Key words: marine shafting ; 3D modeling; installation technology; 3ds max

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2 虚拟现实技术及虚拟装配介绍 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 3

1.4主要研究内容与技术手段 3

1.4本章小结 4

第二章 船舶轴系及螺旋桨安装工艺 5

2.1 船舶轴系的作用与组成 5

2.2 确定轴系理论中心线 6

2.3镗削轴系孔 8

2.4艉轴管、轴承及艉轴等的安装 9

2.4.1艉管安装 9

2.4.2中间轴承座安装 10

2.4.3艉轴、中间轴及轴封的安装 11

2.5轴系校中及固定 11

2.6螺旋桨的加工和装配 12

2.6本章小结 13

第三章 三维建模常用软件 14

3.1 常见三维建模软件及其简介 14

3.1.1.通用全功能3D设计软件 14

3.1.2.行业性的三维设计软件 14

3.2 3DS MAX软件介绍 14

3.3 本章小结 15

第四章 基于3ds max的船舶主推进轴系建模 16

4.1 建模对象及相关认识 16

4.2 中间轴及艉轴部分建模 17

4.3 艉轴管装置部分建模 22

4.4 铰制孔用螺栓和螺母及中间轴承部分建模 24

4.5 螺旋桨部分建模 27

4.6 模型的组装 28

4.7 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1总结 30

5.2对于本次毕设的思考 30

5.3虚拟现实技术的展望 31

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

VR是短语虚拟现实的缩写。将其翻译成中文是虚拟现实。这个概念是在80年代初引入的，具体而言，它指的是使用计算机和最新的传感器技术在人与计算机之间创建新的交互方式。虚拟现实技术包括计算机图形技术，传感技术，人工智能技术，多媒体技术等，广泛应用于航空航天，城市规划，建筑设计，工业模拟，教育科研等领域。这项技术由于经济高效的生产和设计大大提高了行业效率。

近几年来，虚拟现实模拟技术的发展在每一天都在发生着变化。虚拟现实技术已经从计算机图形学领域扩展到视频会议，网络技术和分布式计算技术等更广泛的领域，并逐渐演变为分布式虚拟现实。虚拟现实技术正在逐渐成为新产品设计和开发中最重要的工具之一。

VR技术对于安装工艺的意义是，在机械制造的这个领域中,经常要将数以千计的零件组装到一起，组成最后需要的的机械产品,然而对于机械产品的配合设计和可装配性的错误,通常只有在最后的装配时才能狗发现产品的设计错误,从而多企业和工厂的名誉和金钱都造成了非常大的损害。使用虚拟现实技术进行机械产品的虚拟装配，产品设计可以具有不同的精度和形状，并且模拟产品的装配过程也不尽相同。用户可以通过交互式的方法来控制产品的模拟装配过程，以检查产品的设计和操作过程是否合适，在装配过程中及时发现问题，修改模型。

柴油机是一种往复式运动的机械，它使用曲柄连杆机构把活塞的往复运动转变成成曲轴的回转运动。对于用主柴油机驱动螺旋桨运动的轴系，柴油机的动力通过传动轴系，传递给螺旋桨。螺旋桨作为船只的推进器，通过旋转运动和水发生相互作用，同时产生沿着螺旋桨轴线方向的拉力或推力，借助推力轴承把这个力作用到船体上，因而实现船舶的前进与后退。轴系对于船舶的运动来说十分重要，因此提高船舶轴系的安装工艺是很有意义的。

1.2 虚拟现实技术及虚拟装配介绍

基于现代计算机技术，利用高科技技术创造一个融合现实的味觉，嗅觉，触觉，听觉和视觉的虚拟环境被称为虚拟现实技术。用户使用特别的I/O设备与物体进行交互以自然的方式创造虚拟的世界，创造身临其境的真实体验。

虚拟现实技术有三个特点：想象力，交互性和沉浸感。想象力是指通过人类的想象力形成虚拟环境。同时，这些想象是设计师思维的反映，因此在实现特定目标方面有一定的作用。交互性是指虚拟世界与人之间以平常的方式进行信息交互的过程。它的特点包括虚拟环境中人与计算机交互的速度、人机交互的有效效率、人得到的反馈。沉浸性也可以称为侵入性，是指用户觉得被虚拟世界所包围，身体与心灵完全的置身于虚拟世界。

虚拟现实技术的发展通常可分为：虚拟现实技术的起步探索阶段（1970年之前）；虚拟现实技术系统化、从理论走向实用的阶段（1980年至1985年）；虚拟现实技术飞速发展（1985之后到2010年）这三个阶段。

虚拟装配技术已成为数字化制造技术在制造业中研究和应用的典范。对于复杂产品，该技术可用于优化产品设计，避免或减少物理模型的生产，缩短开发周期，降低成本。实现产品并行开发，提高装配质量和效率，提高产品质量和产品售后服务。

