結構仿真中CAD模型自動(dòng)簡(jiǎn)化系統的實(shí)現

　　隨著(zhù)產(chǎn)品設計水平的提高，以及客戶(hù)對產(chǎn)品要求的增加，仿真分析已經(jīng)成為產(chǎn)品設計、性能分析和優(yōu)化不可或缺的部分，產(chǎn)品最終性能的改善和提高正從以經(jīng)驗為主導的時(shí)代逐漸向以仿真分析為手段的階段過(guò)渡。在實(shí)際應用中，無(wú)論是有限元仿真還是結構運動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真，一般都需要將CAD軟件中設計的三維實(shí)體模型導入到仿真分析軟件中，模型的簡(jiǎn)化不可避免。對于單個(gè)零件或簡(jiǎn)單裝配體的簡(jiǎn)化，其工作量還較小，而要簡(jiǎn)化一個(gè)復雜的裝配體，其工作量是相當繁重的，零件的取舍、小孔和小面的刪除等工作繁多，并且由于零件和零件之間存在裝配關(guān)系，有時(shí)還會(huì )導致不可預知的操作錯誤。一個(gè)復雜裝配體的簡(jiǎn)化工作可能占到整個(gè)仿真工作量的40%左右。

　　基于以上原因以及實(shí)際工作的需要，本文作者提出了模型自動(dòng)簡(jiǎn)化系統(MASS)，并設計了一套模型簡(jiǎn)化軟件。該軟件基于OpenCASCADE開(kāi)源三維平臺，以國際通用的STEP標準作為模型導入、導出的文件格式，實(shí)現了CAD模型解析、刪除零件、去除小面和內孔等模型簡(jiǎn)化工作。為了提高自動(dòng)化水平，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數設置，軟件可以實(shí)現自動(dòng)導入、簡(jiǎn)化和導出工作，實(shí)現無(wú)需人工干預自動(dòng)完成的功能，極大地提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強度。

　　一、OpenCASCADE平臺簡(jiǎn)介

　　OpenCASCADE是基于面向對象技術(shù)開(kāi)發(fā)的、針對特定領(lǐng)域的C++類(lèi)庫，提供了點(diǎn)、線(xiàn)、面、體和復雜形體的顯示和交互操作功能，可以處理二維和三維數據，包括二維表面和實(shí)體建模、數據交換、仿真和分析等應用。OpenCASCADE平臺提供了一個(gè)功能強大的三維建模工具庫，經(jīng)過(guò)深度開(kāi)發(fā)后可實(shí)現紋理、光照、圖元填充和渲染等圖形操作，和放大、縮小、旋轉、漫游和模擬飛行等動(dòng)態(tài)操作，目前最新版本是6.5.0。

　　OpenCASCADE軟件平臺具有以下主要功能，對象庫是基于CAS.CADE技術(shù)開(kāi)發(fā)的，具有模塊化、易于擴展等特點(diǎn)。

　　◎二維和三維建模，包括基本實(shí)體建模、布爾操作、特征操作(倒角、拔模等)及復雜建模技術(shù)(偏移、殼、拔模和掃描等)。

　　◎幾何空間關(guān)系計算，包括法線(xiàn)、點(diǎn)積、叉積、投影和擬合等。

　　◎幾何體分析，計算模型的質(zhì)心、體積和曲率等屬性。

　　◎可視化，管理顯示對象和視圖操作，包括對象的顯示、隱藏，視圖的旋轉、縮放、平移和渲染等。

　　◎應用程序框架，包括幾何體和非幾何體數據關(guān)聯(lián)、參數化建模，以及Java應用平臺。

　　◎數據交換，提供模型的導入、導出功能，免費的三維模型接口包括IGES和STEP(AP203、AP214和AP209)文件格式，網(wǎng)格模型接口包括STL、OBJ和VRML等。

　　二、STEP文件解析

　　STEP(The STandard for the Exchange of Product model data)標準是國際標準化組織制定的、用于描述整個(gè)產(chǎn)品生命周期內產(chǎn)品信息的標準，是一個(gè)正在完善中的“產(chǎn)品數據模型交換標準”，ISO正式代號為ISO-。它提供了一種不依賴(lài)具體系統的中性機制，旨在實(shí)現產(chǎn)品數據的交換和共享。發(fā)達國家已經(jīng)把STEP標準推向了工業(yè)應用，它的應用顯著(zhù)降低了產(chǎn)品生命周期內的信息交換成本，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，成為制造業(yè)進(jìn)行國際合作、參與國際競爭的重要基礎標準，是保持企業(yè)競爭力的重要工具。

　　整個(gè)STEP系統分為三個(gè)層次：由上至下依次為應用層、邏輯層和物理層，其層次關(guān)系如圖1所示。

　　STEP標準具有簡(jiǎn)便、可兼容性、壽命周期長(cháng)和可擴展性的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地解決信息集成問(wèn)題，實(shí)現資源的最優(yōu)組合，實(shí)現信息的無(wú)縫連接。

