三維線框模型生成全參數(shù)化模型方法研究

曹 榮，崔進舉，何麗絲，王德禹

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

在船舶行業(yè)數(shù)字化設(shè)計與數(shù)字化制造的研究熱潮，船舶行業(yè)逐漸引入三維設(shè)計手段，相比傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計，三維手段在總體布置設(shè)計過程中更加直觀［1-3］，無論是早期的方案論證，還是工廠的生產(chǎn)設(shè)計，國內(nèi)外開展了大量的應(yīng)用研究和實踐［4-5］。船舶設(shè)計技術(shù)以及船舶CAD/ CAM/PLM 軟件系統(tǒng)的深入應(yīng)用，直接關(guān)系到船舶設(shè)計水平、建造水平的提高，也關(guān)系到整個造船行業(yè)競爭力的提高［6］。其中的代表如Tribon、NAPA、CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）、SPD（Ship Product Design）等，已經(jīng)在船舶領(lǐng)域廣泛被應(yīng)用［7］。CATIA作為一款在航空、汽車領(lǐng)域運用非常廣泛的產(chǎn)品全生命周期平臺［8］，目前船舶制造領(lǐng)域也已經(jīng)廣泛使用該軟件［9］。船舶設(shè)計院和各大船廠對CATIA 平臺的研究仍處于探索與初步運用階段。原先基于線框模型創(chuàng)建的母型船的模型如何轉(zhuǎn)化到三維全參數(shù)化模型，實現(xiàn)原先結(jié)構(gòu)知識儲備的復(fù)用，成了亟待解決的問題。由于構(gòu)成線框模型的主要元素是幾何相關(guān)的點線面，而全參數(shù)模型是由參數(shù)規(guī)格書所驅(qū)動的模型，兩類平臺數(shù)據(jù)性質(zhì)截然不同。然而無論哪個平臺在進行船體結(jié)構(gòu)建模過程中，都需要定義板及筋的厚度/規(guī)格、材質(zhì)、位置及邊界信息等屬性。CATIA 平臺為了滿足用戶個性化的功能定制需求，開放了大量二次開發(fā)接口［10］，為用戶功能定制提供了良好的理論基礎(chǔ)和二次開發(fā)環(huán)境［11］。因此基于SPD的線框模型及屬性數(shù)據(jù)，具備了高效構(gòu)建CATIA全參數(shù)化模型的條件。

CATIA 是法國達索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造等行業(yè)，但在船舶行業(yè)的引用起步較晚［12］。在船舶詳細設(shè)計過程中主要用到CATIA V6 SFD（Structure Function Design）基本結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊。SFD模塊運用的是全參數(shù)化建模方法，即在創(chuàng)建零件時，將零件的幾何信息、屬性信息，以參數(shù)的形式在交互界面中定義完善，CATIA平臺即可通過這些參數(shù)形成三維模型。另外除了交互界面定義參數(shù)的方法，還可利用CAA（Component Application Architecture）二次開發(fā)工具來讀寫參數(shù)。其中的CATISfdUseFunctionFactory 工廠類中的CreatePanel（）方法可以創(chuàng)建SFD模塊中的板架；CATIStrUseStiffenerMngt類中的AddStiffener（）方法可以創(chuàng)建板架上的筋；CATIStrUseOpeningMngt 類中的AddOpening（）方法可以創(chuàng)建板架上的開孔。因此CAA接口可以滿足高效構(gòu)建船體結(jié)構(gòu)模型的先決條件。

