基于3DEXPERIENCE平臺的CATIA二次開發(fā)下的拱壩結構快速建模

樓 濤 ，包騰飛 ,

(1. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098；3. 三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

拱壩是一種高次超靜定空間殼體結構，加之常位處高山峽谷，所以其結構和邊界條件十分復雜。其中的雙曲拱壩在水平和鉛直界面都呈拱形，且雙曲拱壩的每個橫切面都不相同，參數嚴格約束，一般的三維軟件無法如此精細化建模[1-2]。隨著技術的發(fā)展，黃艷芳等[3]將CATIA引入水利工程三維建模中[4-5]，但拱壩模型中存在許多異型體，這些異型體的模型參數復雜，且不易更改，如果光靠設計人員去一一構建，需要花費較多的時間，且效率不高。因此，本文基于CATIA進行了二次開發(fā)，開發(fā)出了能夠實現拱壩結構快速構建功能的自動化建模程序，提高模型構建效率。CATIA 二次開發(fā)方法[7-8]主要有: 自動化對象編程（Automation API）和基于構件的應用編程（CAA-RADE）。達索公司的3DEXPERIENCE（3DE）平臺作為CATIA V6版本，集成了CATIA所有功能，并提供并行、修改協(xié)同等功能，因此對3DE平臺的CATIA模塊進行二次開發(fā)更具有應用價值。本文基于3DE平臺利用Automation API接口開發(fā)了拱壩三維建模二次開發(fā)程序，以某拱壩模型為例，對其三維模型進行構建，全過程以Python程序驅動CATIA模塊，通過模型特征參數構建拱壩[6,9]，實現了拱壩三維模型快速、準確、智能的構建。

1 基于3DE平臺的建模系統(tǒng)

與其他主流三維軟件不同，3DE平臺以多階段建模、疊加模型、關聯(lián)模型為技術核心[10-12]，為實現三維環(huán)境下的模型并行協(xié)同設計提供了基礎。

1.1 多階段建模

以往的工程設計中，常以二維圖紙為主，通過二維圖紙轉化為三維模型的方法，在三維軟件中進行建模。對于實際工程設計而言，以點線面為基礎元素，將一個設計對象劃分為多個基礎結構，分為多個階段進行建模，從低維疊加生成高維，使得整個工程設計也可以劃分為多個階段，提高效率的同時也降低了設計壓力。多階段建模使得三維模型在工序上也能將其分割。

1.2 可疊加的模型

要實現并行設計，最重要的一點就是要實現多人負責不同層級的信息，并能讓這些信息以一定的規(guī)則添加至同一個對象中，3DE平臺引用裝配的概念，使得一個模型能夠被若干子模型疊加組合，不同層級的信息也同時疊加在一起，組合成一個具備完整信息的模型。

1.3 模型關聯(lián)性

在3DE平臺中，通過選擇支撐與約束的方法，可以將各個單獨的子模型關聯(lián)起來。3DE具有協(xié)同功能，就是通過對象的鏈接、引用等方法，將平臺中他人制作的模型作為自己的建?；A，對其進行修改或進一步的建模操作，但任何操作均與原模型獨立開來，不會修改他人模型，也不會占用他人模型使其無法編輯。這一特性實現了多人之間的協(xié)同修改，并統(tǒng)一了數據源。

2 拱壩三維模型構建方法

拱壩的外形和邊界條件都很復雜，其壩體上游面受到的荷載通過拱的作用傳遞到兩岸壩肩，并通過梁的作用傳遞到壩基，承載能力很大，大大減小壩身斷面面積，從而減少混凝土用量，故在水工建筑中得到了廣泛應用。

拱壩的建模難度較高，主要是因為：（1）壩型繁多：按照水平拱圈的拱軸線的幾何性質，可劃分為圓弧型、拋物線型、橢圓型、對數螺旋線型等；對于圓弧雙曲拱壩，又可根據拱弧圓心數量劃分為單心、雙心、三心等。（2）不對稱性：由于拱壩的設計依托于地形，或受地質條件的影響，其左右拱往往不對稱，從而使左右拱弧拱心、兩端拱厚及圓心角都不相同。（3）對于雙曲拱壩，每層拱弧的拱心、拱厚及圓心角都不相同。

拱壩三維建?？傮w設計思想是從整體到局部，即先構建拱壩整體，再對其局部結構進行單獨建模，根據約束關系對其進行裝配，形成一個整體，最后根據地形等高線構建壩體周圍的開挖巖體，形成一個完整的拱壩三維模型。具體步驟如下：

（1）構建壩體整體骨架模型。根據給定的模型參數，建立一系列高程參考平面，在參考平面內生成拱圈樣條曲線，連接形成閉合截面，然后根據多個截面，通過多截面實體放樣生成壩體三維實體模型，得到壩體整體模型。

（2）構建局部結構。根據給定的模型參數，構建表孔、深孔、導流底孔和放空底孔等局部結構的三維模型，然后根據約束關系與壩體整體進行布爾運算，達到建孔的目的，裝配成一個整體。

