贯流泵机组三维建模设计及动画演示
流泵机组三维建模设计及动画演示
本论文研究大型贯流泵机组的三维模型建立以及对其组装和冷却系统的动画演示。文中以南水北调东线工程的金湖泵站为原型，结合现有技术分析了泵站三维化的基本思路，并对其制作过程做了深入的探讨，了解其三维化流程。然后以金湖泵站使用的大型后置灯泡贯流泵机组为例，阐述了贯流泵机组各零部件由二维图纸进行三维造型的详细过程，并对贯流泵使用的环境进行了虚拟。通过泵站、贯流泵虚拟仿真的过程，详细讲解了其材质贴图的表现方法与技巧。然后根据泵站的结构特点制作了泵站的漫游动画，清晰地介绍了泵站的各个组成部分以及大型贯流泵在泵站中所起的作用。完成了贯流泵组装动画的设计，通过动画一目了然地展示了大型贯流泵机组的复杂内部结构，三维化零部件的结构特点也得到清晰的展现。最后通过一个仿真动画形象生动地讲解了贯流泵电动机内风冷，外水冷的冷却原理。20191105195732
关键字：贯流泵、三维建模、动画演示、数字媒体
摘 要I
ABSTRACTII
图目录IV
表目录 VII
第1章 绪论1
1.1 研究背景及意义1
1.2 贯流泵机组发展概况2
1.3 三维动画在泵站方面的应用3
1.4 研究内容和方法4
第2章 泵站三维化设计方案5
2.1 泵站三维化思路分析5
2.2 泵站三维化总体设计流程5
第3章 贯流泵机组及泵站的三维化过程8
3.1 设计中软件的对比和选择8
3.2 贯流泵机组的建模过程10
3.3 泵站的建模设计18
3.4 材质及贴图表现20
第4章 贯流泵机组及其冷却系统的动画与渲染26
4.1 泵站漫游演示动画制作26
4.2 贯流泵机组的组装演示动画设计28
4.3 泵机组冷却系统工作原理仿真演示29
4.4 渲染测试及Vray动画渲染技巧分析 31
4.5 后期处理32
第5章 结论33
5.1 制作过程总结33
5.2 前景展望33
参考文献34
致谢36
1节 设计中软件的对比和选择
由于本次研究立足于南水北调东线工程的金湖泵站项目，所涉及的贯流泵机组都有标准的CAD图纸，在建模时务必严格按照尺寸进行高精度建模，对零部件的尺寸大小、空间位置要精确把握，以确保在组装时可以做到严密安装。而泵站的建模则不需要高精度建模，相反则需要添加一些设计要素来强化整个泵站的效果。故在建模开始之前对建模软件及建模方法进行深入探究是非常必要的，因为适当的建模方法不仅省时、省力，还能使得模型的效果更佳，达到事半功倍的效果，同时还会减轻电脑的负荷，保证在现有硬件资源的条件下能顺利完成动画的渲染工作。
一、常用建模软件的的对比
目前三维实体建模技术已经相当成熟，常用三维建模软件很多，不同行业有不同的软件，各种三维软件各有所长，根据本次建模任务的具体情况，分别对PROE、UG、Solidworks、3DS MAX建模软件进行了详细的对比分析。
（一）Proe/Engineer
Pro/Engineer系统是美国参数技术公司的产品。ptc公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer系统主要功能如下:
1．真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。
2.具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。
3.具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。
4.容易使用，可以极大地提高设计效率。
Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。pro/engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。
（二）UG
UG是Unigraphicssolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数cad/cam软件厂商所采用。
UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中ug作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月Unigraphicssolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的solidedge软件统一到parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有unix工作站版和windowsnt微机版的较完善的企业级CAD/CAM/CAE/PDM集成系统。
（三）SolidWorks
solidworks是基于windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。但SolidWorks 是以机械设计为主，是学院派人士在UGS的Parasolid内核平台下开发出来的。不太符合企业生产实际情况，而且SolidWorks程序比较大，而且对硬件要求也比较高。
（四）3DS MAX
3D Studio Max，常简称为3ds max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3ds max被广泛地应用于电视及娱乐业中。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3ds max的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3ds max 的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把3ds max的功能发挥到了极致。当前，它已逐步成为在个人PC 机上最优秀的三维动画制作软件。 3D MAX软件特点：1.功能强大，扩展性好 建模功能强大，在角色动画方面具备很强的优势，另外丰富的插件也是其一大亮点。 2.操作简单，容易上手。 与强大的功能相比，3ds max可以说是最容易上手的3D软件。 3.和其它相关软件配合流畅，如Proe、UG、Solidworks等。 4.做出来的效果非常的逼真。
二、设计中应用软件的分析与选取
同样是三维高阶设计软件的PROE和UG，很难评价其好坏， PROE是参数化建模，UG则是混合建模。在建模速度上，UG比PROE要快一些，但是修改起来较麻烦，如果要修改一个复杂的产品，那么UG没有PROE方便。另一方面PROE的曲面建模也很强大。然而对比Solidworks，若除去曲面，也就是你所设计的产品基本上都是实体或钣金等产品，那么Solidworks是最好的软件，设计和出图的速度比较快，修改出错、装配都方便，然而贯流泵模型具有太多曲面。出于以上各种考虑，最终选择了3ds Max作为贯流泵机组的造型、动画软件。先使用AutoCAD处理二维CAD图纸，了解其三视图及内部结构，然后导入三视图到3ds Max中进行模型塑造，完成材质贴图继续在3ds max进行动画关键帧的设置.
