幾何樣機跨平臺重構技術研究

魚瑛，白 燚，楊倩

（金航數碼科技有限責任公司（航空工業信息技術中心），北京 100028）

1 引言

隨著計算機輔助技術（CAX）的快速發展及廣泛應用，數字樣機逐漸在飛機研制過程中被提出并應用。飛機數字化幾何樣機主要通過三維CAD 技術描述產品的幾何特征及相關的非幾何信息，如拓撲結構、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產品的設計協調、干涉檢查、虛擬裝配和三維展示等。飛機設計是一項復雜的系統工程，已進入異地多廠所協同設計模式；然而不同企業會選用不同的CAD 軟件，從而造成模型和數據格式不統一，需要跨平臺重構模型，將其轉化至統一環境下，支持異構幾何樣機虛擬裝配、干涉檢查等工作的開展[1-2]。

目前，異構CAD 軟件之間數據交換方法主要是通過中性文件格式進行數據交換，為此出現了多種產品數據交換的國際標準和工業標準，如IGES、STEP、DXF 等，主流的CAD 軟件已支持IGES、STEP 標準的中性文件[3]。但是，這些數據交換標準在實際工程應用中存在一些不足，在異構CAD 重構后出現信息丟失、無法修改等問題。為了提高異構幾何樣機轉化的數據完整性，文中提出一種基于建模過程進行重構的思路來實現幾何樣機跨平臺數據重構。

2 基于建模過程的幾何樣機跨平臺重構技術方案

2.1 基于建模過程的幾何樣機跨平臺重構總體思路

通過對建模過程重構的思路來實現幾何樣機跨平臺轉化，即將設計員設計模型的過程進行收集提取，并生成中性模型文件，再依據生成的中性模型文件，通過重構接口，將設計員的創建對象和操作過程自動創建一遍，創建順序一致、對象參數完整，盡可能完整地重構模型。幾何樣機重構總體思路如圖1 所示。

圖1 幾何樣機重構總體思路

為了確保每個創建對象的參數完整，基于建模過程的語義環境，將模型創建過程中使用到的對象和操作過程抽象為一個一個的元模型，元模型中描述了這個對象創建所需的參數，并基于XML 語言對其進行文件存儲描述，將梳理的所有元模型構建為一個中性模型庫。在重構過程中獲取到對象后，在元模型中找到這個對象的中性存儲描述，將參數值對應填寫，生成符合規范的中性XML 文件，再通過重構接口，解析XML 文件，按照元模型中的參數描述，進行目標CAD 軟件的對象創建，實現幾何樣機的跨平臺重構。

2.2 幾何樣機跨平臺重構關鍵步驟

（1）幾何樣機信息框架梳理 目前，飛機數字化幾何樣機主要通過三維MBD 技術描述產品的幾何特征及相關的非幾何信息，如拓撲結構、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產品的設計協調、干涉檢查、虛擬裝配和展示等[4-5]。包含的幾何信息和非幾何信息如圖2 所示。

圖2 幾何樣機通用信息框架

（2）基于語義抽象元模型庫 中性元模型庫是基于總體重構思路和幾何樣機信息框架中的元素，梳理歸納幾何樣機建模過程中常用的對象（如圖3 所示），再將這些對象抽象為元模型，元模型中描述了這個對象創建時所需的參數，并基于XML 語言對其進行存儲描述，將梳理的所有元模型構建為一個中性模型庫。在重構過程中獲取到對象后，在中性模型庫中找到這個對象的XML描述，將參數值根據創建對象進行設置。元模型的示例見表1 和表2。

表1 基于圓心和半徑創建的圓的元模型示例

表2 拉伸元模型示例

圖3 常用的幾何樣機建模過程對象

中性元模型庫是為了實現異構軟件的模型數據交換而根據專業特點設計的一套中性的元模型。通過這套中性模型集合可以映射到異構CAD 工具中的具體功能函數。

針對梳理的元模型，其中包含模型靜態屬性，也包括建模的過程屬性。靜態屬性參考STEP 標準，使用XML語言進行對象的中性存儲表達，所有對象的中性存儲表達構建成中性元模型庫。中性元模型庫的表達與CAD 平臺無關。以上表中兩個對象為示例，中性XML 存儲描述表達見表3。

表3 元模型對象的XML 描述

（3）基于中性文件的轉化接口 針對幾何樣機的跨平臺重構，需要針對重構的軟件平臺開發相應的轉化接口。轉化接口根據中性模型文件的信息描述規范驅動CAD 軟件完成相應的模型解析或新建工作。中性模型文件面向不同專業領域，轉化接口需要根據不同的異構CAD 軟件平臺單獨進行開發，針對每一個軟件，使用其開放的API函數，開發對應的解析讀取與寫入創建的功能，其轉化流程如圖4 所示。

圖4 異構幾何樣機模型轉化流程

3 應用實例

按照上述幾何樣機跨平臺重構思路，開發了基于建模過程的CATIA V5 R18 與NX 9.0 之間的重構插件。實現幾何樣機跨CATIA V5 R18 與NX 9.0 之間的模型重構。模型重構界面及文件如圖5 所示。

圖5 模型重構界面及文件

插件支持基于零件和裝配件的重構，在進行裝配件的轉化時，自動將參與裝配的零組件同時進行重構。

將CATIA 模型重構為NX 9.0 的模型，重構后的裝配件由獨立的零組件組成，裝配約束、零組件信息均可修改，如圖6b 所示。將CATIA 模型轉化為.stp 中性文件，再通過NX 進行.stp 文件查看，重構時所有信息均在一份.stp文件中，轉化后的零件無法獨立使用，模型無法進行修改，如圖6c 所示。

圖6 各模型示例

4 結束語

通過對幾何樣機重構技術的研究，形成了一種基于建模過程的異構幾何樣機重構思路?；诮＿^程重構中性文件與STEP 標準差異見表4，基于該重構的語義環境下，確定了模型重構流程，制定了模型轉化常用對象的元模型，并通過XML 語言對中性模型對象進行存儲描述，形成了建模過程重構語義環境下中性模型庫。該重構思路保留了設計員的設計過程，支持對模型的繼續修改，提升幾何樣機跨平臺重構后的數據完整性和可復用性。

表4 基于建模過程重構中性文件與STEP 標準差異

1）利用模型抽象方法將幾何樣機模型常用的創建對象和操作過程抽象為元模型，并通過XML 語言進行描述，構建中性元模型庫，通過調用異構CAD 接口自動重構模型，盡可能完整地實現模型重構。

2）實現裝配件的完整重構，在進行裝配件重構的過程中，將參與裝配的零組件自動進行重構，提高重構效率，推動模型重構的工程應用更進一步。