SPD作為國內(nèi)自主開發(fā)的船舶設(shè)計軟件，在國內(nèi)以滬東中華為代表的船舶企業(yè)中廣泛使用，系統(tǒng)模塊涵蓋船體、管系、風(fēng)管、電氣、支架、鐵舾裝等各專業(yè)［13］。SPD系統(tǒng)是基于OpenGL 圖形庫進行開發(fā)的造船CAD設(shè)計軟件，能滿足船體結(jié)構(gòu)、管系、風(fēng)管、電氣、鐵舾件、涂裝等專業(yè)三維全數(shù)字化設(shè)計的需求。通過三維模型對船舶產(chǎn)品進行性能、結(jié)構(gòu)強度、工藝合理性和制造可行性分析［14］。SPD 平臺中的三維模型正是線框模型［15］。線框模型是用直線、圓、圓弧等空間棱線表達三維物體。SPD的模型以DXF的格式導(dǎo)出。DXF文件是CAD軟件交換數(shù)據(jù)的一種文件格式，在各大CAD平臺普遍使用。SPD模型屬性以XML的格式導(dǎo)出。XML 文件易于在任何應(yīng)用程序中讀寫數(shù)據(jù)，XML是目前各程序間數(shù)據(jù)交換的公共語言［16］。本文基于滬東中華SPD 設(shè)計軟件輸出的數(shù)據(jù)，利用CAA二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了高效的船體結(jié)構(gòu)三維線框模型到全參數(shù)化模型轉(zhuǎn)化。

1 導(dǎo)入及讀取數(shù)據(jù)方法

SPD平臺幾何模型支持導(dǎo)出dxf 格式，因此需要基于dxf中的三角面片模型重構(gòu)幾何面片模型，再以面片模型為支持面，構(gòu)建Catia 平臺SFD 模型。各零件所需的屬性參數(shù)基于SPD平臺輸出的xml文件，因此需要逐個匹配每個零件的片面模型和屬性文件。不同零件的創(chuàng)建方法不同，本文利用CAA 二次開發(fā)手段，分別自動構(gòu)建了板、開孔及型鋼等模型，其主要流程如圖1 所示。

圖1 模型轉(zhuǎn)化流程圖

1.1 導(dǎo)入線框模型

通過CATIA軟件自帶的導(dǎo)入功能，將線框模型數(shù)據(jù)dxf文件導(dǎo)入CATIA 平臺，可得到初步的三維線框模型。此模型由三角面片構(gòu)成，且僅僅保留了原模型的幾何屬性，正確地表達了各零件的空間位置和幾何形狀。導(dǎo)入線框模型后進行了一系列操作，首先需要處理的問題是線框模型是立體幾何零件，即零件是有厚度的，而CATIA 平臺SFG 模型是無厚度的面片模型，因此僅僅需要保留各零件理論面上的面片，去除其他面片。通過輸入零件理論面，例如肋位及各平臺位置，運用二次開發(fā)的工具，計算面片到理論面的距離，若距離小于1 mm 即可判定此面片為零件的理論面，刪除非理論面上的面片。其次運用二次開發(fā)的工具，通過合并同一平面內(nèi)且相交的三角面片，得到一整塊面片模型。最后去除面片上的開孔，提取面片的輪廓線，通過填充得到無開孔的零件面片，面片處理效果如圖2 所示。

圖2 面片處理效果

1.2 讀取屬性數(shù)據(jù)

全參數(shù)化模型構(gòu)建時所需要定義的零件屬性數(shù)據(jù)是來源于xml文件。通過讀取xml 文件，獲取零件的名稱、材質(zhì)、類型，板厚或規(guī)格等信息。在CAITA平臺上運用CAA接口中的CATIDOMDocument（）類庫中的成員函數(shù)，可高效地讀取xml 文件中的屬性數(shù)據(jù)。圖3 是模型中一個零件的屬性xml文件。

圖中：主要關(guān)鍵字分別代表以下含義：“belong”，零件所屬板架；“Side”，零件所在整船的空間位置，M表示靠近CL的位置；“weight”，質(zhì)量，單位g；“COG”，重心位置；“material”，材質(zhì)；“category”，零件類型；“thickness”，厚度；“section”，型鋼規(guī)格。

