AP 218中性文件与CATIA系统交互方法

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(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

AP 218中性文件与CATIA系统交互方法

姚竞争，孙英展，杨帆

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

以船舶STEP标准应用协议AP 218作为中间文件，利用CATIA 二次开发技术，将STEP文件中的船舶结构信息和构件属性信息等存入CATIA系统中的SDD模块中，完成在CATIA系统中对基于AP 218协议的船体结构模型STEP文件的识别和重构，实现船体结构模型信息在CAX系统间的传递。

船体模型；CATIA 二次开发；AP 218中性文件；数据转换

0 引 言

近年来，计算机辅助设计在船舶行业中迅速发展，基于CAX系统的船舶模型设计已经成为船舶生产中不可分割的一部分。其中，CATIA软件因其功能齐全、真三维造型和数据库开放等优点，在船舶行业中被广泛应用。目前，多家船厂和设计机构在船舶设计和建模过程中选用CATIA V5软件。其中，国内的中集来福士船厂和广州文冲船厂利用CATIA软件基本实现了数字化造船，并重点对CATIA软件进行开发，拓展其功能属性，极大地提升了船舶建造的生产力。

由于CAX软件众多，系统间的模型定义和造型方法千差万别，造成系统间的信息交互无法实现，给船舶生产造成了一定的障碍。因此，现代集成制造系统[1](Comtemporary Integrated Manufacturing System， CIMS)获得了越来越广泛的应用。产品模型数据交换标准(Standard for the Exchange of Product Model Data， STEP)为实现CIMS和数据在不同系统之间的无差传递构成了一种标准性的转换模式。通过为不同的CAX软件开发STEP文件的输出和接收接口，可以实现不同CAX软件的有机结合，实现计算机制造系统的集成。

1 STEP文件及CATIA系统分析

1.1STEP概述

图1 STEP标准体系结构图

STEP是国际标准化组织ISO下属工业自动化系统技术委员会(TC 184技术委员会)产品模型数据外部表示分委会SC 4制定的统一的CAD数据交换标准，旨在建立一个支持产品全生命周期的信息组织、表达、管理和交换的标准[2-3]。

NELL[4]将STEP各部分按照功能和作用进行划分，如图1所示。

1.2STEP船舶应用协议AP218

船舶结构应用协议ISO 10303-218定义了与船舶结构系统相关的初步设计、详细设计、制造和检验的产品数据。该协议为船舶结构的产品数据在船东、船级社、设计单位和建造单位之间的传递交流提供统一的数据描述与表达规范。目前，船舶结构应用协议AP 218已应用于民用船舶和军用船舶的全生命活动周期、船舶初步设计、总体设计、建造、维护和检测等有关造船过程中[5]。

应用协议的数据规划模型表达了功能单元与船舶结构设计、建造及检验各阶段的产品数据之间的关系，相当于提供了一个没有过多细节的应用参考模型的概况。船舶结构应用协议AP 218的数据规划模型如图2所示，由图中可以看出应用协议AP 218的基本数据组织之间的组织关系。

图2 AP 218数据规划

1.3CATIA系统及开发方法

CATIA V5是由法国Dassault Systemes公司开发的一款CAD/CAE/CAM一体化软件系统。CATIA产品组织结构的最底层对象是零件(Part)，它由多个实体构成，实体中包含了几何信息和结构属性信息。零件的上一层对象为部件(Component)，它是由零件通过约束限制构成的对象，部件体现了组成部件的各零件之间的相互关系。产品(Product)是一种更高一级的数据结构，它是由零件(Part)和部件(Component)共同构成的高级模型对象。

应用CATIA系统创建的船体结构三维模型包含了全部的几何信息和结构属性信息。CATIA船体结构模型定义了构件的属性信息并储存在结构模型和对应船舶建模SDD模块中。在CATIA系统中，产品数据都是以对象和模型文件的形式一起封装的。CATIA系统采用特征造型建模技术，零件特征将用于描述模型特征的几何关系、拓扑关系和工艺等信息统一表达，并集成了零件规格属性和材料属性。其模型零件特征信息如图3所示。