第2节 贯流泵机组的建模过程
一、贯流泵主体的建模
首先通过贯流泵机组的装配CAD图，初步了解贯流泵各个部件及其各部件间的装配关系，然后逐个详细了解零部件的CAD图纸，分析出各零部件的结构，初步绘制出其三视图，按照CAD图纸完成三视图尺寸标注，然后严格按照零件尺寸在3ds Max里开始建立三维模型。贯流泵机组的模型装配图3.1如下:贯流泵模型装配图，从装配图可以看到需要建模的零部件主要分为二部分：外壳部分、轴承部分、冷却系统部分。外壳部分包括导水帽（16）、进水管（08）、进水伸缩节（09/10）、叶轮外壳（11）、导叶体（12）、中间接管（13），电机外壳体（14）。轴承部分有轴承、进水侧径向轴承部件（21）、进水侧轴封部件（25）、叶轮部件（18）、电机侧轴封部件（26）、中间径向轴承部件（22）、推力轴承部件（24）、调节机构部件（17）、电机侧径向轴承部件（23）、联轴器（27）、电动机（28）（包含定子和转子）。下面以外壳为例介绍3ds Max里面的造型方法。
图目录
【图2.1】三维化设计思路5
【图2.2】总体设计流程6
【图3.1】贯流泵模型装配图11
【图3.2】泵站CAD部分图纸18
【图3.3】泵站模型18
【图3.4】泵站节制闸模型18
【图3.5】排涝节制闸模型19
【图3.6】泵站辅助建筑模型19
【图3.7】泵站布局19
【图3.8】泵站立体地形图19
【图3.9】假山景观模型19
【图3.10】篮球场模型19
【图3.11】金属参数设置21
【图3.12】金属材质001的效果21
【图3.13】添加HDRI贴图的方法21
【图3.14】添加HDRI贴图的效果21
【图3.15】黄铜参数设置22
【图3.16】红铜参数设置22
【图3.17】磨砂材质参数设置22
【图3.18】绿漆材质参数设置22
【图3.19】场景中水效果图23
【图3.20】水材质参数设置23
【图3.21】不添加VRayMap的水彩纸效果置23
【图3.22】草地效果24
【图3.23】天空效果24
【图3.24】草地材质设置效果24
【图3.25】天空材质设置效果24
【图3.26】V-Ray Mesh导出面板25
【图3.27】V-Ray Mesh导入面板25
【图3.28】场景中V-Ray Mesh树木25
【图3.29】渲染的V-Ray Mesh树木25
【图4.1】动画分镜头（一）26
【图4.2】动画分镜头（二）26
【图4.3】动画分镜头（三）26
【图4.4】动画分镜头（四）26
【图4.5】动画分镜头（五）27
【图4.6】动画分镜头（六）27
【图4.7】动画分镜头（七）27
【图4.8】动画分镜头（八）27
【图4.9】动画分镜头（九）29
【图4.10】动画分镜头（十）29
【图4.11】动画分镜头（十一）29
【图4.12】动画分镜头（十二）29
【图4.13】动画分镜头（十三）30
【图4.14】动画分镜头（十四）30
【图4.15】相机漫游渲光子参数设置32
【图4.16】相机漫游出图参数设置32
【图4.17】运动物体渲光子参数设置32
【图4.18】运动物体出图参数设置32
表目录
【表3.1】泵机外壳建模12
【表3.2】泵机轴承建模14
【表3.3】冷却系统建模17
本论文研究大型贯流泵机组的三维模型建立以及对其组装和冷却系统的动画演示。文中以南水北调东线工程的金湖泵站为原型，结合现有技术分析了泵站三维化的基本思路，并对其制作过程做了深入的探讨，了解其三维化流程。然后以金湖泵站使用的大型后置灯泡贯流泵机组为例，阐述了贯流泵机组各零部件由二维图纸进行三维造型的详细过程，并对贯流泵使用的环境进行了虚拟。通过泵站、贯流泵虚拟仿真的过程，详细讲解了其材质贴图的表现方法与技巧。然后根据泵站的结构特点制作了泵站的漫游动画，清晰地介绍了泵站的各个组成部分以及大型贯流泵在泵站中所起的作用。完成了贯流泵组装动画的设计，通过动画一目了然地展示了大型贯流泵机组的复杂内部结构，三维化零部件的结构特点也得到清晰的展现。最后通过一个仿真动画形象生动地讲解了贯流泵电动机内风冷，外水冷的冷却原理。20191105195732
关键字：贯流泵、三维建模、动画演示、数字媒体
摘 要I
ABSTRACTII
图目录IV
表目录 VII
第1章 绪论1
1.1 研究背景及意义1
1.2 贯流泵机组发展概况2
1.3 三维动画在泵站方面的应用3
1.4 研究内容和方法4
第2章 泵站三维化设计方案5
2.1 泵站三维化思路分析5
2.2 泵站三维化总体设计流程5
第3章 贯流泵机组及泵站的三维化过程8
3.1 设计中软件的对比和选择8
3.2 贯流泵机组的建模过程10
3.3 泵站的建模设计18
3.4 材质及贴图表现20
第4章 贯流泵机组及其冷却系统的动画与渲染26
4.1 泵站漫游演示动画制作26
4.2 贯流泵机组的组装演示动画设计28
4.3 泵机组冷却系统工作原理仿真演示29
4.4 渲染测试及Vray动画渲染技巧分析 31
4.5 后期处理32
第5章 结论33
5.1 制作过程总结33
5.2 前景展望33
参考文献34
致谢36
1节 设计中软件的对比和选择
