， ，

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

AP 218中性文件與CATIA系統(tǒng)交互方法

姚競爭，孫英展，楊帆

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

以船舶STEP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)議AP 218作為中間文件，利用CATIA 二次開發(fā)技術(shù)，將STEP文件中的船舶結(jié)構(gòu)信息和構(gòu)件屬性信息等存入CATIA系統(tǒng)中的SDD模塊中，完成在CATIA系統(tǒng)中對基于AP 218協(xié)議的船體結(jié)構(gòu)模型STEP文件的識別和重構(gòu)，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)模型信息在CAX系統(tǒng)間的傳遞。

船體模型；CATIA 二次開發(fā)；AP 218中性文件；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

0 引 言

近年來，計算機輔助設(shè)計在船舶行業(yè)中迅速發(fā)展，基于CAX系統(tǒng)的船舶模型設(shè)計已經(jīng)成為船舶生產(chǎn)中不可分割的一部分。其中，CATIA軟件因其功能齊全、真三維造型和數(shù)據(jù)庫開放等優(yōu)點，在船舶行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。目前，多家船廠和設(shè)計機構(gòu)在船舶設(shè)計和建模過程中選用CATIA V5軟件。其中，國內(nèi)的中集來福士船廠和廣州文沖船廠利用CATIA軟件基本實現(xiàn)了數(shù)字化造船，并重點對CATIA軟件進行開發(fā)，拓展其功能屬性，極大地提升了船舶建造的生產(chǎn)力。

由于CAX軟件眾多，系統(tǒng)間的模型定義和造型方法千差萬別，造成系統(tǒng)間的信息交互無法實現(xiàn)，給船舶生產(chǎn)造成了一定的障礙。因此，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)[1](Comtemporary Integrated Manufacturing System， CIMS)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for the Exchange of Product Model Data， STEP)為實現(xiàn)CIMS和數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的無差傳遞構(gòu)成了一種標(biāo)準(zhǔn)性的轉(zhuǎn)換模式。通過為不同的CAX軟件開發(fā)STEP文件的輸出和接收接口，可以實現(xiàn)不同CAX軟件的有機結(jié)合，實現(xiàn)計算機制造系統(tǒng)的集成。

1 STEP文件及CATIA系統(tǒng)分析

1.1STEP概述

圖1 STEP標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)圖

STEP是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO下屬工業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)委員會(TC 184技術(shù)委員會)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)外部表示分委會SC 4制定的統(tǒng)一的CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，旨在建立一個支持產(chǎn)品全生命周期的信息組織、表達、管理和交換的標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

NELL[4]將STEP各部分按照功能和作用進行劃分，如圖1所示。

1.2STEP船舶應(yīng)用協(xié)議AP218

船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用協(xié)議ISO 10303-218定義了與船舶結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相關(guān)的初步設(shè)計、詳細設(shè)計、制造和檢驗的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。該協(xié)議為船舶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在船東、船級社、設(shè)計單位和建造單位之間的傳遞交流提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述與表達規(guī)范。目前，船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用協(xié)議AP 218已應(yīng)用于民用船舶和軍用船舶的全生命活動周期、船舶初步設(shè)計、總體設(shè)計、建造、維護和檢測等有關(guān)造船過程中[5]。

應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)規(guī)劃模型表達了功能單元與船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造及檢驗各階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，相當(dāng)于提供了一個沒有過多細節(jié)的應(yīng)用參考模型的概況。船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用協(xié)議AP 218的數(shù)據(jù)規(guī)劃模型如圖2所示，由圖中可以看出應(yīng)用協(xié)議AP 218的基本數(shù)據(jù)組織之間的組織關(guān)系。

圖2 AP 218數(shù)據(jù)規(guī)劃

1.3CATIA系統(tǒng)及開發(fā)方法

CATIA V5是由法國Dassault Systemes公司開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM一體化軟件系統(tǒng)。CATIA產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的最底層對象是零件(Part)，它由多個實體構(gòu)成，實體中包含了幾何信息和結(jié)構(gòu)屬性信息。零件的上一層對象為部件(Component)，它是由零件通過約束限制構(gòu)成的對象，部件體現(xiàn)了組成部件的各零件之間的相互關(guān)系。產(chǎn)品(Product)是一種更高一級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是由零件(Part)和部件(Component)共同構(gòu)成的高級模型對象。

應(yīng)用CATIA系統(tǒng)創(chuàng)建的船體結(jié)構(gòu)三維模型包含了全部的幾何信息和結(jié)構(gòu)屬性信息。CATIA船體結(jié)構(gòu)模型定義了構(gòu)件的屬性信息并儲存在結(jié)構(gòu)模型和對應(yīng)船舶建模SDD模塊中。在CATIA系統(tǒng)中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)都是以對象和模型文件的形式一起封裝的。CATIA系統(tǒng)采用特征造型建模技術(shù)，零件特征將用于描述模型特征的幾何關(guān)系、拓撲關(guān)系和工藝等信息統(tǒng)一表達，并集成了零件規(guī)格屬性和材料屬性。其模型零件特征信息如圖3所示。

