基于HAJIF系統(tǒng)的汽車(chē)部件模型庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許向彥，羅國(guó)偉，王立凱

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065；2.廣東亞太新材料科技有限公司，廣東 肇慶 526000)

1 引 言

HAJIF是中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研發(fā)的一款大型有限元分析軟件，其功能全面，具備靜力、屈曲、模態(tài)等通用分析求解能力，在諸多航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中獲得應(yīng)用。當(dāng)前，隨著軍民融合的不斷深入，以及工業(yè)CAE軟件自主化的緊迫需求，HAJIF軟件所服務(wù)的行業(yè)也從航空航天領(lǐng)域拓展到軌道交通、汽車(chē)等領(lǐng)域。

汽車(chē)工業(yè)中，汽車(chē)零部件是構(gòu)成汽車(chē)主機(jī)的基礎(chǔ)，精確無(wú)誤的汽車(chē)零部件有限元模型是得到整車(chē)正確分析結(jié)果的基本保證?；贖AJIF平臺(tái)建立的汽車(chē)部件模型庫(kù)，作為零部件模型與分析軟件之間的連接紐帶，可以集成前人優(yōu)秀的建模經(jīng)驗(yàn)及技巧，同時(shí)，鑒于HAJIF結(jié)構(gòu)分析軟件的國(guó)產(chǎn)自主化，可以有效保證該模型庫(kù)的延續(xù)性，方便后續(xù)修改與改進(jìn)。

本文以HAJIF平臺(tái)為依托，基于XML與OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)零部件模型庫(kù)的搭建。該模型庫(kù)可以同時(shí)存儲(chǔ)STL幾何模型與BDF、HJF等有限元模型，支持將其無(wú)縫加載至HAJIF系統(tǒng)中進(jìn)行顯示與分析，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 XML

XML(Extensible Markup Language)是一種類(lèi)似于HTML的標(biāo)記語(yǔ)言，但是XML沒(méi)有使用預(yù)定義的標(biāo)記。因此，XML允許根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要定義專(zhuān)屬的標(biāo)記。這是一種十分有用的可存儲(chǔ)、可搜索和可共享的格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法。更重要的是，因?yàn)閄ML的基本格式是標(biāo)準(zhǔn)化的，所以如果跨系統(tǒng)或平臺(tái)共享或傳輸XML，無(wú)論是在本地還是在互聯(lián)網(wǎng)上，接收方仍然可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的XML語(yǔ)言解析數(shù)據(jù)。

XML文件的讀取技術(shù)有3種：分別是QXmlStreamReader、DOM和SAX。考慮到所建立的汽車(chē)部件模型庫(kù)需要具備模型動(dòng)態(tài)添加與刪除的功能，同時(shí)綜合上述3種XML文件讀取技術(shù)的各自特點(diǎn)，本文最終選用DOM技術(shù)進(jìn)行XML文件的讀取與處理。

DOM將XML文檔描述為一棵樹(shù)結(jié)構(gòu)，Tree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為一個(gè)XML標(biāo)記或者XML標(biāo)記內(nèi)的文本項(xiàng)。樹(shù)形結(jié)構(gòu)精確地描述了XML文檔中標(biāo)記間以及文本項(xiàng)間的相互關(guān)聯(lián)性。下述XML文檔為系統(tǒng)中存儲(chǔ)汽車(chē)部件模型的部分信息，包含部件名稱(chēng)及部件信息：

其所對(duì)應(yīng)的DOM樹(shù)如圖1所示。

圖1 XML文檔對(duì)應(yīng)DOM樹(shù)

由于利用DOM技術(shù)可以將XML文檔轉(zhuǎn)換為樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)完成樹(shù)形結(jié)構(gòu)的遞歸遍歷即可完成XML文檔的完整讀取。反之，將用戶(hù)在模型庫(kù)中所做的修改保存至XML文檔中即可完成零部件模型信息的修改。

