CATIA輸出STP格式的船體模型數(shù)據(jù)分析及重現(xiàn)

朱安慶， 杜兆陽(yáng) ， 何 佳

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，其功能覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)方面[1]。近年來(lái)CATIA發(fā)布了V6版本，更進(jìn)一步增強(qiáng)了多學(xué)科系統(tǒng)建模和仿真功能。為更好地發(fā)揮CATIA的模型性能，將CATIA軟件中生成的模型傳輸?shù)狡渌嚓P(guān)軟件中，達(dá)到模型數(shù)據(jù)共享，提高設(shè)計(jì)效率，研究CATIA軟件船體模型與其他CAD軟件的數(shù)據(jù)交換就顯得十分必要。

本文基于CATIA V6設(shè)計(jì)軟件中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)STP中間文件分析船體模型數(shù)據(jù)組成，提取模型產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并以CATIA設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的STP文件數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)為依據(jù)，運(yùn)用OpenCasCade(OCC)第三方開(kāi)源包編寫(xiě)解析程序，生成可以驗(yàn)證的三維幾何模型[2]。

1 CATIA系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)特點(diǎn)

CATIA作為一款國(guó)際流行的三維設(shè)計(jì)軟件，功能齊全，具有強(qiáng)大的混合建模能力，模型的細(xì)節(jié)表達(dá)及虛擬仿真功能也非常完善[3-4]，它的基本功能模塊及集成應(yīng)用模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型表達(dá)如圖1所示。產(chǎn)品作為最高級(jí)的組織，由若干子產(chǎn)品、部件、零件組成，其中：部件由許多的零件通過(guò)它們之間不同的約束關(guān)系組成；零件是整個(gè)產(chǎn)品模型的最底層結(jié)構(gòu)，由許多實(shí)體組成，其中包含了組成該零件的幾何及非幾何信息。本文討論以CATIA中建立的船體模型輸出STP文件，分析其結(jié)構(gòu)組成，獲取船體模型數(shù)據(jù)，利用OCC第三方開(kāi)源包，編寫(xiě)解析程序，實(shí)現(xiàn)模型重建[5]。

圖1 CATIA產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)

2 STP文件基本組成

STP文件格式滿足STEP模型交換標(biāo)準(zhǔn)，模型數(shù)據(jù)覆蓋產(chǎn)品整個(gè)生命周期中所有數(shù)據(jù)元素，包括為進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、制造、測(cè)試、檢驗(yàn)和產(chǎn)品支持而全面定義的零部件或構(gòu)件所需的幾何、拓?fù)洹⒐睢㈥P(guān)系、屬性和性能等數(shù)據(jù)。因此，選用這種輸出文件作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析能準(zhǔn)確得到模型數(shù)據(jù)信息。

STP文件由ISO-10303-21開(kāi)始，由END-ISO-10303-21結(jié)束[6]，每1行數(shù)據(jù)由基本字符串組成，其中包含了表示特定意義的標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)信息等，整個(gè)文件從結(jié)構(gòu)上分為頭部分和數(shù)據(jù)部分。

頭部分主要是對(duì)整個(gè)交換文件的基本信息進(jìn)行描述，如用戶(hù)、工程名、日期、文件版本等信息，以HEADER開(kāi)頭，以ENDSEC結(jié)尾。數(shù)據(jù)部分是STP文件的主體部分，是對(duì)各個(gè)實(shí)體信息描述的集合，主要對(duì)具體模型信息進(jìn)行描述，以DATA開(kāi)頭，以ENDSEC結(jié)尾。本文主要針對(duì)數(shù)據(jù)部分對(duì)文件進(jìn)行解析，獲取模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)部分是各實(shí)體描述的集合，采用擴(kuò)展邊界表示法來(lái)描述實(shí)體。通過(guò)對(duì)導(dǎo)出的多個(gè)STP文件進(jìn)行分析，總結(jié)出STP文件中對(duì)一般實(shí)體的表示格式是：

#數(shù)字=實(shí)體關(guān)鍵字(‘實(shí)體名稱(chēng)’，屬性1，屬性2，…);

例如：

#38=CARTESIAN_POINT('Vertex',(58 200.,-2 800.,12 000.));

從這行數(shù)據(jù)中可以得出：標(biāo)識(shí)符38表示的是1個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)為某直線的頂點(diǎn)，由坐標(biāo)(58 200.,-2 800.,12 000.)確定位置。

不同實(shí)體實(shí)例通過(guò)其屬性的組成進(jìn)行聯(lián)系，例如：#121=LINE('Line',#118,#120)，其中#121表示的是1條線，括號(hào)內(nèi)是該標(biāo)識(shí)符下的實(shí)體名稱(chēng)——線及括號(hào)內(nèi)組成這條線的2個(gè)屬性，這2個(gè)屬性用標(biāo)識(shí)符表示，繼續(xù)查找括號(hào)內(nèi)屬性值所代表的實(shí)體，得到組成這條線的其他信息，最終完整實(shí)體實(shí)例。