圖3 CATIA模型零件特征信息

CATIA V5為產(chǎn)品開發(fā)人員提供了5種二次開發(fā)方法[6]，分別為標(biāo)準(zhǔn)格式的輸入輸出、Automation API技術(shù)、智能構(gòu)件、交互式用戶定義特征和CAA RADE技術(shù)。本文采取Automation API方法作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口的開發(fā)工具。Automation API方法是在CATIA現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用宏對操作過程進行記錄并生成代碼，采用VB或VB Script開發(fā)工具，在CATIA自帶Automation API的基礎(chǔ)上對所需求的應(yīng)用程序進行開發(fā)。

模型信息數(shù)據(jù)以封裝對象的形式存在CATIA Automation中，可以通過根對象完成對其他對象的訪問。根據(jù)Automation對象組織結(jié)構(gòu)，繪制CATIA編程流程圖如圖4所示。

圖4 CATIA編程流程圖

圖5 中性文件信息提取方案流程

2 STEP中性文件數(shù)據(jù)提取模塊設(shè)計

在STEP中性文件中，數(shù)據(jù)段中包含了實體模型全部的幾何信息和拓撲信息，數(shù)據(jù)段中的每一行數(shù)據(jù)描述了實體對象的不同信息。根據(jù)數(shù)據(jù)段實體描述語句的基本格式，結(jié)合其語句結(jié)構(gòu)特點，采用字符串分割的方法對中性文件數(shù)據(jù)段中的幾何信息和拓撲信息進行提取[5-6]。通過關(guān)鍵字和實體名稱的不同，將提取出來的幾何和拓撲信息分別存入相應(yīng)的動態(tài)數(shù)組中。中性文件信息提取方案設(shè)計流程如圖5所示。

STEP中性文件的提取可分為2個階段：第1階段為應(yīng)用字符串分割法對中性文件數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)信息進行分割處理，并將處理過的信息存儲到自定義結(jié)構(gòu)體Model中；第2階段主要是將提取出來的信息進行分類儲存，為下一步的實體實例化做準(zhǔn)備。按照實體關(guān)鍵字的不同，將存儲在結(jié)構(gòu)體Model中的實體信息分別按照各自的實體類型轉(zhuǎn)存到動態(tài)數(shù)組AP 218 List[ATTNUMBER]中。

第1階段的具體實現(xiàn)過程為：通過調(diào)用OnFileOpen()函數(shù)以ASCII碼形式讀入文件，并將數(shù)據(jù)以字符串形式讀入內(nèi)存中。判斷中性文件是否遵循ISO 10303國際標(biāo)準(zhǔn)中的編碼規(guī)則：若中性文件不符合ISO 10303，則程序終止；若中性文件符合要求，則使用自定義C++類CStep AP 218類對讀取的中性文件進行定義，并調(diào)用CStep AP 218類定義的文件分割函數(shù)DecodeFile()，將指針移到DATA數(shù)據(jù)段處，獲取數(shù)據(jù)段中語句總行數(shù)，以便于設(shè)置循環(huán)次數(shù)。程序從數(shù)據(jù)段中第1行數(shù)據(jù)表達語句開始逐行對數(shù)據(jù)信息進行處理。由于本系統(tǒng)生成的STEP中性文件數(shù)據(jù)段語句的結(jié)構(gòu)形式為#實體編號=實體關(guān)鍵字(實體類型-實體名，屬性值1，屬性值2，……)，因此文件分割函數(shù)DecodeFile()將“=” “(” “-”“，”和 “)”作為對字符串實施分割處理的分割符。將“=”之前的實體編碼部分存儲到自定義結(jié)構(gòu)體Model的實體編碼變量m_ID中，將介于“=”和“(”之間的實體關(guān)鍵字部分存儲于結(jié)構(gòu)體Model的實體關(guān)鍵字變量m_Keyword中，在“(”與“-”之間的實體類型部分存儲于實體類型變量m_typeName中，將“-”與第1個“，”之間的實體名部分存儲于結(jié)構(gòu)體Model的實體名變量m_Name中，最后再將剩下的部分以“，”與“，”和“，”與“)”為分割點存入結(jié)構(gòu)體Model的實體屬性變量*m_Attr中。用以上方法就可以將一行數(shù)據(jù)信息的各個部分按照類別存入結(jié)構(gòu)體Model中。

