結構仿真中CAD模型自動簡化系統的實現

　　隨著產品設計水平的提高，以及客戶對產品要求的增加，仿真分析已經成為產品設計、性能分析和優化不可或缺的部分，產品最終性能的改善和提高正從以經驗為主導的時代逐漸向以仿真分析為手段的階段過渡。在實際應用中，無論是有限元仿真還是結構運動和動力學仿真，一般都需要將CAD軟件中設計的三維實體模型導入到仿真分析軟件中，模型的簡化不可避免。對于單個零件或簡單裝配體的簡化，其工作量還較小，而要簡化一個復雜的裝配體，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系，有時還會導致不可預知的操作錯誤。一個復雜裝配體的簡化工作可能占到整個仿真工作量的40%左右。

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

　　一、OpenCASCADE平臺簡介

　　OpenCASCADE是基于面向對象技術開發的、針對特定領域的C++類庫，提供了點、線、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，包括二維表面和實體建模、數據交換、仿真和分析等應用。OpenCASCADE平臺提供了一個功能強大的三維建模工具庫，經過深度開發后可實現紋理、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態操作，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技術開發的，具有模塊化、易于擴展等特點。

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

　　◎幾何空間關系計算，包括法線、點積、叉積、投影和擬合等。

　　◎幾何體分析，計算模型的質心、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聯、參數化建模，以及Java應用平臺。

　　◎數據交換，涂料廣告設計提供模型的導入、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，網格模型接口包括STL、OBJ和VRML等。

　　二、STEP文件解析

　　STEP(TheSTandardfortheExchangeofProduct modeldata)標準是國際標準化組織制定的、用于描述整個產品生命周期內產品信息的標準，是一個正在完善中的“產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具體系統的中性機制，旨在實現產品數據的交換和共享。發達國家已經把STEP標準推向了工業應用，它的應用顯著降低了產品生命周期內的信息交換成本，提高了產品研發效率，成為制造業進行國際合作、參與國際競爭的重要基礎標準，是保持企業競爭力的重要工具。

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

　　STEP標準具有簡便、可兼容性、壽命周期長和可擴展性的優點，能夠很好地解決信息集成問題，實現資源的最優組合，實現信息的無縫連接。

　　由于STEP標準包含多種應用協議，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應用協議包括AP203、Ap214CD、AP214IS和AP214DIS等。要實現STEP文件到OpenCASCADE平臺的轉換過程，必須在兩者之間建立一個對象之間一一對應的映射關系，表列出了部分對象的映射關系對照表www.wi3388.com。

　　三、模型簡化系統的實現

　　模型簡化系統以OpenCASCADE作為三維模型簡化的底層開發平臺，實體模型交換數據采用國際通用的STEP文件格式，采用C#作為界面開發平臺，結合VS2008編譯環境設計開發了模型自動簡化系統，軟件可以脫離任何CAD環境而獨立運行。

　　模型簡化系統大體可分為模型的導入、模型的簡化和模型的導出三個部分。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、節點屬性、節點名稱、零件顏色和層等信息，模塊以OCAF(OpenCASCADEApplicationFramework)為基礎，可以讀寫STEP和IGES文件。以下程序片段將加載STEP文件，并進行必要的轉換工作。

　　文件轉換完成后就可以進行解析，由于STEP文件保留了模型的裝配層次關系，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裝配節點，即可完成模型的導入工作。

　　2.模型簡化

　　模型簡化功能提供了三種簡化方式：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，還可以從裝配樹入手，將子裝配一起刪除。模型簡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，對于每一個面單元遍歷所有的內環單元，計算由內環所圍成的面的面積，當面積小于給定值時刪除此內環。刪除小面片的操作和去除內孔功能流程相似，即循環所有的面單元并計算面積，當面積小于設定值時刪除此面，刪除結束后進行必要的模型修補工作。

　　為了提高模型簡化的自動化水平，和在無人值守的情況下(如下班后)執行簡化工作，軟件提供了模型的自動導入、簡化和導出工作，自動簡化模型定制窗口，通過簡單的參數設置就可以實現模型自動導入、簡化和導出工作，以及操作結束后自動關機功能。
　

　　3.模型導出

　　簡化后的模型導出為STEP文件格式時，需保留裝配樹結構以及零件信息，如名稱、顏色等，因此需對裝配樹節點進行迭代處理。此過程為STEP模型導入的逆過程。

　　四、總結

　　本文通過引入STEP標準和軟件自動執行技術，提出了三維模型自動簡化系統(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開源三維庫建立了相應的實現軟件。通過實際應用，軟件的自動簡化模型功能穩定，簡化效果明顯，在降低勞動強度的同時極大地提高了仿真工作的效率。