摘 要

随着计算机技术的发展，虚拟现实技术因其广泛的适用性逐渐成为当前炙手可热的新技术。虚拟现实(Virtual Reality)，简称VR技术也称灵境技术或人工环境，其原理是利用计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。

正如其它新兴科学技术一样,虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。可以预见，虚拟现实技术在船舶行业也有着广大的发展空间，通过构建仿真实验室对船员进行实操技能培训，能够大大改善教学质量并提高其灵活性，另外也能通过移除实体设备来降低一系列的安装、维护等成本问题，这对整个行业的发展起着非常积极的作用。

本文所做工作是基于3dmax环境下对船舶伙食冷库系统进行仿真建模，目的是实现在虚拟环境下对船员进行技能培训的辅助教学。

关键词：虚拟现实；船舶伙食冷库；3dmax

Abstract

With the development of computer technology, virtual reality technology has become a hot new technology because of its wide applicability. Virtual reality, referred to as VR technology, is also called mental technology or artificial environment, Its principle is to use computers to create a human virtual environment. This virtual environment is a three-dimensional digital model made up of computer graphics and is compiled into a computer to generate a comprehensive and perceptible environment with visual perception, including hearing and touch, so that a sense of immersion in the environment can be created visually and can be directly observed and operated. Touch, detect the surrounding environment and the internal changes of things, and can have a "interaction" effect, so that people and computers are well "integrated", giving people a feeling of "immersive". Virtual reality technology has a vast development space in the shipbuilding industry. Through the construction of simulation laboratory, the training of practical skills for the crew can greatly improve the quality of teaching and improve its flexibility. In addition, it can also reduce the cost problems of a series of installation and maintenance by removing the physical equipment, which is the development of the whole industry. It plays a very positive role.

This paper is based on the 3DMAX’s environment to creative simulation modeling about ship food cold storage system, the purpose is to achieve the auxiliary training for crew training.