第2階段為數(shù)據(jù)信息的分類存儲過程。本文將分類處理后的信息儲存到動態(tài)數(shù)組中。具體實現(xiàn)過程為：通過對存儲于結(jié)構(gòu)體Model的實體類型m_typeName變量值進行識別比對，將結(jié)構(gòu)體Model中的各項信息分類轉(zhuǎn)存到動態(tài)數(shù)組AP 218 List[ATTNUMBER]中；中性文件數(shù)據(jù)提取程序逐行處理數(shù)據(jù)信息，當(dāng)程序讀取到“ENDSEC”時，數(shù)據(jù)提取結(jié)束，即完成了對STEP中性文件全部實體信息的提取。中性文件信息提取算法流程如圖6所示。

圖6 中性文件信息提取算法

3 CATIA模型重建模塊

本文對CATIA系統(tǒng)的開發(fā)采用Automation API方法，程序設(shè)計語言采用Visual Basic。首先，通過程序訪問CATIA系統(tǒng)，利用Add方法創(chuàng)建文檔對象,其中包括創(chuàng)建零件文檔、創(chuàng)建產(chǎn)品文檔和創(chuàng)建工程圖文檔；然后構(gòu)造Cameras視點對象和Windows窗口對象。在對Document對象進行訪問后，即可對其進行保存、另存為、關(guān)閉等操作。通過Part對象即可實現(xiàn)對Part Document對象的編輯，其流程如圖7所示。

圖7 Part Document對象編輯流程

本文將從STEP文件中提取出來的模型數(shù)據(jù)信息中通過對實體類型的查詢，獲取模型構(gòu)建信息，進而完成模型的重建。模型重建模塊構(gòu)架流程如圖8所示。

圖8 模型重建模塊構(gòu)架流程

在建模過程中，對于板架、板材、扶強材和面板實體的建模信息的獲取，都是通過在中性文件數(shù)據(jù)提取模塊生成的實體信息鏈表節(jié)點數(shù)據(jù)域中搜索“實體類型”關(guān)鍵字，再由指針的指向逐級獲取相關(guān)模型幾何和拓撲信息，最終實現(xiàn)模型的重建。扶強材和面板實體對象在STEP標(biāo)準(zhǔn)中都是以構(gòu)件實體橫剖面及首尾端點的形式進行描述的，因此在CATIA建模時，通過拉伸操作即可完成建模。平面板架重建流程如圖9所示。

圖9 平面板架重建流程

4 AP 218文件與CATIA系統(tǒng)交互實例

以船舶雙層底分段321為例，驗證基于AP 218中性文件建模接口系統(tǒng)的可行性。打開操作系統(tǒng)并選取“AP 218中性文件建模系統(tǒng)”功能模塊。在“AP 218中性文件建模系統(tǒng)”模塊界面下，輸入待重建STEP中性文件路徑，選擇CATIA文件存儲路徑，并運行建模系統(tǒng)。

模型重建完成后，應(yīng)用CATIA軟件查看AP 218中性文件建模系統(tǒng)生成的分段321 CATIA產(chǎn)品圖，再用ST-Developer軟件的Viewer查看生成的中性文件模型在ST-Tools中的效果圖，并將兩者進行比較，如圖10～11所示。

圖10 分段321對比圖

圖11 分段321隱藏內(nèi)底板對比圖

5 結(jié) 論

本文以雙層底分段的板架基本信息為例，對該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入的準(zhǔn)確性進行驗證。從AP 218船體結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)中的幾何信息和結(jié)構(gòu)屬性信息進行提取，在CATIA系統(tǒng)中進行幾何模型的重建，并將船舶結(jié)構(gòu)信息存入CATIA的SDD模塊中，使船舶板架模型得到數(shù)據(jù)的完整導(dǎo)入。對比結(jié)果顯示STEP文件模型與CATIA系統(tǒng)模型保持一致，通過一致性測試對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入質(zhì)量進行檢測，結(jié)果表明經(jīng)過本系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后得到的模型數(shù)據(jù)與原模型數(shù)據(jù)存有一定誤差，經(jīng)分析主要原因在于：

(1) STEP標(biāo)準(zhǔn)對模型輪廓幾何信息的描述方式是由點連結(jié)成若干段首尾相連的折線段構(gòu)成的便捷閉合曲線，該描述方式對直線的描述較為準(zhǔn)確，而曲線的曲率不能精確地表達，最終導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

(2) 程序編寫過程中自定義封裝函數(shù)、循環(huán)結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)對模型數(shù)據(jù)處理采用的擬合方法等原因產(chǎn)生的誤差。

[1] 薛開,張家泰.基于STEP標(biāo)準(zhǔn)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用協(xié)議(AP 218)實施方法的研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2000(06):21-25.

[2] 朱大培,徐永安,楊欽，等.基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，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標(biāo)準(zhǔn)的幾何信息的提取和模型重建[D].長春:吉林大學(xué),2008.

[6] 鄭波.面向STEP的實體信息交換軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),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

姚競爭(1977-)，男，副教授

1001-4500(2017)04-0061-08

U665

： A