全自動小型發(fā)酵罐3D仿真的實現(xiàn)

摘 要：用SolidWorks和3dsMax繪制全自動小型發(fā)酵罐3D模型，應(yīng)用VC++結(jié)合DirectXSDK編程，實現(xiàn)全自動小型發(fā)酵罐3D仿真，可用于發(fā)酵過程仿真教學。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵罐；3D；仿真

中圖分類號：TQ920.5

全自動小型發(fā)酵罐作為一種常見的生物反應(yīng)器，在高校及科研單位被廣泛用于小型試驗研究，也作為生物工程的典型設(shè)備用于教學。全自動小型發(fā)酵罐容積通常為5L、10L，其形體雖小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含了空氣系統(tǒng)，蒸汽系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)和補料系統(tǒng)及pH電極、DO電極、溫度電極和泡沫電極等眾多檢測元件，價格也較昂貴。其管線交錯，閥門眾多，初接觸者很難辨別，極易誤操作造成設(shè)備損壞。為避免初學者誤操作帶來經(jīng)濟損失，有必要制作全自動小型發(fā)酵罐互動仿真軟件，讓操作者先在電腦上操作，達到熟練認知設(shè)備后，再進行真實罐的操作。3D仿真，計算量較大，需要訪問的數(shù)據(jù)較多，早期對電腦硬件要求較高，但隨著電腦硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，目前市面上普通電腦已能很好滿足要求。在軟件方面，3D模型制作軟件如SolidWorks、3dsMax越來越完善，制作3D模型也越來越智能化，3D編程方面DirectX SDK自帶了許多示例，只需要在適宜的示例上進行簡單的編程，就可滿足3D仿真要求。文中所用軟件為SolidWorks2014，Autodesk 3ds Max 2012，Microsoft visual studio 2010，Microsoft DirectX SDK（June 2010）。

1 用SolidWorks制作3D模型

SolidWorks是基于Windows平臺開發(fā)的一款機械設(shè)計自動化軟件，主要的特點是把任何復(fù)雜或簡單的實體模型都被看作是由一個個單獨成型的系統(tǒng)單元組成，這些系統(tǒng)單元又稱為特征[1]，基于特征建模是該軟件最重要方面的特性。SolidWorks中3D建模的方法通常是先在基準面上繪制草圖，再通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描操作轉(zhuǎn)化為空間實體，此稱為基于草圖的特征。進一步地可通過倒圓角、打孔、拔模對基礎(chǔ)特征細化，獲得特征又稱為基于特征的特征。小型全自動罐雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其主要由閥門、管線、閥門組成，特征容易把握，用SolidWorks建模也就容易。罐體底部可通過繪制輪廓草圖，按中心軸線旋轉(zhuǎn)獲得。罐身透明部分可通過繪制兩個同心圓草圖通過拉伸得到。罐上部法蘭可通過繪制圓草圖進行拉伸，對其邊再加圓角特征，再加上孔特征，再將孔特征進行圓周陣列便可獲得。SolidWorks還自帶一個工具箱，集成了螺栓和螺釘?shù)雀鞣N常用標準件，可以直接插入使用。因此法蘭間螺栓可以從工具箱直接插入。對管線的建?？梢圆捎貌輬D畫圓再經(jīng)沿曲線掃描獲得。圖1是對所建3D模型中對罐體各主要配件的說明。將模型作為一個整體以STL格式保存，保存為“fermentor.stl”。