1.3 国内外研究现状

虚拟现实是通过计算机生成的一种由多种技术手段融合的、可实现漫游三维动态视景和人与机互动的系统仿真技术。20世纪90年代中期，国外开始对虚拟安装工艺技术进行初步研究，提出虚拟现实硬件和软件，为装配工艺技术提供交互式，沉浸式，逼真，易用的虚拟场景。 随着国家有关部门和工业信息化部门等部门的大力支持，国内已取得了许多研究成果，并得到了良好的应用和推广。国内市场主要停留在桌面虚拟装配阶段，配套的虚拟环境设备相对落后。 基于VR的装配工艺技术主要是指利用虚拟现实技术建立一个高度逼真的沉浸式交互装配环境，以装配工艺设计者为中心，根据相应的知识和经验，在计算机上建立产品零件装配顺序和三维装配路径，通过装配仿真分析来检查各种设计和工艺问题，最终得到科学，系统的产品装配计划。

1.3.1国外研究现状

由于国外对虚拟装配技术的支持比较大，加之研究的基础条件较好，所以发展势头非常迅猛。特别是近些年来，许多工业化的国家都把研究重心放在了虚拟制造的应用上来。德国比勒费尔德大学的人工智能和虚拟现实实验室将虚拟现实交互技术与人工智能技术相结合，基于构建工具箱的概念开发虚拟装配系统CODY。CODY是基于三维交互式的虚拟装配系统,它允许设计者在虚拟环境中通过直接三维操作或简单的人机对话与系统交互,利用标准的机械零件构造复杂的装配产品。日本的N.Abe等开发了机械部件装配验证与装配机器的可视化系统，支持基于CATIA / CAA平台的虚拟装配路径规划研究，设计人员可以在虚拟环境中进行装配分析和性能评估，装配机器的初学者可以进行系统操作培训。

1.3.2国内研究现状

国内虚拟装配的研究属于初级阶段。 由于其潜在的前景，近年来，它引起了政府部门和科学界的关注。 它进行了大量的研究工作，并取得了大量的研究成果。 中国科学院院士田峰提出了虚拟装配的三维互动平台。 该平台采用虚拟现实技术中常用的“工具隐喻”。 用户可以在虚拟装配环境中导航并与虚拟对象进行交互。 在文章中，作者定义了汇编领域常用的三维交互原语，并实现了交互。 语言的捕获，解释和处理。 同时，它封装了三维图形构造，组件间的约束以及碰撞检测。哈尔滨工业大学机械工程学院对机构的三维运动模拟进行了大量的研究。他们使用该机构的三维模拟软件成功地模拟了一些常见机制的运动状态。基于此，他们增加了一些计算机辅助设计和分析功能。

1.4主要研究内容与技术手段

本课题以船舶主推进轴系为研究对象，对目前国内外船舶安装虚拟现实技术的成果及现状进行分析和研究，预测和总结今后船舶虚拟安装技术的发展趋势，对已有的建模技术进行分析、探讨和研究，并将这些技术及研究成果运用到船舶主推进轴系的设计安装领域。

船舶推进轴系统的作用是将主机的动力传递给螺旋桨，并将螺旋桨旋转产生的推力传递给船体，从而达到推进船舶的目的。因此，设计传动轴及其配套部件在船舶电站设计中占有重要地位。船舶推进轴系统的作用是将主机的动力传递给螺旋桨，并将螺旋桨旋转产生的推力传递给船体，从而达到推进船舶的目的。因此，设计传动轴及其配套部件在船舶推进动力中占有重要地位。本次研究需要清楚地了解船舶主推进轴系的安装工艺。这就需要先对其安装工艺有比较认真的学习和理解。这样才能正确的来制作3D模型，不会制作出不符合工艺要求的，似是而非、徒有其表的模型来。

本选题主要以船舶轴系为仿真对象，用3DS MAX来进行建模。利用虚拟现实技术，立体的展示安装的动画，使人能够更轻松和清晰的了解其安装工艺过程。

查找资料和文献，了解vr技术的应用方法，搜集并学习船舶主推进轴系的安装工艺。学习3ds max软件的使用，学会建模和动画技术。选定一个特定型号的船舶，根据已有的图纸数据对轴系以及螺旋桨用3ds max进行三维模型的建立，在利用其进行虚拟现实的动态演示。展示轴系和螺旋桨的工作状态和安装的工艺过程。

1.4本章小结

本章主要介绍了研究的目的和意义，还有虚拟现实的应用现状，包括国内外的研究现状等等。另外还介绍了本次论文的主要研究内容，和即将使用的实现和手段，既利用3ds max 对船舶主推进轴系进行建模。

第二章 船舶轴系及螺旋桨安装工艺

2.1 船舶轴系的作用与组成

船舶的轴系一般来说指从主机曲轴的末端或减速齿轮箱端部法兰到尾轴或者传动轴的传送动力的装置。它的主要部件为：推力轴和其轴承、中间轴及其轴承、尾轴或螺旋桨轴及尾轴承、人字架轴承、尾轴管还有密封装置、各轴的联轴节。有些船舶还另外有短轴，用于调整轴系长度。此外，还有隔舱壁填料函和带式制动器等。