Key Words：Virtual reality; Ship food cold storage system;3dmax

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 虚拟现实技术的国内外研究现状 1

1.2.1 国际现状 1

1.2.2国内现状 2

1.3 船舶伙食冷库的发展现状 2

1.4 毕设主要内容 4

1.5 本章小结 4

第2章 建模软件及内容介绍 1

2.1 软件简介 1

2.2 船舶伙食冷库系统及几个主要设备的介绍 2

2.2.1 系统及原理简介 2

2.2.2 活塞式制冷压缩机 3

2.2.3 蒸发器 5

2.2.4 冷凝器 6

2.3 本章小结 6

第3章 基于3dmax的船舶制冷装置仿真建模 1

3.1 建模对象及相关介绍 1

3.2 建模过程的详细介绍 4

3.2.1 3dmax的工作界面简介 4

3.2.2 冷库外型建模 5

3.2.2 空气冷却器的建模 9

3.2.2 活塞压缩机及管道离心泵的建模 11

3.2.5 管路的制作 13

3.3 本章小结 13

第4章 模型优化 15

4.1 材质编辑器的使用介绍 15

4.2 模型材质编辑的过程 15

4.3 灯光设置与渲染 16

4.4 本章小结 18

第5章 总结与展望 19

5.1 总结 19

5.2 展望 19

致 谢 20

参考文献 21

绪论

本毕业设计的主要工作为确定以船舶辅机操作实训设备双温教学冷库为仿真建模对象，通过3dmax建模软件，实现实体设备在虚拟环境下的等比例再现。

1.1 研究背景与意义

随着科学技术突飞猛进的发展，当今社会已经全面迈入了信息化时代，在这样一个宏大的背景下，虚拟现实技术作为异军突起的新星，在各行各业中逐渐扮演起至关重要的角色。随着国际航运业的日益发展和科技水平的不断完善，大型船舶和全自动化船舶运营的难度与日俱增，因而对船舶管理人员的管理水平要求越来越高，如今，在船舶行业，想要训练出一位合格的船员，就必须要投入大量的成本来建设训练基地，通过配置相应的教学设备来保证教学质量，这时，各式各样的问题就会开始暴露：设备的安装维护、系统的更新换代等等，这些问题始终与高额的成本挂钩，严重阻碍着行业的长远发展。但如今，随着虚拟现实技术的崛起，这些成本问题迎来了新的可能，通过建设船舶虚拟仿真系统，在既能够达到教学的目的的前提下，又能够解决传统设备所面临的安装维护、更新换代等成本问题，这将对整个行业的发展起着非常积极的作用。现今，虚拟现实技术在船员培训中的前景已经得到了国内外的广泛认可，随着一带一路政策的推广以及全面建设“海上丝绸之路“的愿景，我国对高级船员的需求越来越高，为了早日实现成为海上强国的目标，必须紧跟国际航运发展的大旗，大力发展船舶仿真系统。

船舶仿真模拟系统已成为广大船员实训、考核的主要手段之一。与实物仿真和混合仿真相比，它克服了成本高，可扩展性差等缺点，更具有发散性、灵活性，符合船员培训的实际需求。

利用船舶制冷仿真系统对轮机员进行训练有以下优点:

（1）经济性:与真实的系统相比，其维修和保养费用可大幅度降低。

（2）安全性:学员的误操作、故障训练及应急操作不会引起设备损坏或人身

安全等严重后果。

（3）全面性:在仿真的环境下，可以进行一些实操教学中无法进行的具有一定危险性的故障排除演练，这更加有利于帮助学员掌握系统原理和应变操作处理的能力。

（4）灵活性:教练员可根据不同的教学要求和自己的经验积累，不断优化生成各种新的训练项目和内容。

因此，开展对包括船舶制冷系统在内的轮机模拟器的建模研究，是非常有必要的。

1.2 虚拟现实技术的国内外研究现状

1.2.1 国际现状

1932年，英国作家阿道司·赫胥黎创作了长篇科幻小说《美丽新世界》，在这本小说中，他畅想了经由科技所浇溉的全新的未来世界，首次提出并描绘了虚拟现实设备的大体轮廓,引发了全民风潮。趁着热潮尚未褪去，1940年，美国政府正式进行虚拟现实技术的研究与探索，并首次将VR技术应用到现实中，在对飞行员、宇航员的训练中取得非常大的成效，然而随着苏联解体，冷战结束，美国军方的军费开支大大缩减，虚拟现实技术的开发受到了很大的阻碍，但是由于虚拟现实技术在当时已经初具雏形，许多民营科技公司开始拾起这一交接棒，开始探索虚拟现实技术在其他领域的可能性，从此，虚拟现实技术开始逐渐踏入民用领域。截至到今天为止，虚拟现实技术的发展建树颇丰： 2008年美国国立精神卫生研究所应用 VR 技术研究治疗创伤后应激综合征 ( PTSD) ，已经取得良好效果；伊利诺伊卫斯理大学的研究人员应用 VR 技术研究人们的性行为选择，来研究如何降低HIV的传播；IBM公司将VR技术与互联网技术相结合，开发出了应用程序Bluegrass，这款软件能够建立虚拟会议室，提高办公效率。

1.2.2国内现状

我国对于VR技术的研究正式开展于上世纪90年代初，起步较晚，但随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的飞速发展，VR技术已经得到国家中科院、国防部等部门相当高的重视，VR技术的研究已被列为重点攻关项目。目前，以清华北大为首的高等院校成为了推动VR技术发展的中坚力量：北京航空航天大学作为国内最早开始研究虚拟显示技术的单位，最早构筑了VR技术平台，并向走在前列的国家取经，成功研发了可用于飞行员、宇航员培训的VR训练设备，并且对VR环境下模型的显示与优化进行了深入的探索与研究，提出了新的程序算法；清华大学国家光盘工程研究中心采用了QuickTime 技术完成了全景VR制的布达拉宫模型，上海大学CIMS中心开发了一套基于IRIX的虚拟科技园区环境实时漫游系统等等，但是目前，我国仍与众多发达国家相比核心技术落后很多。