图3 CATIA模型零件特征信息

CATIA V5为产品开发人员提供了5种二次开发方法[6]，分别为标准格式的输入输出、Automation API技术、智能构件、交互式用户定义特征和CAA RADE技术。本文采取Automation API方法作为系统数据交换接口的开发工具。Automation API方法是在CATIA现有功能的基础上，应用宏对操作过程进行记录并生成代码，采用VB或VB Script开发工具，在CATIA自带Automation API的基础上对所需求的应用程序进行开发。

模型信息数据以封装对象的形式存在CATIA Automation中，可以通过根对象完成对其他对象的访问。根据Automation对象组织结构，绘制CATIA编程流程图如图4所示。

图4 CATIA编程流程图

图5 中性文件信息提取方案流程

2 STEP中性文件数据提取模块设计

在STEP中性文件中，数据段中包含了实体模型全部的几何信息和拓扑信息，数据段中的每一行数据描述了实体对象的不同信息。根据数据段实体描述语句的基本格式，结合其语句结构特点，采用字符串分割的方法对中性文件数据段中的几何信息和拓扑信息进行提取[5-6]。通过关键字和实体名称的不同，将提取出来的几何和拓扑信息分别存入相应的动态数组中。中性文件信息提取方案设计流程如图5所示。

STEP中性文件的提取可分为2个阶段：第1阶段为应用字符串分割法对中性文件数据段数据信息进行分割处理，并将处理过的信息存储到自定义结构体Model中；第2阶段主要是将提取出来的信息进行分类储存，为下一步的实体实例化做准备。按照实体关键字的不同，将存储在结构体Model中的实体信息分别按照各自的实体类型转存到动态数组AP 218 List[ATTNUMBER]中。

第1阶段的具体实现过程为：通过调用OnFileOpen()函数以ASCII码形式读入文件，并将数据以字符串形式读入内存中。判断中性文件是否遵循ISO 10303国际标准中的编码规则：若中性文件不符合ISO 10303，则程序终止；若中性文件符合要求，则使用自定义C++类CStep AP 218类对读取的中性文件进行定义，并调用CStep AP 218类定义的文件分割函数DecodeFile()，将指针移到DATA数据段处，获取数据段中语句总行数，以便于设置循环次数。程序从数据段中第1行数据表达语句开始逐行对数据信息进行处理。由于本系统生成的STEP中性文件数据段语句的结构形式为#实体编号=实体关键字(实体类型-实体名，属性值1，属性值2，……)，因此文件分割函数DecodeFile()将“=” “(” “-”“，”和 “)”作为对字符串实施分割处理的分割符。将“=”之前的实体编码部分存储到自定义结构体Model的实体编码变量m_ID中，将介于“=”和“(”之间的实体关键字部分存储于结构体Model的实体关键字变量m_Keyword中，在“(”与“-”之间的实体类型部分存储于实体类型变量m_typeName中，将“-”与第1个“，”之间的实体名部分存储于结构体Model的实体名变量m_Name中，最后再将剩下的部分以“，”与“，”和“，”与“)”为分割点存入结构体Model的实体属性变量*m_Attr中。用以上方法就可以将一行数据信息的各个部分按照类别存入结构体Model中。

第2阶段为数据信息的分类存储过程。本文将分类处理后的信息储存到动态数组中。具体实现过程为：通过对存储于结构体Model的实体类型m_typeName变量值进行识别比对，将结构体Model中的各项信息分类转存到动态数组AP 218 List[ATTNUMBER]中；中性文件数据提取程序逐行处理数据信息，当程序读取到“ENDSEC”时，数据提取结束，即完成了对STEP中性文件全部实体信息的提取。中性文件信息提取算法流程如图6所示。

图6 中性文件信息提取算法

3 CATIA模型重建模块

本文对CATIA系统的开发采用Automation API方法，程序设计语言采用Visual Basic。首先，通过程序访问CATIA系统，利用Add方法创建文档对象,其中包括创建零件文档、创建产品文档和创建工程图文档；然后构造Cameras视点对象和Windows窗口对象。在对Document对象进行访问后，即可对其进行保存、另存为、关闭等操作。通过Part对象即可实现对Part Document对象的编辑，其流程如图7所示。