圖3 xml文件中的零件屬性

1.3 匹配模型與屬性數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)化參數(shù)化模型的前提是將導(dǎo)入的線寬模型和參數(shù)數(shù)據(jù)相匹配。本文的方法是通過獲取線框模型組成的零件重量重心數(shù)據(jù)，與屬性文件中的重量重心屬性相匹配。

實施方法：

（1）運用CATIPartRequest 類庫的成員函數(shù)GetDirectBodies（）獲得模型中所有零件模型列表。再遍歷面片列表，運用CATIMeasurableInContext 類庫的成員函數(shù)GetCOG（），獲取各模型的重心坐標數(shù)據(jù)，例如X=211 685.1，Y=-6 549.9，Z=8 312.1。

（2）運用CATIDOMElement 類庫中的成員函數(shù)GetElementsByTagName（）獲取ATTRIBUTE標簽，再利用函數(shù)GetNodeValue（）獲得COG節(jié)點下得重心數(shù)據(jù)，例如獲取VALUE=“211 685.0，-6 550.0，831 3.0”，即X=211 685.0，Y=-6 550.0，Z=8 313.0。

遍歷模型中所有零件重心數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，進行一一比較。若X，Y，Z 3 個數(shù)據(jù)相差都小于20 mm，判斷為匹配成功，可以確定該零件模型所需要賦予的屬性。在匹配過程中會存在部分面片沒有合適的數(shù)據(jù)匹配，特別是型鋼，因為端切影響了零件面片的重心位置，但輸出的屬性數(shù)據(jù)卻未考慮其影響。所以我們在用較小的差值20 進行第1 輪匹配后，放大差值到50或100 對未匹配成功的面片進行第2 輪或第3 輪匹配。由于船舶上的絕大部分型材間的重心距離都在300 mm 以上，這樣的匹配方法可以保證一定的準確率。

2 轉(zhuǎn)化生成板模型方法

2.1 轉(zhuǎn)化生成板模型

在構(gòu)建船體板架模型時，主要是定義板的類型、位置、邊界、板厚、材質(zhì)等信息，CATIA 3DE 平臺也不例外。本文在轉(zhuǎn)化板的過程中，基于已導(dǎo)入的三維線框模型及匹配所得的零件屬性數(shù)據(jù)，利用CAA接口生成板的參數(shù)化模型，并逐步定義類型、定位、邊界信息、板厚材質(zhì)等屬性。板模型轉(zhuǎn)化效果如圖4 所示。

圖4 板模型轉(zhuǎn)化效果

實施方法：

（1）生成板對象。首先需要在CATIA 平臺中的新建參數(shù)化的板架模型對象。運用CAA 接口在SFG模塊中創(chuàng)建一個新對象，運用CATISfdUseFunctionFactory-＞CreatePanel（）即可新建板架對象。

（2）生成板的屬性。①零件類型信息：板架的類型一般可分為內(nèi)底板、甲板、平臺板、肋板、橫艙壁、縱艙壁等。本文中通過判斷幾何的空間位置，將面區(qū)分為X、Y、Z 3 個方向，分別對應(yīng)的零件類型為“TransversePanel”“LongitudinalPanel”“DeckPanel”。運用CAA 接口CATIStrUseCategoryMngt-＞SetCategory（），即可定義零件類型信息。

②支持面信息：通常構(gòu)建板是以無限大的平面為支持面，通過定義邊界條件，圍出一個有限大的面。本文的構(gòu)建技術(shù)是以導(dǎo)入的面片為支持面，在不定義邊界信息的情況下，即可得到一個等同于面片大小的板模型。運用CAA 接口CATIStrUsePanelSurf-＞SetSupport（），即可定義板的支持面信息。

③厚度信息：讀取xml屬性文件中的”Thickness”節(jié)點，可以快速準確的獲取厚度信息。利用CAA接口CATIStrUsePlateExtrusionMngt-＞ GetThickness（）-＞ValuateReal（），即可定義板的厚度信息。