1.3 船舶伙食冷库的发展现状

由于船舶冷藏仓室结构复杂多变,且工作环境较为恶劣,冷库的各模块(库板)必须具有有强度高、绝缘性好、重量轻、耐腐蚀、外观美观等特点, 并能够适应各种环境，便于工厂预制、现场调配。模块式组合冷库在中国已经进行了十多年的发展，目前国内许多厂家已经能生产出与国外冷库产品结构一致、质量相当的产品了，甚至在隔冷性能上能够做到优于国外的产品,与10多年前相比，可以说有了质的飞跃,并且由于成本相较低廉，受到了许多船厂的青睐与赞誉。近年来,随着世界船用冷库技术的不断发展,目前在国内的主流模块(库板)结构有插片式与偏心钩式两大类。

图1.1靠粘合剂粘合的连接结构

图1.2靠偏心钩粘合连接结构

图1.3靠聚合物型偏心钩连接结构

第一种产品结构，如图1.1所示，其连接主要由粘合剂粘接，中间的插片有两个作用：一是发挥定型定位的作用，二是增加粘结面积，增加大库板之间的连接强度，因此，其它的优点是结构简单，缺点是由于只有粘结剂粘接会导致连接强度和拆卸能力较差，它通常应用于平面连接中。第二类产品结构如图1.2、图1.3所示，从图可见它所有库板间的连接是靠预埋在库板间的金属偏心钩锁来实现的,且库板之间结合为凹凸型配合,因此它具有连接强度高、定位精确、连接处保冷好、连接稳定可靠等优点。但是结合图1.2与图1.3,图1.2的库板容易受到PU材料的温度及尺寸稳定性影响，因此库板容易变形且尺寸不稳定, 此外，由于粘接强度不足，埋入板内的内偏心钩容易松动，因此不适合在船上使用。图1.3的结构结合了前两种存在问题,采用了适用于船舶并且经过特殊方法制造的聚合物型材来作为库板的框架,能显著提高库板的刚性、平直度及尺寸稳定性,凹凸型接合面光滑平整，可使连接更紧密，保温性能更好。

目前国外冷库产品的模块(库板)结构基本上都是采用上述图1.3的结构,偏心钩锁预埋在两面金属薄板中，使用不同聚合物型材来做板的框架，制作板时生产工艺均采用机器压力充泡,模具热压成型的方法，做到一次成型,通过这样的手段能提高板的连接强度、结构刚性、隔冷性能。

1.4 毕设主要内容

本毕设主要参与船舶制冷装置基于3dmax的建模仿真工作，承担的任务主要包括：

（1）学习并利用3dmax软件对船舶伙食冷库进行仿真建模，

（2）熟悉船舶制冷装置的基本组成及工作原理；

（3）基于所学专业知识，对船舶伙食冷库系统进行建模，主要包括：压缩机组、储液器、蒸发器、冷凝器、风机、管路、阀件、控制箱等，并进行纹理和材质处理；要求部分阀件、按钮可操作。

1.5 本章小结

本章列举了虚拟现实技术以及船舶伙食冷库目前的国内外发展现状，介绍了船舶制冷装置的仿真系统与的优点及发展的迫切性。

第2章 建模软件及内容介绍

2.1 软件简介

3D Studio Max，常简称为3d Max或3ds MAX，是由Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件[2]。它的前身是基于DOS操作系统开发的3D Studio系列软件，在Windows NT出现以前，SGI图形工作站把所有工业级的CG制作都垄断了，但是由于3D Studio Max Windows NT组合的出现，CG制作的门槛被大大降低，许多业余爱好者也能制作一些简单的CG动画。目前3dmax已经得到业内广泛的认可，前些年大热的电影《阿凡达》的CG动画就是利用3dmax制作的，许多游戏制作者也会在制作游戏角色的模型时选择3dmax来制作等等。

