0 引　言

舰船工业设计作为海洋工程技术的关键组成部分，不仅承载着国家的海洋战略与安全重任^[1]，还深刻影响着全球贸易、海上救援、科研探索等多个领域的发展。通过研究舰船工业设计方法，可以探索更加环保、高效的舰船动力系统和材料应用，降低舰船的能耗和排放^[2]，不仅有助于减少对环境的污染，还能提升舰船的能效和续航能力。

杨尧等^[3]利用模糊聚类分析划分住舱模块，并通过近端梯度（PGA）算法进行多目标优化计算，得到船舶住舱布局优化设计方案。该方法主要依赖于数学和算法模型进行优化，无法提供沉浸式体验，用户无法直观地“走进”设计后的住舱空间进行感受。汪俊泽等^[4]通过快速调整船舶中剖面形状，以减阻和增载能力为目标，建立船舶中剖面优化设计模型，通过遗传算法求解该模型，得到船舶中剖面优化设计方案。该方法主要通过遗传算法对船舶中剖面进行优化，虽然能够得到优化结果，但整个优化过程缺乏直观的可视化展示，用户难以直观地理解优化前后的差异。陈振霖等^[5]利用改进飞蛾扑火优化算法（IMFO）进行船机桨匹配设计，综合考虑螺旋桨的推进效率、空泡性能和桨叶强度。该方法虽然能够综合考虑螺旋桨的多个性能指标进行优化，但无法直观地展示船机桨匹配后的实际效果，如螺旋桨在水中的运动状态、推力分布等。Aguiari 等^[6]通过参数化设计方法来优化船体尺寸（船长、型宽和型深等），以有效减轻船舶重量。虽然该方法能够通过参数化设计来减轻船舶重量，但用户无法直观地感受到重量减轻对船舶性能（如航行稳定性、燃油效率等）的具体影响。

虚拟现实技术能够为用户提供沉浸式的体验，使用户仿佛置身于真实的舰船环境中，有助于用户更深入地理解舰船的设计细节和整体布局，提高装配规划效率，减少实体零件损耗带来的成本。为此，研究虚拟现实技术在舰船工业设计中的应用方法，可推动舰船制造行业的转型升级，提升整个行业的竞争力和技术水平。

1 舰船工业设计 1.1 基于虚拟现实技术的舰船零部件三维模型建立

虚拟现实技术能够创建出精确且高度真实的舰船零部件三维模型。这些模型不仅具有精确的尺寸和形状，还能模拟真实的材质和纹理，使设计师能够更直观地理解零部件的构造和性能，提升舰船工业设计效果。舰船零部件三维效果图的设计结构比例为：

$ g = \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}} /s 。$

(1)

式中：$ n $为舰船零部件数量，包含甲板、传动设备等；a_i为第$ i $个零部件平面的实际尺寸；s为虚拟环境比例尺。

按照式(1)的船零部件三维效果图的设计结构比例$ g $，结合零部件设计需求的详细形状、材质和颜色等信息^[7]，绘制零部件三维效果图，结合虚拟现实技术，建立舰船零部件三维模型，帮助用户直观且深入地理解舰船的设计细节，建模流程如图1所示。

利用虚拟现实技术，建立舰船零部件三维模型的具体步骤如下：

步骤1　输入舰船零部件三维效果图，包含用户设计的舰船零部件的三维效果图。

步骤2　将输入的舰船零部件三维效果图导入3DS Max软件中。使用3DS Max的建模工具对模型进行调整，包括形状、尺寸、比例等方面的修正，以确保模型与设计要求相符。

步骤3　对调整后的舰船零部件三维模型进行检查，评估其是否满足设计要求。如果模型不符合需求，则返回上一步，继续进行调整。

步骤4　在模型满足需求后，进行三维模型处理，包括添加材质、纹理、光照等，以提高模型的逼真度和视觉效果。

步骤5　评估处理后模型的逼真度。如果模型逼真度不足，则返回上一步，继续进行优化处理。

步骤6　在模型逼真度满足要求后，开始制作模型动画。动画应展示模型的运动状态、装配过程等，以帮助用户更好地直观理解舰船零部件的设计和功能。

1.2 舰船工业设计的碰撞检测

在虚拟环境中，舰船零部件之间的碰撞会导致舰船工业设计上的错误或安全隐患。通过碰撞检测，可以及时发现并修正这些潜在的碰撞问题，确保舰船工业设计的安全性，还可以避免在实际制造或装配过程中因设计错误而导致的损失。利用混合层次包围盒算法，在虚拟环境中，对建立的舰船零部件三维模型进行碰撞检测，具体步骤如下：

步骤1　输入待检测的舰船零部件三维模型C₁与C₂，建立混合层次包围盒，内、外层包围盒是$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $、$ Q $；$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $的表达式如下：

$ \begin{aligned} &C_1C_1C_2C_2=\left\{(x,y,z)|X_{\min}\leqslant x\leqslant X_{\max}, \right.\\ & Y_{\min}\leqslant y\leqslant Y_{\max},Z_{\min}\leqslant z\leqslant Z_{\max}\left.\right\}。\end{aligned} $