④板厚朝向信息：船體結(jié)構(gòu)板架厚度朝向有一定的設(shè)計要求，例如外板一律朝外，甲板一律朝上，但橫艙壁、縱艙壁的朝向就需要依據(jù)船型而定。本文根據(jù)本船型的理論線數(shù)據(jù)圖，將各個橫向縱向位置上的板厚朝向做了數(shù)據(jù)統(tǒng)計。例如X=FR95，F(xiàn)R100，F(xiàn)R105…或X=100 800，104 800，108 800…的橫艙壁，厚度方向朝首，其余的朝尾。所以在定義橫艙壁的時候，將其支持面的坐標數(shù)據(jù)與之做比較，即可得到該橫艙壁的板厚朝向信息。

⑤材質(zhì)信息：讀取xml 屬性文件中的”Material”節(jié)點，可以快速準確的獲取厚度信息。利用CAA接口CATIStrUseMaterialMngt-＞SetMaterial（），即可快捷的定義板的材質(zhì)信息。

⑥邊界信息：在零件屬性文件中并不包含板的邊界信息，因此采用通過判斷面片間的幾何關(guān)系來篩選板的邊界信息。本文的方法是遍歷所有不在同一方向上的零件，例如遍歷X 方向上的零件，再遍歷Y、Z 方向上的零件，使其兩兩相交，判斷相交結(jié)果是否是線，若得到交線，則量取交線的長度，當(dāng)交線長度大于500 mm時，即可確定此面片為板的邊界條件。運用CATIStrUsePanelLimitMngt-＞SetLimitingObject（）接口將其定義為邊界對象。若其返回值是True，說明可作為邊界，則繼續(xù)遍歷尋找下一個邊界。

⑦替換支持面：通常板的支持面是一個平面plane，整檔位置上板的支持面是源自坐標系中的平面，而上述方法中基于導(dǎo)入線框模型所創(chuàng)建的板，它的支持面是導(dǎo)入的面片surface，我們需要將位于整檔位置上板的支持面片替換成為坐標系中的平面。具體方法是運用CAASfdNavigationServices：：GetSRSPlane（）方法獲取坐標系中的XYZ 平面列表。通過CATISfdUsePanel-＞GetCanonicSupport（）獲取板的支持面，判斷平面間的距離，若距離小于1 cm，通過CATIStrUsePanelSurf-＞SetSupport（）方法將板的支持面替換為平面。

2.2 轉(zhuǎn)化生成開孔特征

CATIA平臺上構(gòu)建結(jié)構(gòu)開孔有3 種方式：①標準數(shù)據(jù)（Standard）開孔。選擇開孔類型，定義開孔特征及幾何位置；②草圖（Sketch）開孔。利用草圖功能畫出開孔樣式，形成開孔；③貫穿對象（3D Object）開孔。以貫穿板的對象作為輸入，生成相貫線用于開孔。

本文采用第3 種方法，貫穿對象（3D Object）開孔。生成開孔效果如圖5 所示?；谳斎霐?shù)據(jù)結(jié)合CAA開發(fā)，可以實現(xiàn)自動化高效創(chuàng)建開孔。3D Object開孔需要一個前提，即獲取貫穿對象。本文的方法是從線框模型中提取開孔線，將開孔線沿垂直面片方向拉伸，可得到所需的3D Object。

圖5 開孔轉(zhuǎn)化效果圖

手工操作的方法是運用Extract功能，點選孔的邊緣，選擇Point Continuity選項，可得到一條封閉的開孔線，再運用Extrude 功能，Direction 為面片本身，Dimension=50mm，便可得到一個貫穿面片的3D Object。一個分段有幾十或上百個開孔，手工操作效率低。利用CAA二次開發(fā)相關(guān)的接口可以實現(xiàn)批量處理。