2.2 OpenGL

OpenGL是一項(xiàng)成熟的圖形化顯示技術(shù)。在OpenGL中，所有模型都處于3D空間中，而屏幕和窗口只能以2D像素?cái)?shù)組輸出，所以，OpenGL的大部分工作是把3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊贿m應(yīng)的2D像素。3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)?D坐標(biāo)的處理過(guò)程是由OpenGL的圖形渲染管線(xiàn)管理。本文通過(guò)在OpenGL固定渲染管線(xiàn)中加入自定義可編程著色器，完成STL幾何模型的圖形化顯示。

OpenGL的固定渲染管線(xiàn)一般包含以下幾個(gè)步驟：(1)頂點(diǎn)變換。頂點(diǎn)變換作為渲染管線(xiàn)中的首個(gè)處理模塊，所包含的信息非常多，模型的各項(xiàng)操作都在此模塊中完成。(2)圖元裝配。圖元裝配階段將頂點(diǎn)變換模塊輸出的所有頂點(diǎn)作為輸入，并將所有的點(diǎn)裝配成指定圖元的形狀輸出。(3)幾何裝配。幾何裝配模塊會(huì)把圖元裝配階段的輸出數(shù)據(jù)當(dāng)作其輸入，可以通過(guò)產(chǎn)生新的頂點(diǎn)構(gòu)造新的圖元來(lái)生成其他形狀。幾何裝配階段的輸出既可以輸出至紋理裝配模塊使圖形更為逼真，也可以直接發(fā)送至光柵化階段。(4)紋理裝配。紋理裝配的作用在于其可以通過(guò)添加模型細(xì)節(jié)使得模型或場(chǎng)景更為逼真。(5)光柵化。光柵化階段會(huì)把圖元映射為屏幕或窗口中相應(yīng)的像素，生成供片段著色階段使用的片段。(6)片段操作。片段著色階段的主要目的是計(jì)算一個(gè)像素的最終表現(xiàn)形式。在該階段中，利用著色器編程語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)腳本可以自定義設(shè)置模型輸出顏色及光照效果。

在固定渲染管線(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文利用圖形著色語(yǔ)言編寫(xiě)頂點(diǎn)著色器與片段著色器，完成模型的控制與自定義顯示。頂點(diǎn)著色器與片段著色器的代碼片段如下所示：

(1)頂點(diǎn)著色器

#version 120

attribute vec3 vertex_position;

uniform mat4 transform_matrix;

uniform mat4 view_matrix;

varying vec3 ec_pos;

void main() {

gl_Position = view_matrix*transform_matrix*vec4(vertex_position, 1.0);

ec_pos = gl_Position.xyz;

}

(2)片段著色器

#version 120

uniform float zoom;

varying vec3 ec_pos;

void main() {

vec3 base3 = vec3(0.99, 0.96, 0.89);

vec3 base2 = vec3(0.92, 0.91, 0.83);

vec3 base00 = vec3(0.40, 0.48, 0.51);

vec3 ec_normal = normalize(cross(dFdx(ec_pos), dFdy(ec_pos)));

ec_normal.z *= zoom;

ec_normal = normalize(ec_normal);

float a = dot(ec_normal, vec3(0.0, 0.0, 1.0));

float b = dot(ec_normal, vec3(-0.57, -0.57, 0.57));

gl_FragColor = vec4((a*base2 + (1-a)*base00)*0.5 +(b*base3 + (1-b)*base00)*0.5, 1.0);

}

3 系統(tǒng)框架及子模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)依照XML文件完成系統(tǒng)初始化配置，同時(shí)對(duì)外開(kāi)放3種類(lèi)型的接口，分別是模型增加刪除的修改接口、模型信息的顯示接口，以及模型與HAJIF系統(tǒng)或幾何模型圖形化顯示模塊的交互接口。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖

對(duì)于模型增加與刪除接口，用戶(hù)完成模型修改后，通過(guò)將相關(guān)信息寫(xiě)入XML配置文件中完成模型信息的保存與更新。以XML數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)搭建完成了數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的分離，使模型數(shù)據(jù)的分享更為便捷。用戶(hù)可以導(dǎo)出模型相關(guān)文件與配置文件，進(jìn)而分享給其他人。與此同時(shí)，用戶(hù)也可以直接導(dǎo)入從別處獲得的模型庫(kù)，快速實(shí)現(xiàn)相互共享。