由于本次研究立足于南水北调东线工程的金湖泵站项目，所涉及的贯流泵机组都有标准的CAD图纸，在建模时务必严格按照尺寸进行高精度建模，对零部件的尺寸大小、空间位置要精确把握，以确保在组装时可以做到严密安装。而泵站的建模则不需要高精度建模，相反则需要添加一些设计要素来强化整个泵站的效果。故在建模开始之前对建模软件及建模方法进行深入探究是非常必要的，因为适当的建模方法不仅省时、省力，还能使得模型的效果更佳，达到事半功倍的效果，同时还会减轻电脑的负荷，保证在现有硬件资源的条件下能顺利完成动画的渲染工作。
一、常用建模软件的的对比
目前三维实体建模技术已经相当成熟，常用三维建模软件很多，不同行业有不同的软件，各种三维软件各有所长，根据本次建模任务的具体情况，分别对PROE、UG、Solidworks、3DS MAX建模软件进行了详细的对比分析。
（一）Proe/Engineer
Pro/Engineer系统是美国参数技术公司的产品。ptc公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer系统主要功能如下:
1．真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。
2.具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。
3.具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。
4.容易使用，可以极大地提高设计效率。
Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。pro/engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。
（二）UG
UG是Unigraphicssolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数cad/cam软件厂商所采用。
UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中ug作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月Unigraphicssolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的solidedge软件统一到parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有unix工作站版和windowsnt微机版的较完善的企业级CAD/CAM/CAE/PDM集成系统。
（三）SolidWorks
solidworks是基于windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。但SolidWorks 是以机械设计为主，是学院派人士在UGS的Parasolid内核平台下开发出来的。不太符合企业生产实际情况，而且SolidWorks程序比较大，而且对硬件要求也比较高。
（四）3DS MAX
3D Studio Max，常简称为3ds max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3ds max被广泛地应用于电视及娱乐业中。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3ds max的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3ds max 的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把3ds max的功能发挥到了极致。当前，它已逐步成为在个人PC 机上最优秀的三维动画制作软件。 3D MAX软件特点：1.功能强大，扩展性好 建模功能强大，在角色动画方面具备很强的优势，另外丰富的插件也是其一大亮点。 2.操作简单，容易上手。 与强大的功能相比，3ds max可以说是最容易上手的3D软件。 3.和其它相关软件配合流畅，如Proe、UG、Solidworks等。 4.做出来的效果非常的逼真。
二、设计中应用软件的分析与选取
同样是三维高阶设计软件的PROE和UG，很难评价其好坏， PROE是参数化建模，UG则是混合建模。在建模速度上，UG比PROE要快一些，但是修改起来较麻烦，如果要修改一个复杂的产品，那么UG没有PROE方便。另一方面PROE的曲面建模也很强大。然而对比Solidworks，若除去曲面，也就是你所设计的产品基本上都是实体或钣金等产品，那么Solidworks是最好的软件，设计和出图的速度比较快，修改出错、装配都方便，然而贯流泵模型具有太多曲面。出于以上各种考虑，最终选择了3ds Max作为贯流泵机组的造型、动画软件。先使用AutoCAD处理二维CAD图纸，了解其三视图及内部结构，然后导入三视图到3ds Max中进行模型塑造，完成材质贴图继续在3ds max进行动画关键帧的设置.
