本论文已经在《安徽冶金科技职业学院学报》(第28卷第3期)发表。万方数据将收录本论文,转载请标明出处。
中图分类号:TP391.414:TF573.2 识别码:B 文章编号:1672-9994(2018)03-0034-03
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基于Inventor的高炉吊装工艺仿真动画设计
陈瑶 黄炜田

摘   要:计算机三维动画的制作方法有很多。通常情况下,制作者会利用3DS MAX、Maya等软件制作。但如果一个零部件既需要制作动画,又需要对其结构本身进行进一步的分析的话,那么如果继续采用上述软件制作的话,将会面临其文件格式的兼容性问题,以及在转换过程中产生的精度损失问题。而利用Inventor软件,可以在一个软件内同时完成零部件的结构分析和照片级渲染、动画的制作,使得对零部件的建模、装配、分析、展示工作一气呵成。

关键词:Inventor;参数化;计算机辅助设计;场景仿真;方案预演


高炉炉壳安装工艺技术是高炉大修工程的一个重要环节。为了节省设计准备时间和缩短施工周期,以数字化模型和虚拟动画方式呈现设计方案和施工工艺流程,便于设计部门与施工方的交流与沟通,方便设计、施工方案的及时修改,同时降低了施工成本,减少设计错误,为避免施工误操作提供了保障。

1、Inventor软件介绍

Autodesk Inventor是美国Autodesk公司于1999年底推出的三维可视化实体模拟软件,目前已推出最新版本Inventor 2019。是市场上与DWG兼容性最好的平台,与Autocad无缝结合, 可以直接在设计环境中生成最先进的彩现和动画,操作简单做产品效果逼真且非常容易上手。

Inventor大量简化如何使用光照、材质和颜色。但提供最简便的方式来增强零件和装配体的真实感。拥用内建的焊接设计环境,可轻松地在3D中塑型焊接,并可透过模拟焊接准备、焊接以及焊后操作来提高质量。

2、模型建立

设计任务施工动画属于三维动画中的一个分支,与一般三维动画相比,制作人员既要熟悉施工技术,又要熟练地使用计算机三维建模技术来搭建真实的施工方案数字环境,最重要的一点是必须了解设备结构和施工方案,根据客户制作的施工方案和施工说明,制作单位必须能够把它转化为数字化,并用动画形式表现出客户的要求和意图。

根据提供的图纸可以看出,整个炉壳共分为17层。因此,在创建模型的时候,可以考虑先进行整体建模,再将整体拆分成17个对应层的模型,以大幅度提高建模效率。整体建模完成后,先在XY平面上建立两个任意偏移量的构造平面,并将两个构造平面的偏移量分别定义为up和down。待完成切割工作后,利用Inventor内置的Ipart功能,将前面定义的两个变量与Excel文件进行链接,再把图纸上算出的数据填写到Excel中并保存。此时,在Inventor内就能够根据Excel内的数据自动对零件进行切割,并生成出17个对应的层模型。最后切割结果如图 1所示。

图1 - Ipart编写器

图1 Ipart编写器

对于钢结构标准件,由于存在部分标准件不在Inventor内置的标准件库中,因此需要进行自行绘制标准件。这一部分可以直接绘制出对应的截面,然后利用“标准件生成器”生成一个标准件并导入到自己创建的库中,以便后续炉体框架进行调用。而炉体框架部分的设计,可以先绘制出基本的线框形状,再进入装配环境,利用“结构件生成器”功能创建对应的结构件,并隐藏基础框架(如图 2所示)。

图2 炉体框架

3、装配

Inventor提供的装配模式,和实际的装配方法非常接近。首先进入部件环境,然后将前面建模的炉体框架导入,并固定在原点。再根据图纸,将炉体相关的零部件依次装入并完成约束。所有炉体相关的零部件安装完毕后,再导入为了制作动画而单独生成的零件,如吊装用的钢丝绳。为了方便后期的动画制作,我们还需要将吊绳的间距设置为可导出的变量,以便在动画制作的时候能够被Inventor Studio调用。最后导出的变量如图 3和图 4所示。

图3 导入变量文件

图4 创建用户变量

4、动画制作

4.1 动画设计

所有装配完毕后,点击“环境”选项卡下的“Inventor Studio”按钮,进入动画模块。在这里,我们首先需要在正等轴侧位置创建一个照相机,以便后续的视角切换。再将前面创建的所有变量引入,方便后续调用,接着在0秒的位置将所有暂时不需要的零件均创建一个即时的淡显动画,以便于隐藏所有暂未被使用的零部件。最后就可以根据先前规划好的动画脚本,依次在时间轴中创建动画步骤。最后创建完毕的动画步骤如图 5所示。

图5 最后的动画时间轴

4.2 动画输出

由于Inventor软件的动画引擎限制,对于这种超长时间的动画,往往在直接制作的时候会出现导出的动画文件丢帧、噪点、色带等影响观看的缺陷。因此,在输出动画的时候,要采用“曲线”方法,利用动画序列图片输出代替直接输出动画模式,并在后续利用微软提供的AVI文件的API和Adobe Premiere进行图片序列的合并、修改,并最终得到一个经过压制的精美动画。

而直接的图像序列输出,往往需要更多的系统内存。在主机内存有限,且不能进行扩展的情况下,我们需要对动画的图像序列输出进行分割。本次动画的时长为130秒,按标准动画的24帧/秒来计算,共生成3120张图片,每张图片的平均大小按5MB计算,共需要15.24GB的可用空间。根据以往的分割经验,以30秒(720帧)作为一个分割周期最为合适。因此,整个动画就被分成了5次进行输出。在分割输出完毕后,删除第二次到第五次输出文件夹下的第一个文件(第0帧),再把五次输出的文件名按照顺序排序,再利用微软的相关API进行序列合并,可以得到18个视频文件。最后再把这些文件导入到Premiere中,添加标题、片尾、作者等基本信息。对部分Inventor无法实现的项目(如语音、字幕、特效)进行合并(如图 6所示)。最后将媒体导出,整个动画就此制作完毕。

图6 在Premiere中进行后处理

5、结语

仿真动画技术的出现与应用,更好地让基层员工了解整个施工的流程,降低了他们对于施工技术文件的理解难度。大大提升了检修质量,提高了检修效率,减轻了检修人的劳动强度。有利于推动企业的经济发展和技术进步,增强企业的竞争能力。

运用Inventor软件的参数化设计功能,为高炉设计、维护和安装建立了参数化模型,对类似产品的参数化设计也有一定的参考价值。


参考文献

  • 陈伯雄. Inventor机械设计解析与实战:专业篇[M]. 北京:化学工业出版社,2013
  • 陈伯雄. Inventor机械设计应用技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2002
  • 袁海峰. Inventor与3ds max结合实现内燃机车JZ-7空气制动机仿真动画[J]. 科学中国人,2015(11),68-71
  • 袁海峰. Autodesk Inventor与3ds max结合实现联合调节器仿真动画[J]. 科技展望,2015(2),113-114
  • 袁洁,尹志宏,朱佳明. 基于Inventor的往复式切割器动刀片强度有限元分析[J]. 机械制造,2016(11),12-13、17
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