一类基于ACIS的CAD_CAE数据转换接口实现.pdf

Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2010 46 25 复杂产品外形通常在计算机辅助设计 Computer Aided Design CAD 软件中建模 再导入到计算机辅助工程 Com puter Aided Engineering CAE 软件建立分析模型 因此研 究CAD CAE数据转换接口是研制CAE软件必须解决的技术 问题 由于CAD软件以及CAD文件格式标准的多样性 针对 每个CAD产品或CAD文件格式开发个性化的数据转换接口 需要投入大量的人力和物力 降低研制成本和周期的有效途 径是 基于成熟的商业产品开发统一的数据转换接口 1 将 CAD数据来源的多样性交由商业产品去处理 Spatial公司 URL http In terOp 3D Interoperability Translator 能够对多种中间和原始 3D格式的实体 曲面和线框数据进行透明 直接和间接交换 并为3D应用程序提供一个可扩展的转换平台 允许添加新的 CAD格式 从而能够缩短开发时间 降低维护成本 利用Spatial公司推出的三维造型引擎ACIS 三位创始人 名字的首字母和单词Solid的首字母 和数据转换组件InterOp URL http 开发了一类自主知识产权 CAE 软 件 高 端 数 字 样 机 High End Digital Prototyping HEDP 2 的CAD数据读写接口 并利用ACIS提供的接口实现 了基本的几何修复功能 实验表明 利用算法导入的模型可 在HEDP中顺利生成网格 导出的模型可为其他CAD系统正 确读入 这验证了算法的正确性 1ACIS和HEDP的拓扑模型和几何模型 1 1ACIS的拓扑模型和几何模型 ACIS是一个基于边界表示 Boundary Representation 的 造型引擎 通过拓扑结构与几何信息表示几何模型 具体实 现时 拓扑结构按层次分解成以下这些对象 如图 1 体 BODY 块 LUMP 壳 SHELL 子壳 SUBSHELL 面 FACE 环 LOOP 线 WIRE 有 向 边 COEDGE 边 EDGE 和点 VERTEX 面 有向边 边和点都有对应的几 何类 ENTITY类是ACIS最基本的类 所有拓扑和几何类都 派生自ENTITY类 ACIS中最常用的曲线类是 intcurve 它是封装参数形式 一类基于ACIS的CAD CAE数据转换接口实现 段丽 郑建靖 孙力胜 陈建军 DUAN Li ZHENG Jian jing SUN Li sheng CHEN Jian jun 浙江大学 工程与科学计算研究中心 杭州 310027 Center for Engineering and Scientific Computation Zhejiang University Hangzhou 310027 China E mail chenjj DUAN Li ZHENG Jian jing SUN Li sheng et al Implementation of ACIS based CAD CAE data exchange interfaces Computer Engineering and Applications 2010 46 25 72 74 Abstract It is a valid way to cut down the time and capital cost of developing CAD CAE data exchange interfaces to use mature commercial CAD products Conforming to this matter of fact a type of data exchange interface is implemented based on ACIS and the corresponding data exchange component InterOp in order to provide CAD data exchange services for a CAE software the High End Digital Prototyping HEDP In addition some basic data repair services are implemented using APIs provided by ACIS Furnished with these services in the HEDP imported models can be meshed successfully and export ed models can be read by other CAD