3 基于CATIA的STP格式船體模型數(shù)據(jù)分析

3.1 基于CATIA的STP輸出格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

STP文件描述的CATIA模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為3類(lèi)，分別是幾何信息、拓?fù)湫畔⒓皩傩孕畔ⅲ渲袔缀涡畔⒑屯負(fù)湫畔⑹荢TP文件中描述模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的核心部分，也是實(shí)體造型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析文件中的這些數(shù)據(jù)來(lái)完成幾何實(shí)體的構(gòu)造。

(1) 幾何信息。文件中定義的幾何信息包括點(diǎn)、線、面等幾何元素，如：點(diǎn)包含笛卡爾點(diǎn)；線包含直線、B樣條曲線、圓、曲線等；面包含曲面、平面、B樣條曲面等；此外，還有方向、矢量、方位等的定義。文件中這些幾何元素通過(guò)實(shí)體關(guān)鍵字來(lái)區(qū)別定義，具體的幾何元素關(guān)系如圖2所示。

(2) 拓?fù)湫畔ⅰＮ募械耐負(fù)湫畔瑢?shí)體間的連接、鄰接關(guān)系，這種拓?fù)潢P(guān)系描述了幾何上的點(diǎn)、線、面等元素的相鄰關(guān)系。文件中定義的拓?fù)湓刂饕袣ぁ⒚妗h(huán)、邊、頂點(diǎn)，具體的拓?fù)湓仃P(guān)系如圖3所示。

圖2 幾何實(shí)體元素關(guān)系

圖3 拓?fù)鋵?shí)體元素關(guān)系

通過(guò)分析總結(jié)，STP文件中描述模型產(chǎn)品的實(shí)體主要有：笛卡爾點(diǎn)(CARTESIAN_POINT)、頂點(diǎn)(VERTEX_POINT)、方向(DIRECTION)、矢量(VECTOR)等，通過(guò)查找各實(shí)體的關(guān)鍵字，找到各實(shí)體間的幾何及拓?fù)潢P(guān)系來(lái)完整地描述模型實(shí)體信息。

下面以CATIA軟件建立的板材模型為例，導(dǎo)出STP格式的文件，對(duì)相應(yīng)的STP文件進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

3.2 平面板材的結(jié)構(gòu)組成

在CATIA中建立船體平面板架模型，如圖4所示，并基于此對(duì)船體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 平面板架模型

在STP文件的基本組成中，STP文件表達(dá)模型數(shù)據(jù)分為幾何體定義和幾何信息定義等2部分，文中僅對(duì)其所表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的幾何體定義內(nèi)的信息進(jìn)行分析。分析平面板架的STP文件，得出平面板材的表達(dá)是通過(guò)在一個(gè)大表面上定義一個(gè)閉合邊界來(lái)確定面的具體形狀和位置。

文件中一個(gè)平板實(shí)體是一個(gè)高級(jí)面(ADVANCED_FACE)組成，同時(shí)在STP文件中，表示高級(jí)面的這行數(shù)據(jù)內(nèi)有命名這個(gè)平板的名稱(chēng)，通過(guò)這行數(shù)據(jù)可以得到需要的板的屬性信息，例如：

#328=ADVANCED_FACE('DECK_9 000 A.BL_0 mm_8 mm_STEEL A235',(#327),#56,.T.) ;

從這條數(shù)據(jù)中可以得出：這個(gè)高級(jí)面所定義的是1個(gè)命名為DECK_9 000. BL_0 mm_8 mm_STEEL A235的甲板面，可從中得到需要的信息。高級(jí)面由1個(gè)面的邊界(FACE_OUTER_BOUND)和1個(gè)幾何曲面(PLANE)組成，這里的PLANE就是1個(gè)在某高度上無(wú)限大的面，相當(dāng)于1個(gè)大表面；面的邊界(FACE_OUTER_BOUND)由多個(gè)邊界環(huán)(EDGE_LOOP)組成，邊界環(huán)由多個(gè)有向邊(ORIENTED_EDGE)組成，根據(jù)不同面的具體形狀，STP文件會(huì)按照STEP標(biāo)準(zhǔn)劃分不等數(shù)量的有向邊；不同的有向邊之間首尾相連形成封閉邊界環(huán)。每個(gè)有向邊由1個(gè)邊界曲線(EDGE_CURVE)組成，邊界曲線由2個(gè)頂點(diǎn)(VERTEX_POINT)和表示邊的幾何曲線(LINE)組成，這里的頂點(diǎn)分別是起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，2點(diǎn)連線即為邊界曲線，幾何曲線由1個(gè)起點(diǎn)(Line Origine)和矢量(VECTOR)組成，幾何曲線方向表示該邊界曲線的方向。在平面板材中，通過(guò)這些實(shí)體組成的邊界來(lái)描述具體的平板。