(2)

其中：$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $在$ X $、$ Y $、$ Z $轴上的最大、最小投影值为$ {X_{\max }} $、$ {Y_{\max }} $、$ {Z_{\max }} $、$ {X_{\min }} $、$ {Y_{\min }} $、$ {Z_{\min }} $。

步骤2　分析C₁与C₂是否在根节点位置，如果C₁与C₂都是根节点，如果是，则继续步骤3；如果不是，则直接判断为不相交。

步骤3　对C₁与C₂展开初步外层包围球相交测试，迅速去掉无相交关系的舰船零部件三维模型，如果存在相交关系，那么继续步骤4。

步骤4　通过$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $对$ {C_1} $、$ {C_2} $展开包围盒相交检测，分析C₁与C₂是否相交，若相交，那么以对$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $展开相交检测的方式，准确分析舰船零部件三维模型在虚拟环境中是否存在碰撞现象。

步骤5　更新混合包围盒树时，先分析舰船运行时，包围盒是否在叶子节点位置，如果在叶子节点位置，那么更新$ {C_1}{C_1}{C_2}{C_2} $，反之，更新$ Q $。

步骤6　完成碰撞检测，输出碰撞检测数值，即舰船零部件的最大承载力F_max。

1.3 基于虚拟现实技术的舰船工业设计

依据碰撞检测结果F_max，在虚拟环境中，装配建立的舰船零部件三维模型，完成舰船工业设计。

编码能够将零部件的几何形状、尺寸、材质、功能等关键信息整合到一个标识码中，方便后续信息的管理和检索。装配人员可以根据编码信息快速找到所需的零部件，并按照正确的顺序和方式进行装配，加快装配效率。通过编码的验证和匹配，可以避免使用错误的零部件或采用错误的装配方式，确保装配质量，进而提升舰船工业设计质量。舰船零部件三维模型的编码结果如表1所示。

在虚拟环境中，输入舰船零部件三维模型的代码，自动装配舰船零部件三维模型，完成装配后，通过虚拟现实技术演示舰船航行过程，分析各舰船零部件三维模型的灵敏度r_i，公式如下：

$ {r_i} = \int_{{t_0}}^t {D\alpha h_{{t_i}}^{}f\left( {{t_i}} \right){\rm d}h} 。$

(3)

其中：$ D $为虚拟现实技术演示的舰船航行距离；t₀、$ t $分别为演示开始、结束时间；$ \alpha $为固定参数；t_i为灵敏度测试时间点；$ h_{{t_i}}^{} $为第$ i $个舰船零部件三维模型的契合指标；f(t_i)为最佳检测时间。

依据r_i设置每个舰船零部件三维模型的碰撞冲击力度$ F $，结合碰撞检测结果F_max，调整舰船零部件三维模型的设计结构比例，当全部舰船零部件三维模型的r_i均符合设计要求时，则输出舰船工业设计结果。

2 实验分析

本次实验旨在验证本文方法的有效性，本文方法利用虚拟现实技术中的3DS Max软件设计舰船零部件三维模型，并利用虚拟现实技术，装配全部舰船零部件，完成舰船工业设计。

利用本文方法建立舰船零部件三维模型，以甲板为例，甲板三维模型建立结果如图2所示。可知，本文方法可有效利用3DS Max软件，建立甲板三维模型，且建立的三维模型清晰度较高，可以帮助用户直观且深入地理解舰船的设计细节。

在虚拟环境中，利用本文方法对舰船零部件三维模型进行碰撞检测，以甲板与主机三维模型为例，碰撞检测结果如图3所示。根据图3(a)可知，对甲板三维模型与主机三维模型进行外层包围球相交检测时，二者存在相交现象，需要采取进一步的措施来精确判定其空间关系；根据图3(b)可知，本文方法可有效对甲板三维模型与主机三维模型进行外层包围盒相交检测，检测结果为二者无相交现象。

利用本文方法进行舰船零部件三维模型装配，并依据碰撞检测结果，调整舰船零部件三维模型的设计结构比例，得到最终的舰船工业设计结果，如图4所示。可知，本文方法可有效利用虚拟现实技术，完成舰船工业设计，并以可视化的形式，清晰地呈现舰船外部结构与内部结构。

舰船工业设计的总能耗需求为低于100 W·h/km⁻¹，本文方法设计的舰船，在虚拟环境中航行时，其航行总能耗如图5所示。可知，本文方法设计的舰船，在虚拟环境中航行时，对水航速越大，舰船总能耗越大，当对水航速接近7 km/h时，舰船总能耗趋于稳定，稳定在75 W·h/km左右，显著低于设计需求，说明应用本文方法设计的舰船，其总能耗较低。

3 结　语

虚拟现实技术在舰船工业设计中的应用，为传统设计模式带来革命性的转变。通过构建三维模型，设计师能够以前所未有的直观性和互动性进行舰船设计，极大地提升设计的精确度和效率。该技术不仅允许设计师在虚拟空间中自由探索、修改和优化舰船的每一个细节，从外部轮廓到内部结构，都能实现精准操控，而且有效降低物理原型制作的成本和时间。