software Key words data exchange ACIS boundary representation Computer Aided Engineering CAE 摘要 基于成熟的商业产品开发 CAD CAE 数据转换接口是降低开发成本和周期的有效途径 基于 ACIS 及数据转换组件 InterOp 开发了一类自主知识产权CAE软件高端数字样机 High End Digital Prototyping HEDP 的CAD数据读写接口 并利用 ACIS提供的接口实现了基本的几何修复功能 实验表明 利用算法导入的模型可在HEDP中顺利生成网格 导出的模型可为其 他CAD系统正确读入 关键词 数据交换 ACIS 边界表达 计算机辅助工程 DOI 10 3778 j issn 1002 8331 2010 25 021文章编号 1002 8331 2010 25 0072 03文献标识码 中图分类号 TP391 72 基金项目 国家自然科学基金 the National Natural Science Foundation of China under Grant No 10872182 作者简介 段丽 1986 女 硕士生 研究方向 CAD技术 郑建靖 1985 男 硕士生 研究方向 网格生成技术 孙力胜 1984 男 硕士生 研究 方向 网格生成技术 陈建军 1979 男 博士 副教授 研究方向 计算力学软件以及高性能计算 收稿日期 2009 09 18修回日期 2009 12 18 72 2010 46 25 插值曲线的抽象类 3 最常用的曲面类是spline 它用于表示样 条曲面 算法使用了它们的3个子类 bs2 curve和bs3 curve 派生于 intcurve 分别表征二维和三维 B 样条曲线 bs3 sur face 派生于 spline 用于处理开 闭以及周期有理和非有理 曲面 1 2HEDP的拓扑模型和几何模型 为简化实现 当前版本的HEDP采用了一套简化的边界 表示 其拓扑结构包括点 GBPoint 曲线 GBCurve 环 GBLoop 面 GBFace 和区域 GBDomain 需要解释的是 环的作用 CAE分析中面对的总是有界的曲面 环被用来定 义曲面的边界 这就是裁减曲面 trimmed surface 的概念 图2给出了一个裁减曲面实例 并给出了有界曲面的网格生 成结果 HEDP 中曲线采用 Ferguson 三次样条曲线 曲面采用 Coons双三次样条曲面 4 与现在流行的NURBS曲线曲面相 比 交互式建模能力较弱 但相关几何计算高效稳定 已证明 可满足多学科数值模拟的需求 5 2数据交换接口 本质上 利用 ACIS实现数据交换接口的核心在于实现 ACIS与HEDP的几何与拓扑模型的相互映射 读入过程是从 ACIS模型到HEDP模型的映射 写出过程是从HEDP模型到 ACIS模型的映射 因为ACIS模型与HEDP模型里包含的信 息并不完全对等 读入和写出并不是简单的互逆过程 2 1读入接口 读入过程包含两个大步骤 第一步是利用InterOp组件提 供的文件读入接口读入外部文件 将其转换为ACIS的数据结 构 存储在 ENTITY LIST结构中 第二步则将存储在 ENTI TY LIST中的ACIS模型逐层映射成HEDP模型 主要关注第 二步的映射过程 拓扑上 HEDP模型中的拓扑关系是ACIS 模型中拓扑关系的一个子集 可直接从ACIS模型的拓扑关系 中获取 几何上 可利用加密采样方法将ACIS模型中曲线曲 面的数学表达转换为HEDP模型中曲线曲面的数学表达 以读入IGES文件为例 其映射过程如下 1 针对每个FACE对象 获得其对应曲面加密采样后的 型值点 利用 Coons曲面构造理论构造 HEDP 曲面对象 GB Face 2 针对每个 LOOP 对象 获得组成 LOOP 对象的所有 COEDGE对象 根据COEDGE对象对应的EDGE对象标号 构建HEDP中的GBLoop对象 设置GBLoop对象与GBFace 对象的关系 3 针对每个COEDGE对象 获取对应的EDGE对象 若 与它对应的曲线尚未转换 获得该曲线的型值点 利用Fergu son曲线构造理论构造HEDP曲线对象GBCurve 需要注意的是 通过读接口获得的模型中可能存在一些 问题 如 短边 小面 重复点等特征 甚至可能出现实体之间 的缝隙 模型拓扑信息缺失等问题 这些问题或者使网格生 成变得复杂 或者直接造成模型不正确 因此 读接口利用 ACIS中的修复机制对这类问题进行了修复 其中用到的主 要函数如下所示 BODY ptr为操作的对象 rc表示函数执行的结果是否正确 此处省略了函数执行出错时 的处理 rc api hh init body for healing BODY ptr 修复过程的前处理阶段 删除BODY