（3）構建開挖巖體。根據給定的地形圖和等高線，構建壩體開挖面，生成開挖巖體模型，與壩體裝配成一個完整的產品。

3 基于3DE平臺的CATIA模塊二次開發(fā)

Python作為一門新興的高級編程語言，它的特點是簡潔明了。它的開源性、可移植性、可擴展性和可嵌入性使其能夠被廣泛應用。本文使用Python語言通過3DEXPERIENCE Automation（自動化）接口進行CATIA模塊的二次開發(fā)，在Python3.6.5編譯器中通過仿寫VB代碼，利用CATIA模塊本身帶有的VB接口，通過簡單的代碼即可完成Python與3DE平臺的CATIA模塊的連接，后續(xù)就可以利用Python語言對需要的功能進行代碼編寫，實現模型構建的快捷操作。要對CATIA模塊進行二次開發(fā)首先要添加其編程接口的引用，在Python中操作CATIA COM部件根對象，需要先添加CATIA編程接口的引用。Python是面向對象的編程語言，在3DE的Automation中，每個對象都有相應的接口，要對某個對象進行操作必須先引用相對應的接口。3DE平臺提供了Automation幫助文檔，在幫助文檔中，可以方便快捷地查看某個對象所對應的接口。通過引用接口，可以獲取對象進行操作，構建所需模型。對CATIA進行二次開發(fā)的程序結構如圖1所示。

圖 1 對CATIA進行二次開發(fā)的程序結構Fig. 1 Program structure of CATIA secondary development

3.1 基于骨架設計的拱壩建模方法

骨架模型是從拱壩整體層面以及所處的地理位置考慮的控制性結構，由點、線、面3種要素組成，其中點是最基本的，起控制性作用。拱壩骨架主要由不同高程的拱圈構成，其設計難點主要在于各層拱圈都不相同，模型參數復雜，因此，對CATIA模塊進行了二次開發(fā)，針對不同類型的拱圈控制方程開發(fā)出相對應的建模程序，以達到快速構建拱壩模型的目的。本文以拱圈控制方程為拋物線型的某拱壩為例，控制方程分為4個區(qū)域，拱圈上的控制點平面（x，y）坐標根據所在位置滿足以下控制方程，參數根據不同高程而變化：

式中: Ruli為上游左岸拱圈曲率半徑；Ruri為上游右岸拱圈曲率半徑；Rdli為下游左岸拱圈曲率半徑；Rdri為下游右岸拱圈曲率半徑；Ouli為上游左岸拱圈曲率中心y坐標；Ouri為上游右岸拱圈曲率中心y坐標；Odli為下游左岸拱圈曲率中心y坐標；Odri為下游右岸拱圈曲率中心y坐標；αuli為上游左岸端點和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αuri為上游右岸端點和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αdli為下游左岸端點和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αdri為下游右岸端點和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角。

為實現參數化設計，將給定的模型特征參數制成EXCEL表格。在Python編譯器中，導入xlrd模塊，調用EXCEL表格，讀取所需的模型參數。以該方法調用數據，可以方便快捷地批量導入數據，同時也方便尋找和更改某一特定的模型參數，提高設計效率。

對于拋物線型拱圈，可以通過在CATIA草圖中直接生成拋物線的方式來構建，為達到批量生成的目的，通過獲取Factory 2D對象（用于操作二維對象）的方法，來繪制控制斷面。首先調用模型特征參數，通過AddNewPointCoord（添加點坐標）方法生成高程參考點。以高程參考點為基準，通過AddNewPlaneOffsetPt（通過偏移創(chuàng)建平面）方法可以生成一系列不同高程的草圖參考平面，然后在各個草圖中根據頂點坐標、拋物線軸線矢量、焦點距離，通過CreateParabola（創(chuàng)建拋物線）方法就能夠準確生成拋物線，以起始位置和終止位置截取所需要的拋物線段。為提高設計效率，該程序采用了for循環(huán)語句，高效批量生成各高程的拱圈拋物線，通過CreateLine（創(chuàng)建直線）命令連接各個拋物線的端點，以AddNewJoin（接合）命令將各條線拼接在一起（用于閉合線框），就形成了各個拱圈的閉合截面。

給定模型特征參數，以Python程序驅動3DE平臺中的CATIA模塊，可以快速得到拱壩骨架三維模型（圖2），且易于修改，并根據需求更改調用的模型參數即可獲得不同的拱壩骨架模型。在此基礎上，通過CreateSpline（創(chuàng)建樣條曲線）命令繪制邊坡線，通過CreateReferenceFromObject（以目標對象創(chuàng)建參考對象）命令添加接合后的各高程截面為參考截面，再以相同方法添加邊坡線作為參考線，最后通過AddGuide（添加引導）命令添加參考線作為引導線，以AddSectionToLoft（添加截面到體）命令添加參考截面，即多截面實體放樣生成拱壩主體，其中添加多條引導線可以避免壩體曲面的扭曲，使得到的拱壩模型更為精確（圖3）。該部分僅生成拱壩主體，且不包含孔洞和局部結構，故通過多截面實體命令就能生成實體。