　　由于STEP標準包含多種應用協(xié)議，因此對STEP文件內容的完全解析將是一項復雜而龐大的工作。因此，本文對STEP內容的解析只涉及三維模型部分，可以解析的STEP應用協(xié)議包括AP203、Ap214CD、AP214IS和AP214DIS等。要實(shí)現STEP文件到OpenCASCADE平臺的轉換過(guò)程，必須在兩者之間建立一個(gè)對象之間一一對應的映射關(guān)系，表列出了部分對象的映射關(guān)系對照表。

　　三、模型簡(jiǎn)化系統的實(shí)現

　　模型簡(jiǎn)化系統以OpenCASCADE作為三維模型簡(jiǎn)化的底層開(kāi)發(fā)平臺，實(shí)體模型交換數據采用國際通用的STEP文件格式，采用C#作為界面開(kāi)發(fā)平臺，結合VS2008編譯環(huán)境設計開(kāi)發(fā)了模型自動(dòng)簡(jiǎn)化系統，軟件可以脫離任何CAD環(huán)境而獨立運行。

　　模型簡(jiǎn)化系統大體可分為模型的導入、模型的簡(jiǎn)化和模型的導出三個(gè)部分。模型的導入又包括STEP模型的解析和模型重建兩部分;模型的簡(jiǎn)化包括刪除、去除內孔和刪除小面片等功能;模型的導出即將簡(jiǎn)化后的模型保存為STEP格式文件，可看作模型導入的逆操作。

　　1.STEP模型導入

　　STEP文件的導入工作主要用到OpenCASCADE庫的XDE(eXtendedDataExchange)模塊，此模塊包含了導入模型的裝配結構、節點(diǎn)屬性、節點(diǎn)名稱(chēng)、零件顏色和層等信息，模塊以OCAF(OpenCASCADEApplicationFramework)為基礎，可以讀寫(xiě)STEP和IGES文件。以下程序片段將加載STEP文件，并進(jìn)行必要的轉換工作。

　　STEPCAFControl_Readerreader;

　　reader.ReadFile(stepFileName);

　　Handle(TDocStd_Document)doc=newTDocStd_Document(“XDEForSTEP”);

　　reader.SetColorMode(true);

　　reader.SetNameMode(true);

　　booltrans=reader.Transfer(doc);

　　文件轉換完成后就可以進(jìn)行解析，由于STEP文件保留了模型的裝配層次關(guān)系，轉換后的文件也將以此種結構保存在內存中。使用遞歸算法遍歷每一個(gè)裝配節點(diǎn)，即可完成模型的導入工作。

　　2.模型簡(jiǎn)化

　　模型簡(jiǎn)化功能提供了三種簡(jiǎn)化方式：刪除零件、刪除內孔和刪除小面。刪除零件又可細分為以零件體積作為參數和以零件厚度作為參數。

　　刪除零件操作以設定的最小零件體積和最小零件厚度為參數，掃描所有的零件，將體積或厚度小于設定值的零件從裝配體中刪除掉。此外，還可以從裝配樹(shù)入手，將子裝配一起刪除。模型簡(jiǎn)化中的去除內孔和刪除小面片操作需要用到OpenCASCADE庫的ModelingAlgorithms-ShapeHealing模塊，此模塊提供了模型的分析、修補、特征操作和定制等功能，屬于OpenCASCADE庫的高級應用部分。

　　去除內孔功能的基本原理是：根據零件拓撲結構遍歷

　　模型所有的面單元，對于每一個(gè)面單元遍歷所有的內環(huán)單元，計算由內環(huán)所圍成的面的面積，當面積小于給定值時(shí)刪除此內環(huán)。刪除小面片的操作和去除內孔功能流程相似，即循環(huán)所有的面單元并計算面積，當面積小于設定值時(shí)刪除此面，刪除結束后進(jìn)行必要的模型修補工作。

　　為了提高模型簡(jiǎn)化的自動(dòng)化水平，和在無(wú)人值守的情況下(如下班后)執行簡(jiǎn)化工作，軟件提供了模型的自動(dòng)導入、簡(jiǎn)化和導出工作，圖5是自動(dòng)簡(jiǎn)化模型定制窗口，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數設置就可以實(shí)現模型自動(dòng)導入、簡(jiǎn)化和導出工作，以及操作結束后自動(dòng)關(guān)機功能。

　　3.模型導出

　　簡(jiǎn)化后的模型導出為STEP文件格式時(shí)，需保留裝配樹(shù)結構以及零件信息，如名稱(chēng)modern-psychoanalyst.com、顏色等，因此需對裝配樹(shù)節點(diǎn)進(jìn)行迭代處理。此過(guò)程為STEP模型導入的逆過(guò)程。

　　四、總結

　　本文通過(guò)引入STEP標準和軟件自動(dòng)執行技術(shù)，提出了三維模型自動(dòng)簡(jiǎn)化系統(MASS)，為CAD模型向CAE模型的轉換提供了一條新的模型解決方案，并基于OpenCASCADE開(kāi)源三維庫建立了相應的實(shí)現軟件。通過(guò)實(shí)際應用，軟件的自動(dòng)簡(jiǎn)化模型功能穩定，簡(jiǎn)化效果明顯，在降低勞動(dòng)強度的同時(shí)極大地提高了仿真工作的效率。