船舶轴推进轴系的作用就是将动力从主机传递到螺旋桨。螺旋桨旋转后产生的轴向推力通过轴系传递到推力轴承，然后通过推力轴承传递到船体，使船舶向前或向后移动。

人类文明进入工业社会之后，机械动力在很大程度上取代了人类和动物的力量，船舶动力系统也经历了从人类系统向机械系统的演变。目前，船舶动力系统主要包括燃气轮机动力系统，柴油动力系统，混合动力系统，电力推进动力系统等。船舶动力系统的核心部分之一是船舶轴系，其也发生了很大的变化。此刻它的组成已经变得稳定。。

近年来船舶工业的迅猛发展使得船舶吨位不断增大，如今数十万吨的巨型轮船已成为船舶的发展趋势。船舶吨位的增长增加了从机舱到船尾的距离，特别是那些主机舱位于船体中部的船舶，这种船只的轴系可能长达100米。这么长的传动轴系， 如果把它制成一个整体，那是不现实的。因此，为了方便制造加工、吊运、及拆 装维修，通常将轴系设计分为许多节并用联轴节按照轴线要求加以联接。其组成如图2-1所示，一般包括如下组件：

1-螺旋桨；2-艉尖舱壁；3-艉轴管；4-艉轴管前密封；5-舰轴管首轴承；6-艉轴管舰轴承轴承；7-连轴法兰；8-蝶旋桨轴；9-中间轴轴颈；10-隔壁仓填料函；11-隔壁仓：12-连接法兰：13-推力轴；14-推力环；15-飞轮或减速齿轮

图2-1 船舶推进轴系组成图

1推力轴：联轴节在其前端与主机或变速箱的输出联轴器连接，后联轴节与中间轴的联轴节连接。止推轴和止推轴承组合为一体部件。

2推力轴承：当螺旋桨工作时，它承受推力轴承所传递的推力，并将推力通过自身传递给船体，从而使船体前进或后退。

3中间轴：用于连接艉轴和推力轴。

4中间轴承：主要用于承受中间轴的径向载荷及其重量。

5隔舱填料函：用来保持轴系穿过水密隔仓处的水密。

6艉轴又称螺旋桨轴：主要用于中间轴和螺旋桨的连接，同时于驱动螺旋桨的旋转。

7艉轴管：用于支撑艉轴和螺旋桨，并使得它们可以在其中转动。此处一般还要安装油封或水封的装置，用来保持密封性。

8艉轴管支承：首要用来支承艉轴管，造船厂在新造船舶时，为了确保轴线质量和艉轴管能够准确安置，平常都需在现场对艉轴管支承的孔径进行镗削。

9螺旋桨：螺旋桨一般安装于船的艉部，并且沉入水中，和主机之间用钢轴联结并作旋转运动。在螺旋桨转动时，桨叶推动水向后，由于水的反作用力而推船向前进。

2.2 确定轴系理论中心线

轴系理论中心线的测定：

①轴系理论中心线

轴系的理论中心线不是轴系中轴的中心线，而是艉轴管孔、隔舱壁孔和各轴承孔中心的连线。它与轴系中轴的中心线不同，两者在各轴承位置处相差轴下轴承间隙的一半。当采用合理校中等方法安装轴系时，轴系实际中心线应为为一曲线。轴系工作区域内艉柱轴毂上与艉轴管配合的孔、人字架中与轴承配合的孔以及轴系隔舱壁孔等，在机械加工时应保证各孔中心位于轴系理论中心线上。轴承座、主机座等位置的检查和加工也是以轴系理论中心线为基准，因此需进行轴系理论中心线的测定。

②测定条件

A）在主机和轴系系统的工作区域，完成安装主甲板上，下主体结构，完成影响船体总体强度的主要焊接装配工作；

B）机舱及相邻部件的双层底，油箱和水箱的密封性测试等全部完成，并且稳定24小时；

C）与轴系相关的部件，例如轴承座、主机座和人字架等都已经装配焊接完毕；

D）船体垫墩，侧支承合理，牢固可靠；

E）船体的基线符合其规定的要求，并且应具有船体基线变化的测量数据；

F）建议在阴天或傍晚进行测量，以防止由于暴露在阳光下而导致船体变形；

G）保持船内的安静，停止部分工作，例如火工校正等敲击和振动等。

满足以上条件后就可以使用拉线法来确定短轴系船舶的轴系中心线。

拉线法有两种方式：一种是吊锤法，另外一种是用螺栓拉紧法。在拉线测定轴系理论中心线前，需要在钢丝通过的隔舱壁上开个孔，孔的位置按轴系中心线大致来确定，开孔大小为成品孔的1／3～1／2。然后是焊接拉线架。拉线架的位置通常选择在舵系的中心线后、主机的自由端前半米到一米处．其上安装钢丝活动端拉线架与固定端拉线架，并在两拉线架间拉一根直径为0．8到1．0毫米的钢丝，钢丝的自由端吊一个重物以便减少钢丝因自重的下垂量。

拉紧钢丝线拉力一般为它拉断力的70％到80％，不然容易造成其断脱。任何情况下不得利用盘曲和生锈的钢丝线，不然会造成很严重的轴系中心线确定的质量误差。

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