图7 Part Document对象编辑流程

本文将从STEP文件中提取出来的模型数据信息中通过对实体类型的查询，获取模型构建信息，进而完成模型的重建。模型重建模块构架流程如图8所示。

图8 模型重建模块构架流程

在建模过程中，对于板架、板材、扶强材和面板实体的建模信息的获取，都是通过在中性文件数据提取模块生成的实体信息链表节点数据域中搜索“实体类型”关键字，再由指针的指向逐级获取相关模型几何和拓扑信息，最终实现模型的重建。扶强材和面板实体对象在STEP标准中都是以构件实体横剖面及首尾端点的形式进行描述的，因此在CATIA建模时，通过拉伸操作即可完成建模。平面板架重建流程如图9所示。

图9 平面板架重建流程

4 AP 218文件与CATIA系统交互实例

以船舶双层底分段321为例，验证基于AP 218中性文件建模接口系统的可行性。打开操作系统并选取“AP 218中性文件建模系统”功能模块。在“AP 218中性文件建模系统”模块界面下，输入待重建STEP中性文件路径，选择CATIA文件存储路径，并运行建模系统。

模型重建完成后，应用CATIA软件查看AP 218中性文件建模系统生成的分段321 CATIA产品图，再用ST-Developer软件的Viewer查看生成的中性文件模型在ST-Tools中的效果图，并将两者进行比较，如图10～11所示。

图10 分段321对比图

图11 分段321隐藏内底板对比图

5 结 论

本文以双层底分段的板架基本信息为例，对该数据转换导入的准确性进行验证。从AP 218船体结构模型数据中的几何信息和结构属性信息进行提取，在CATIA系统中进行几何模型的重建，并将船舶结构信息存入CATIA的SDD模块中，使船舶板架模型得到数据的完整导入。对比结果显示STEP文件模型与CATIA系统模型保持一致，通过一致性测试对数据转换和导入质量进行检测，结果表明经过本系统转换后得到的模型数据与原模型数据存有一定误差，经分析主要原因在于：

(1) STEP标准对模型轮廓几何信息的描述方式是由点连结成若干段首尾相连的折线段构成的便捷闭合曲线，该描述方式对直线的描述较为准确，而曲线的曲率不能精确地表达，最终导致模型数据出现误差。

(2) 程序编写过程中自定义封装函数、循环结构以及软件系统对模型数据处理采用的拟合方法等原因产生的误差。

[1] 薛开,张家泰.基于STEP标准船舶结构应用协议(AP 218)实施方法的研究[J].哈尔滨工程大学学报,2000(06):21-25.

[2] 朱大培,徐永安,杨钦，等.基于STEP标准的数据交换的研究与实现[J].计算机工程与设计，2001,22(04):5-8.

[3] BHANDARKAR M P, NAGI R. STEP-Based Feature Extraction from STEP Geometry for Agile Manufacturing[J]. Computers in Industry,2000,41(3): 3-24.

[4] International Organization for Standardization. Industrial Automation Systems and Integration-Product Data Representation and Exchange-Part 218: Application Protocol: Ship Structure:ISO/DIS 10303-218[S].1999.

[5] 任蕾.基于STEP标准的几何信息的提取和模型重建[D].长春:吉林大学,2008.

[6] 郑波.面向STEP的实体信息交换软件的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2014.

InteractiveMethodofAP218NeutralFileandCATIA

YAO Jingzheng， SUN Yingzhan，YANG Fan

(College of Shipbuilding Engineering , Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The application protocol of ship Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP) AP 218 is taken as the intermediate file, the STEP file in the ship structure information and component attribute information are stored in the SDD module in the CATIA system by CATIA secondary development technology. The identification and reconstruction of STEP model of ship structure model based on AP 218 protocol is completed in CATIA system. The transfer of ship structural model information between CAX systems is realized.

hull structure model; CATIA secondary development ; STEP AP 218 intermediate file; data transmission

2017-06-23

姚竞争(1977-)，男，副教授

1001-4500(2017)04-0061-08

U665

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