圖 2 拱壩骨架模型Fig. 2 Arch dam skeleton model

圖 3 拱壩主體模型Fig. 3 Main model of arch dam

3.2 壩體局部結構建模方法

拱壩建模的一個難點在于其曲面的設計和異型體的構建，而拱壩模型除了主體壩體之外，還包括各種類型的局部結構，如表孔、深孔、導流底孔和放空底孔等，都屬于較難構建的異型體。3DE平臺中的CATIA模塊具有強大的3D設計功能，正好可以解決此類問題。依據給定的模型特征參數，在草圖中構建異型體斷面形狀，通過凸臺、凹槽、倒模等操作就可以生成異型體模型。根據約束關系，可以將這些局部結構模型與壩體主體進行布爾運算，裝配成一個整體。以表孔為例，整體可分為3部分，即上游壩面部分、下游壩面部分、中空挖孔部分，全過程也分為3個步驟，即實體構建、定位、裝配。

實體構建：3個部分實體均以Python輸入尺寸參數構建截面草圖，如圖4和5所示。

圖 4 表孔下游壩面截面Fig. 4 Sketch of downstream dam surface section for crest outlet

圖 5 中空挖孔截面Fig. 5 Sketch of hollowed-out section

參考平面通過CreateReferenceFromObject（以目標對象創(chuàng)建參考對象）命令添加AxisYZ（YZ平面），再以AddNewPad（凸臺）命令以指定厚度拉伸成實體，如圖6和7所示。

圖 6 表孔下游壩面實體結構Fig. 6 Solid structure of downstream dam surface for crest outlet

圖 7 中空挖孔實體結構Fig. 7 Hollowed-out solid structure

定位：以指定位置與原點的X，Y，Z坐標向量作為偏移方向和數值，通過AddNewTranslate（位移）命令將原處于原點位置的實體移動至指定位置，再以AddNewRotate（偏轉）命令以Z軸為旋轉軸，添加給定的偏轉角度，使其中截面與壩體正交。

裝配：上下游壩面部分以AddNewAssemble（裝配）命令與壩體裝配成一個整體，其中相交重疊部分會自動融合。中空挖孔部分作為要切除的對象，這里采用AddNewRemove（移除）命令使之前已裝配的整體移除該部分實體（圖8），即生成了表孔溢流面，因不是分別建孔后拼接的情況，所以不會發(fā)生表孔溢流面建模與壩體交叉錯位的情況。

全過程以Python程序驅動，調用模型數據，獲取并添加Body對象，在草圖編輯器中自動生成斷面形狀，在空間中拉伸為三維實體，通過倒模等操作修正其形態(tài)，最終得到準確的局部結構模型，達到參數化建模的功能，完成設計參數向模型的傳遞過程，實現了拱壩局部結構三維模型快速、準確、智能的構建。

3.3 開挖巖體構建與整體裝配方法

拱壩除自身結構復雜外，其邊界條件也很復雜，如果要對拱壩進行全面的分析或者結構計算，拱壩周圍的開挖巖體必不可少，因此本文還構建了壩體開挖巖體以作分析。壩體開挖巖體的構建主要通過LSV軟件和global mapper軟件獲取壩體周圍地形等高線圖，在CAD中對地形圖進行處理，提取點云數據，導入3DE中。在3DE的Terrain Preparation（地形）模塊中以點云生成地形網格面，修正之后根據拓撲關系生成質量較好的地形曲面，最后通過凸臺命令將整個曲面拉伸成三維實體結構，達到生成壩體開挖巖體的目的。左岸混凝土墊座作為單獨的部分以相同的方法生成三維實體模型。依據約束關系，將拱壩模型與開挖巖體裝配成一個產品，整體產品模型如圖9所示。該模型還可以輸出為CAE文件以作計算，這也是CATIA模塊的一大優(yōu)勢所在。

圖8 表孔裝配結果Fig.8 Assembly result of crest outlet

圖 9 整體產品模型Fig. 9 Integrated product model

4 結 語

基于3DE平臺的CATIA模塊的二次開發(fā)，利用Python語言簡潔、開源、可移植性、可擴展性、可嵌入性和具有豐富的庫的特點，能夠高效、準確、智能地完成拱壩骨架三維模型的構建，后續(xù)再通過多截面實體、凸臺、裝配等命令和布爾運算依次構建生成壩體整體和開挖巖體。3DE平臺的CATIA模塊功能強大，可以進行復雜的曲面設計，應用于多種領域；在水工建筑物方面也有很大的應用空間，3DE平臺更是提供了協(xié)同設計的功能，從設計到施工到管理，包含了多種強大功能，有待利用。針對CATIA模塊，可以通過對其進行二次開發(fā)，實現智能、高效、快捷的三維模型構建的功能，發(fā)展?jié)摿薮?。對于開發(fā)語言，如VB，Matlab，Python和C都可以使用，而簡潔的Python語言更是較好的選擇。