几何样机跨平台重构技术研究

鱼瑛，白 燚，杨倩

（金航数码科技有限责任公司（航空工业信息技术中心），北京 100028）

1 引言

随着计算机辅助技术（CAX）的快速发展及广泛应用，数字样机逐渐在飞机研制过程中被提出并应用。飞机数字化几何样机主要通过三维CAD 技术描述产品的几何特征及相关的非几何信息，如拓扑结构、几何尺寸、空间位置及其他制造属性等，可用于产品的设计协调、干涉检查、虚拟装配和三维展示等。飞机设计是一项复杂的系统工程，已进入异地多厂所协同设计模式；然而不同企业会选用不同的CAD 软件，从而造成模型和数据格式不统一，需要跨平台重构模型，将其转化至统一环境下，支持异构几何样机虚拟装配、干涉检查等工作的开展[1-2]。

目前，异构CAD 软件之间数据交换方法主要是通过中性文件格式进行数据交换，为此出现了多种产品数据交换的国际标准和工业标准，如IGES、STEP、DXF 等，主流的CAD 软件已支持IGES、STEP 标准的中性文件[3]。但是，这些数据交换标准在实际工程应用中存在一些不足，在异构CAD 重构后出现信息丢失、无法修改等问题。为了提高异构几何样机转化的数据完整性，文中提出一种基于建模过程进行重构的思路来实现几何样机跨平台数据重构。

2 基于建模过程的几何样机跨平台重构技术方案

2.1 基于建模过程的几何样机跨平台重构总体思路

通过对建模过程重构的思路来实现几何样机跨平台转化，即将设计员设计模型的过程进行收集提取，并生成中性模型文件，再依据生成的中性模型文件，通过重构接口，将设计员的创建对象和操作过程自动创建一遍，创建顺序一致、对象参数完整，尽可能完整地重构模型。几何样机重构总体思路如图1 所示。

图1 几何样机重构总体思路

为了确保每个创建对象的参数完整，基于建模过程的语义环境，将模型创建过程中使用到的对象和操作过程抽象为一个一个的元模型，元模型中描述了这个对象创建所需的参数，并基于XML 语言对其进行文件存储描述，将梳理的所有元模型构建为一个中性模型库。在重构过程中获取到对象后，在元模型中找到这个对象的中性存储描述，将参数值对应填写，生成符合规范的中性XML 文件，再通过重构接口，解析XML 文件，按照元模型中的参数描述，进行目标CAD 软件的对象创建，实现几何样机的跨平台重构。

2.2 几何样机跨平台重构关键步骤

（1）几何样机信息框架梳理 目前，飞机数字化几何样机主要通过三维MBD 技术描述产品的几何特征及相关的非几何信息，如拓扑结构、几何尺寸、空间位置及其他制造属性等，可用于产品的设计协调、干涉检查、虚拟装配和展示等[4-5]。包含的几何信息和非几何信息如图2 所示。

图2 几何样机通用信息框架

（2）基于语义抽象元模型库 中性元模型库是基于总体重构思路和几何样机信息框架中的元素，梳理归纳几何样机建模过程中常用的对象（如图3 所示），再将这些对象抽象为元模型，元模型中描述了这个对象创建时所需的参数，并基于XML 语言对其进行存储描述，将梳理的所有元模型构建为一个中性模型库。在重构过程中获取到对象后，在中性模型库中找到这个对象的XML描述，将参数值根据创建对象进行设置。元模型的示例见表1 和表2。

表1 基于圆心和半径创建的圆的元模型示例

表2 拉伸元模型示例

图3 常用的几何样机建模过程对象

中性元模型库是为了实现异构软件的模型数据交换而根据专业特点设计的一套中性的元模型。通过这套中性模型集合可以映射到异构CAD 工具中的具体功能函数。

针对梳理的元模型，其中包含模型静态属性，也包括建模的过程属性。静态属性参考STEP 标准，使用XML语言进行对象的中性存储表达，所有对象的中性存储表达构建成中性元模型库。中性元模型库的表达与CAD 平台无关。以上表中两个对象为示例，中性XML 存储描述表达见表3。

表3 元模型对象的XML 描述

（3）基于中性文件的转化接口 针对几何样机的跨平台重构，需要针对重构的软件平台开发相应的转化接口。转化接口根据中性模型文件的信息描述规范驱动CAD 软件完成相应的模型解析或新建工作。中性模型文件面向不同专业领域，转化接口需要根据不同的异构CAD 软件平台单独进行开发，针对每一个软件，使用其开放的API函数，开发对应的解析读取与写入创建的功能，其转化流程如图4 所示。

图4 异构几何样机模型转化流程

3 应用实例

按照上述几何样机跨平台重构思路，开发了基于建模过程的CATIA V5 R18 与NX 9.0 之间的重构插件。实现几何样机跨CATIA V5 R18 与NX 9.0 之间的模型重构。模型重构界面及文件如图5 所示。

图5 模型重构界面及文件

插件支持基于零件和装配件的重构，在进行装配件的转化时，自动将参与装配的零组件同时进行重构。

将CATIA 模型重构为NX 9.0 的模型，重构后的装配件由独立的零组件组成，装配约束、零组件信息均可修改，如图6b 所示。将CATIA 模型转化为.stp 中性文件，再通过NX 进行.stp 文件查看，重构时所有信息均在一份.stp文件中，转化后的零件无法独立使用，模型无法进行修改，如图6c 所示。

图6 各模型示例

4 结束语

通过对几何样机重构技术的研究，形成了一种基于建模过程的异构几何样机重构思路。基于建模过程重构中性文件与STEP 标准差异见表4，基于该重构的语义环境下，确定了模型重构流程，制定了模型转化常用对象的元模型，并通过XML 语言对中性模型对象进行存储描述，形成了建模过程重构语义环境下中性模型库。该重构思路保留了设计员的设计过程，支持对模型的继续修改，提升几何样机跨平台重构后的数据完整性和可复用性。

表4 基于建模过程重构中性文件与STEP 标准差异

1）利用模型抽象方法将几何样机模型常用的创建对象和操作过程抽象为元模型，并通过XML 语言进行描述，构建中性元模型库，通过调用异构CAD 接口自动重构模型，尽可能完整地实现模型重构。

2）实现装配件的完整重构，在进行装配件重构的过程中，将参与装配的零组件自动进行重构，提高重构效率，推动模型重构的工程应用更进一步。