對(duì)于模型顯示接口，系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，模型具備以下屬性：(1)模型名稱(chēng)；(2)模型文件；(3)模型描述信息；(4)模型圖片；(5)模型附加文件。這5項(xiàng)屬性可以較為完整地描述一個(gè)模型的相關(guān)信息。

本系統(tǒng)同時(shí)支持汽車(chē)零部件的有限元模型與幾何模型的存儲(chǔ)，有限元模型的存儲(chǔ)意義在于其可以固化前人的有限元建模經(jīng)驗(yàn)，而幾何模型的存儲(chǔ)則可以固化前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)典的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)人員的工作具有重要的指導(dǎo)作用。

在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，STL文件是一種描述三角形網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)格式，其具有ASCII碼格式與二進(jìn)制兩種格式。主流的CAD系統(tǒng)均可輸出STL格式的幾何模型，鑒于此，本系統(tǒng)同時(shí)提供STL幾何模型的圖形化顯示接口。

幾何模型圖形化模塊的設(shè)計(jì)邏輯如圖3所示。當(dāng)STL幾何模型從汽車(chē)部件模型庫(kù)中導(dǎo)入進(jìn)來(lái)時(shí)，通過(guò)STL模型解析器首先判斷STL幾何模型文件格式，對(duì)于ASCII格式與二進(jìn)制格式分別處理解析得到模型頂點(diǎn)與面法線(xiàn)相關(guān)信息，將所有信息傳入可編程渲染管線(xiàn)中進(jìn)行渲染，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)模型交互模塊獲取用戶(hù)的操作信息(旋轉(zhuǎn)，平移，放大縮小)，繼而在幾何模型中反饋顯示。

圖3 幾何模型顯示模塊邏輯設(shè)計(jì)圖

4 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于Visual Studio 2010，采用面向?qū)ο笏枷?，依托HAJIF系統(tǒng)搭建完成，主要涉及到的Qt庫(kù)有QtGui庫(kù)、QtOpenGL庫(kù)、QGLShaderProgram庫(kù)、QDomDocument庫(kù)及QTreeWidget庫(kù)。幾何模型顯示模塊的界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 幾何模型顯示模塊界面

幾何模型顯示模塊支持用戶(hù)與模型的交互，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)操作實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)、縮放及平移。圖5是測(cè)試模型經(jīng)過(guò)一定程度的縮放、平移與旋轉(zhuǎn)后的模型顯示圖。

圖5 模型交互顯示圖

幾何模型顯示模塊作為其中一個(gè)功能點(diǎn)，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的基本需求。相對(duì)于幾何模型顯示功能，有限元模型的有效管理以及與HAJIF系統(tǒng)的無(wú)縫連接會(huì)發(fā)揮更為重要的作用。

圖6描述了某汽車(chē)左前門(mén)防撞梁的模型信息，通過(guò)加載接口，可以將該模型直接導(dǎo)入HAJIF系統(tǒng)中，通過(guò)HAJIF系統(tǒng)可直接提交該模型的求解計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。完整的模型信息展示以及與HAJIF系統(tǒng)的無(wú)縫連接大大提高了分析人員的工作效率。

圖6 左前門(mén)防撞梁導(dǎo)入HAJIF系統(tǒng)圖

圖7 左前門(mén)防撞梁計(jì)算結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以HAJIF平臺(tái)為依托，基于XML與OpenGL技術(shù)完成了汽車(chē)部件模型庫(kù)的搭建，可以同時(shí)集成包含大量建模經(jīng)驗(yàn)的有限元模型數(shù)據(jù)與包含設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的幾何模型數(shù)據(jù)，大大提高了有限元分析人員的分析效率。自定義的XML配置與HAJIF分析軟件的國(guó)產(chǎn)自主化保證了該系統(tǒng)的可拓展性與可延續(xù)性，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。