實施方法：

（1）通過接口CATIGSMUseFactory-＞CreateBoundary（）獲取面片上所有閉合的連續(xù)曲線，利用CATIGSMUseFactory-＞ CreateExtractSolide（）提取得到特征曲線，結(jié)果至少會有一根，因為板的輪廓線也是一條閉合的連續(xù)曲線。

（2）運用CATIMeasurableCurve-＞GetLength（）獲得曲線的長度，去除周長最大的曲線（因為周長最大的閉合曲線是輪廓線），其余的便是開孔線。

（3）CATIGSMUseFactory-＞CreateExtrude（）拉伸開孔線得到所需的3D Object。

（4）運用CAA 接口CATIStrUseOpeningMngt-＞AddOpening（）命令在板架上新建開孔，再運用接口CATIStrUseOpening3DObject-＞ SetIntersectingElement（）定義貫穿對象，即可實現(xiàn)批量開孔。

3 轉(zhuǎn)化生成型鋼模型

CATIA平臺構(gòu)建型鋼模型時，需要選擇對應(yīng)的安裝板架，定義其類型，支持面信息，邊界信息及規(guī)格、材質(zhì)等屬性信息。生成的型鋼其支持面與對應(yīng)的板架相交，生成筋的軌跡線（Unlimited Trace Line），定義兩個邊界信息將軌跡線框定出特定長度的軌跡線（Limited Trace Line），即型鋼的設(shè)計長度。若選擇的支持面與板架無法相交形成交線，則無法創(chuàng)建此型材。因此創(chuàng)建型材關(guān)鍵是定義支持面和定義邊界信息。本模型構(gòu)建技術(shù)基于型材屬性數(shù)據(jù)，構(gòu)建繼承原型材模型的屬性。型材轉(zhuǎn)化效果如圖6 所示。

實施方法：

（1）創(chuàng)建型材。需要選擇型材所在的板架用于創(chuàng)建型材。通過接口CATIStrUseStiffenerMngt -＞AddStiffener（），即可新建型材對象。

圖6 型鋼轉(zhuǎn)化效果圖

（2）定義支持面。SPD 輸出的筋的幾何面，由于原模型定義了端切，面片幾何含有開孔或者是留空削斜的幾何特征。若直接利用面片與板架相交，所得的交線會比實際設(shè)計型鋼模型短，導(dǎo)致模型錯誤。因此本文采用的方法將原幾何面以重心為基點放大1.2～1.4 倍，以放大的面片與板架的交線為型鋼支持面，通過接口CATIStrUseProfileSurfSurf-＞SetSecondSurface（），將其設(shè)置為型材支持面。

（3）定義邊界。通過交互式操作定義型材的邊界是輕而易舉的。若運用CAA 高效的為筋定義邊界需要程序篩選出其邊界對象。本文將型材的邊界對象分為兩類。一類是自身所在板架上的筋，另一類是其他板架。分別遍歷這個兩類對象，通過幾何關(guān)系比較計算，篩選出合適的邊界對象，利用接口CATIStrUseProfileLimitMngt-＞SetLimitingObject（）將其定義為型材邊界對象。

4 結(jié)語

本文基于SPD設(shè)計平臺中的輸出的dxf模型文件及xml屬性數(shù)據(jù)，運用CATIA CAA 二次開發(fā)工具，高效處理三角面片等到面片模型，讀取xml屬性文件，將面片模型與屬性文件相匹配，利用軟件工具自動轉(zhuǎn)化生成板架、型材及開孔，最終生成了CATIA 3DE 平臺中的全參數(shù)化模型。以橫艙壁分段為例，驗證上述模型構(gòu)建技術(shù)與二次開發(fā)工具的有效性。運用此技術(shù)方法，實現(xiàn)原有線框模型數(shù)據(jù)到CATIA 平臺的轉(zhuǎn)移，新模型繼承了原模型屬性及幾何信息，節(jié)省了大量的重新建模工作，也規(guī)避了二次建模造成的數(shù)據(jù)差錯。