选择 3Ds Max 软件作为本文研究对象的建模软件具有以下特点和优势：

（1）对于PC系统的配置要求低 ，软件优化好；

（2）拥有丰富的插件（plugins），这些插件能提供3dmax原本所不具有的功能，因此大大加强了3dmax的泛用性 ；

（3）可堆叠的建模步骤，使制作的模型有非常大的灵活性；

（4）在国内使用者众多，素材资源丰富，学习过程中能得到很多帮助；

图2.1 3Dmax2015启动界面

2.2 船舶伙食冷库系统及几个主要设备的介绍

2.2.1 系统及原理简介

作为船舶设备中不可缺少的部分，船舶伙食冷库能否正常运行影响着船上全体人员的日常生活。对于长航线的大中型海船而言，一般设有鱼库、肉库、蔬菜库、乳蛋库和干货库等船舶伙食冷库，对于短航线船舶，则设有高温库（0^o以上）和低温库（0^o以下），如果船上人数较多，则会根据实际人数增加库间。船舶辅助设备训练设备双温教学冷库是一种典型的蒸汽压缩式制冷系统，它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成，并通过管路组成了一个封闭系统，制冷剂在制冷系统中循环，与外部进行热交换来实现制冷。

图2.2 船舶伙食冷库系统

船舶伙食冷库系统的工作原理是位于蒸发器中的低压冷剂从冷库中吸热,冷剂本身汽化成蒸气后在蒸发器出口处变成过热蒸气，这些蒸汽被压缩机源源不断的抽走、压缩，当达到冷凝压力时，进入冷凝器，在冷凝压力下等压冷却冷凝成液体，这些冷剂通过膨胀阀节流降压，部分液体气化，形成气液混合物，混合物进入蒸发器后，从被冷却的物体中吸取气化潜热，重复之前的过程，进行周转循环。

压缩机主要由：膨胀阀、蒸发器、压缩机、冷凝器四部分组成，它们的作用是：

膨胀阀——调控冷却剂的流量,并使流过的冷却剂节流降压

蒸发器——使流经其中的冷却剂吸热气化

压缩机——抽吸蒸发器产生的冷却剂气体并将其压送到冷凝器中

冷凝器——使送来的冷却剂气体降温并冷凝。

其原理图如图2.3所示

图2.3冷库原理图

2.2.2 活塞式制冷压缩机

活塞式制冷压缩机主要由工作腔部分、机座部分及辅助系统(润滑、冷却)等三大部分组成，如右图所示

活塞式制冷压缩机的结构：压缩机主要由机身、曲轴、连杆、活塞组、阀门（气阀）、轴封、油泵、等部件组成^[15]。

活塞式制冷压缩机的主要特点：

优点：

（1）适用范围广，不论流量大小，均能达到所需要的压力；

（2）热效率高，单位耗电量小；

（3）适应性强、排气范围较广，能适应较广的压力范围及冷却剂的需求；

（4）可维修性强；

（5）对材料要求低，加工容易，成本低廉；

（6）技术上较为成熟，生产使用中积累了丰富的经验；

（7）原理及操作简单；

缺点：

（1）转速不高，机器笨重；

（2）易损件多，维修成本高；

（3）排气不连续，易造成气流脉动；

（4）运转时震动较大。

图2.4 活塞式制冷压缩机

活塞式压缩机在许多用途，特别是在中小制冷范围内，是制冷机中应用范围最广、生产数量最大的一种机型。

压缩机的工作循环主要有以下四个步骤:

（1）压缩冲程：当活塞处于最下端位置（称为下死点或下止点）时，从蒸发器中产生的低压冷剂蒸汽充满了整个汽缸，在吸气冲程结束后，曲柄—连杆机构开始运动并带着活塞向上移动，此时吸气阀关闭，汽缸工作容积逐渐减小，留在汽缸内的气体开始被压缩，温度和压力逐渐增大，当这些气体的压力增大至略高于排气腔中气体的压力时，排气阀开启，开始进行排气，从进气到开始排气这整个之间的整个过程被称为压缩冲程。

（2）排气冲程：在压缩冲程结束后，排气阀开启排气，活塞向上运动，汽缸内的高温高压的蒸气不断地通过排气管向外排出，一直到活塞运动到最高位置（称为上死点或上止点）时排气结束，这整个过程被称为排气冲程^[15]。

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