第2节 贯流泵机组的建模过程
一、贯流泵主体的建模
首先通过贯流泵机组的装配CAD图，初步了解贯流泵各个部件及其各部件间的装配关系，然后逐个详细了解零部件的CAD图纸，分析出各零部件的结构，初步绘制出其三视图，按照CAD图纸完成三视图尺寸标注，然后严格按照零件尺寸在3ds Max里开始建立三维模型。贯流泵机组的模型装配图3.1如下:贯流泵模型装配图，从装配图可以看到需要建模的零部件主要分为二部分：外壳部分、轴承部分、冷却系统部分。外壳部分包括导水帽（16）、进水管（08）、进水伸缩节（09/10）、叶轮外壳（11）、导叶体（12）、中间接管（13），电机外壳体（14）。轴承部分有轴承、进水侧径向轴承部件（21）、进水侧轴封部件（25）、叶轮部件（18）、电机侧轴封部件（26）、中间径向轴承部件（22）、推力轴承部件（24）、调节机构部件（17）、电机侧径向轴承部件（23）、联轴器（27）、电动机（28）（包含定子和转子）。下面以外壳为例介绍3ds Max里面的造型方法。
图目录
【图2.1】三维化设计思路5
【图2.2】总体设计流程6
【图3.1】贯流泵模型装配图11
【图3.2】泵站CAD部分图纸18
【图3.3】泵站模型18
【图3.4】泵站节制闸模型18
【图3.5】排涝节制闸模型19
【图3.6】泵站辅助建筑模型19
【图3.7】泵站布局19
【图3.8】泵站立体地形图19
【图3.9】假山景观模型19
【图3.10】篮球场模型19
【图3.11】金属参数设置21
【图3.12】金属材质001的效果21
【图3.13】添加HDRI贴图的方法21
【图3.14】添加HDRI贴图的效果21
【图3.15】黄铜参数设置22
【图3.16】红铜参数设置22
【图3.17】磨砂材质参数设置22
【图3.18】绿漆材质参数设置22
【图3.19】场景中水效果图23
【图3.20】水材质参数设置23
【图3.21】不添加VRayMap的水彩纸效果置23
【图3.22】草地效果24
【图3.23】天空效果24
【图3.24】草地材质设置效果24
【图3.25】天空材质设置效果24
【图3.26】V-Ray Mesh导出面板25
【图3.27】V-Ray Mesh导入面板25
【图3.28】场景中V-Ray Mesh树木25
【图3.29】渲染的V-Ray Mesh树木25
【图4.1】动画分镜头（一）26
【图4.2】动画分镜头（二）26
【图4.3】动画分镜头（三）26
【图4.4】动画分镜头（四）26
【图4.5】动画分镜头（五）27
【图4.6】动画分镜头（六）27
【图4.7】动画分镜头（七）27
【图4.8】动画分镜头（八）27
【图4.9】动画分镜头（九）29
【图4.10】动画分镜头（十）29
【图4.11】动画分镜头（十一）29
【图4.12】动画分镜头（十二）29
【图4.13】动画分镜头（十三）30
【图4.14】动画分镜头（十四）30
【图4.15】相机漫游渲光子参数设置32
【图4.16】相机漫游出图参数设置32
【图4.17】运动物体渲光子参数设置32
【图4.18】运动物体出图参数设置32
表目录
【表3.1】泵机外壳建模12
【表3.2】泵机轴承建模14
【表3.3】冷却系统建模17
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/ysl/szmt/331.html