圖1 全自動小型發(fā)酵罐罐體3D模型效果圖

2 3dsMax對3D模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出

3dsMax作為一款功能強大的3D建模軟件，廣泛用于室內(nèi)設(shè)計、游戲建模[2]，但在機械設(shè)備建模方面，并不比SolidWorks快捷。DirectXSDK示例“MeshFromOBJ”提供了導(dǎo)入模型格式為“*.obj”的編程方法，3dsMax可直接將模型導(dǎo)出為“*.obj”文件，而3dsMax和SolidWorks可通過STL格式互導(dǎo)。因此可將SolidWorks所建模型導(dǎo)入到3dsMax，再導(dǎo)出“*.obj”格式進行編程。在3dsMax 完成模型材質(zhì)的設(shè)置后，在導(dǎo)出文件名中輸入“fermentor”，保存類型中選“*.OBJ”，導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)。導(dǎo)出選項中選擇“面”選擇“三角形”，“材質(zhì)”選項中勾選“使用材質(zhì)路徑”，導(dǎo)出結(jié)果生成“fermentor.obj”、“fermentor.Mtl”兩個文件和一個“maps”文件夾，“maps”中內(nèi)容是材質(zhì)中所用貼圖的文件。

3 VC++集合DirectXSDK編程

打開DirectXSDK所帶的DirectX Sample Browser，找到“MeshFromOBJ”示例，點擊下方“install Project”文字，在彈出窗口“name” 編輯框中輸入“fermentor3D”，然后點擊“確定”按鈕，就生成一個名為“fermentor3D”文件夾。將該文件夾下“media”子文件夾中文件全部刪除，再將2中導(dǎo)出模型中的“fermentor.obj”、“fermentor.Mtl”文件和“maps”文件夾拷貝到“media”文件夾中。打開工程文件“fermertor3D_2010.sln”，在Microsoft visual studio 中打開“fermertor3D.cpp”，在 HRESULT CALLBACK OnCreateDevice（ IDirect3DDevice9* pd3dDevice， const D3DSURFACE_DESC* pBackBufferSurfaceDesc， void* pUserContext ）函數(shù)中，有一句為：

V_RETURN（ g_MeshLoader.Create（ pd3dDevice， L\"media＼＼cup.obj\" ））；

將此句改為：

V_RETURN（ g_MeshLoader.Create（ pd3dDevice， L\"media＼＼ fermentor.obj \" ））；

再經(jīng)過編譯，就生成 fermertor3D.exe程序。程序運行后，滾動鼠標可縮小或放大程序顯示發(fā)酵罐圖形，按著鼠標左鍵拖動鼠標可以改變發(fā)酵罐的觀察角度，可從 各個角度清楚地觀察發(fā)酵罐構(gòu)造。在對軟件添加必要的對話框控件編程實現(xiàn)互動效果和透明效果編程后程序運行界面如圖2顯示。仿真軟件最終實現(xiàn)的功能主要有：罐中培養(yǎng)基添加、排放和取樣；培養(yǎng)基的滅菌；發(fā)酵過程中pH和溫度的自動控制；攪拌器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；空氣流量調(diào)節(jié)等。軟件較真實地模擬了全自動小型發(fā)酵罐的發(fā)酵操作。

圖2 全自動小型發(fā)酵罐3D互動仿真結(jié)果

4.結(jié)束語

DirectX SDK提供了豐富的3D編程示例，在適宜的示例基礎(chǔ)上編程，可大大降低3D編程的難度。利用SolidWorks制作全自動發(fā)酵罐的3D模型，載入到3dsMax中導(dǎo)出為“*.OBJ”格式，在DirectX Sample Browser“MeshFromOBJ”示例的基礎(chǔ)上編程，可快速實現(xiàn)全自動小型發(fā)酵罐3D互動仿真。

參考文獻：

[1]丁源，周文華.SolidWorks 2014中文版從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]賀建紅.3ds Max 2012 寫實建模完全實例教程[M].北京：科學出版社，2010.

[3]李建波，丁海燕.Direct X3D HLSL高級實例精講[M].北京：清華大學出版社，2013.

作者簡介：楊海軍（1971-），男，四川雅安人，碩士研究生，講師，研究方向：生物過程優(yōu)化及仿真。

作者單位：信陽農(nóng)林學院，河南信陽 464000