對(duì)于不同的平面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在STP文件中的表達(dá)均是如此，平面板材數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 平面板材數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.3 STP文件的解析

對(duì)CATIA的STP文件的解析采用開(kāi)發(fā)外插程序的方法進(jìn)行，對(duì)STP文件進(jìn)行預(yù)處理，遍歷整個(gè)文件，以分割字符串的方法將文件中的數(shù)據(jù)按不同的實(shí)體進(jìn)行分類(lèi)，具體的流程如圖6和圖7所示。

圖6 文件處理流程

圖7 字符串分割具體流程

完成文件中不同實(shí)體的數(shù)據(jù)處理后，對(duì)提取出來(lái)的數(shù)據(jù)按照船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行重新組織。判斷該實(shí)體是否為板材、型材、肘板、面板等，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行不同的處理，得出相應(yīng)信息，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息保存到相應(yīng)的零件節(jié)點(diǎn)下，完成數(shù)據(jù)提取，并輸出.txt文件以便驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。處理流程如圖8所示。

示例結(jié)構(gòu)的.txt文件生成如下：

#328 ADVANCED_FACE

NAME: DECK_9 000 A.BL_0 mm_8 mm_STEEL A235 //節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)

H: 9 //高度

Thick: 8 //厚度

Material: A235 //材料

#327 FACE_OUTER_BOUND: //板邊界

#316 EDGE_LOOP //邊界環(huán)

#317 ORIENTED_EDGE //邊界曲線，以B樣條曲線描述

圖8 實(shí)體模型處理

#57 B_SPLINE_CURVE_WITH_KNOTS:CARTESIAN_POINT(71.200 000 8.172 622 9.000 000) …… //省略若干坐標(biāo)

#318 ORIENTED_EDGE

#69 B_SPLINE_CURVE_WITH_KNOTS:CARTESIAN_POINT(81.399 000 3.280 384 9.000 000) ……

3.4 基于OCC的船體模型重現(xiàn)

STP格式文件通用CAD文件交換格式，遵守STEP標(biāo)準(zhǔn)，可運(yùn)用開(kāi)源OCC對(duì)CATIA導(dǎo)出的STP文件進(jìn)行模型重建。OCC將類(lèi)庫(kù)中有關(guān)聯(lián)的類(lèi)封裝成1個(gè)包(Package)，這個(gè)包被翻譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，為開(kāi)發(fā)者提供所需的接口函數(shù)。OCC中獨(dú)立的STEP數(shù)據(jù)交換模塊可以讀取、寫(xiě)入STEP標(biāo)準(zhǔn)文件中數(shù)據(jù)模型的幾何、拓?fù)洹傩缘刃畔ⅲ⑦M(jìn)行三維模型的重建。本文運(yùn)用OCC工具編程，將STP文件中的數(shù)據(jù)模型映射成OCC數(shù)據(jù)模型，通過(guò)OCC數(shù)據(jù)模型的重建來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)STP文件中數(shù)據(jù)模型的三維重建。STP文件中數(shù)據(jù)模型的拓?fù)鋵?shí)體與OCC對(duì)象之間的映射關(guān)系如圖9所示，幾何實(shí)體與OCC對(duì)象之間的映射關(guān)系如圖10所示。

圖9 STP文件中拓?fù)鋵?shí)體與OCC對(duì)象之間的映射

圖10 STP文件中幾何實(shí)體與OCC對(duì)象之間的映射

在文件的解析過(guò)程中，生成能夠驗(yàn)證的OCC幾何實(shí)體模型集，對(duì)OCC幾何模型集進(jìn)行遍歷解析，獲取幾何信息，實(shí)現(xiàn)CATIA導(dǎo)出的STP文件的船體三維實(shí)體模型重建。以本文所建立的平面板架為例，驗(yàn)證本文利用OCC所開(kāi)發(fā)解析程序的有效性。本程序的流程圖如圖11所示，船體結(jié)構(gòu)平面模型重建效果圖如圖12所示。

圖11 程序流程

圖12 基于OCC的船體結(jié)構(gòu)模型重建效果圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)CATIA軟件導(dǎo)出的STP文件進(jìn)行分析，間接得到了CATIA中模型的幾何、拓?fù)浼捌湎嚓P(guān)屬性等信息。在文件解析過(guò)程中，采用分析中性文件的方法，提取出模型的數(shù)據(jù)信息，提高了后續(xù)開(kāi)發(fā)CATIA軟件與其他軟件的數(shù)據(jù)交換接口程序的獨(dú)立性，減少數(shù)據(jù)分析過(guò)程中對(duì)軟件的依賴(lài)性。同時(shí)，利用OCC第三方開(kāi)源包，編寫(xiě)解析程序，實(shí)現(xiàn)CATIA導(dǎo)出的STP文件的船體三維實(shí)體模型重建。