ptr中的短边 小面 重复 点等 rc api hh preprocess BODY ptr 对于能够用解析式表示的曲面和曲线 尽量用解析式简化表示 rc api hh simplify auto BODY ptr 对于因为曲面之间出现缝隙而导致拓扑信息不连续的情况 缝合曲面使其尽可能地成为一个壳或二边流形体 rc api hh stitch auto BODY ptr rc api hh geombuild auto BODY ptr 修复过程的后处理阶段 删除短边 小面 重复点等 rc api hh postprocess BODY ptr 将所有未修复的曲线转换为容差曲线 rc api hh make tolerant BODY ptr 2 2写出接口 与读入过程类似 写出过程同样包含两大步骤 第一步将 HEDP模型映射到ACIS模型 存储在ACIS的ENTITY LIST 结构中 第二步利用InterOp组件的写出函数将ENTITY LIST 中的数据写出到外部文件中 主要关注步骤一的映射过程 拓扑上 因为HEDP模型是简化的边界表示模型 因此写出过 程需要构建更多的拓扑信息 几何上 HEDP模型的Ferguson 三次样条曲线和Coons双三次样条曲面分别是ACIS模型的B 样条曲线和样条曲面的一种情形 可从数学上转换 以写出IGES文件为例 其映射过程如下 1 对于每个GBFace对象 Coons曲面 将其转换为样条 曲面 以转换后得到的点坐标为参数调用bs3 surface intp 得 SUBSHELL SHELL LUMP BODY WIREFACESURFACE PCURVE CURVE APOINT COEDGE LOOP EDGE VERTEX 图1ACIS中实现的主要拓扑和几何对象及其层次关系图 在支撑曲面上利用环定义的裁剪 边界获得网格生成的区域 环 GBLoop 曲线 GBCurve 支撑曲面 GBFace 图2裁减曲面及其网格生成结果图 段丽 郑建靖 孙力胜 等 一类基于ACIS的CAD CAE数据转换接口实现73 Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2010 46 25 到样条曲面bs3 surface 通过ACIS中几何类向拓扑转换的方 法将其转换为拓扑类FACE 2 对于每个 GBLoop 对象中的 GBCurve 构建 ACIS 模 型中的有向边COEDGE与边EDGE 设置COEDGE与EDGE COEDGE与COEDGE的关系 3 对于GBLoop对象 根据 2 中得到的COEDGE构建 ACIS中对应的LOOP对象 4 设置 LOOP对象与 FACE对象的关系 得到的 FACE 包含从 FACE 往下完整的拓扑信息 将 FACE 放入 ENTI TY LIST中 需要构建的拓扑信息主要包括COEDGE与COEDGE的 关系 COEDGE与EDGE的对应 COEDGE与LOOP的对应 LOOP与FACE的对应 构建这些拓扑信息主要在第 2 和第 3 步完成 其中第 2 步具体实现过程如下 对于每个 GBCurve对 象 将其型值点作为参数调用bs3 curve hermite interp 得到 三次样条曲线 bs3 curve 根据 bs3 curve 构建有向边 CO EDGE 若该曲线GBCurve还没有对应的EDGE 则构建对应 的 EDGE 设置 COEDGE与 COEDGE的关系 包括前后关系 与伙伴关系 设置COEDGE与EDGE的关系 3实例 通过读入接口将模型导入到HEDP中 得到初始模型如 图3 此时得到的模型可能存在一些需要修复的问题 如交缠 曲线问题 通过2 1节给出的修复机制可对模型进行修复 图4 对比了修复前与修复后的曲线 图5则给出了对修复后的模 型进行自适应曲面网格生成的结果 图6说明了写出接口的有效性 它展示了某模型从HEDP 中导出到某CAD软件后绘制的效果 4结语 对于已有的系统HEDP 给出了基于ACIS的几何数据读 写接口的解决方案 并通过实验结果验证了读写接口算法 几何数据读写接口不仅实现HEDP几何数据交换接口的模块 化 避免了开发个性化的数据转换接口需要投入的大量人力 和物力 同时也使HEDP能更好地与商业软件连通 陈述的 解决方案的思路也可以应用于类似的系统中 具有一定的参 考性 参考文献 1 赵建军 王启付 基于边界表达的Parasolid与ACIS直接双向接口 J 计算机工程 2004 30 8 40 41 2 Xie L J Zheng Y Chen J J et al Enabling technologies in the problem solving environment HEDP J Communications in Com putational Physics 2008 4 5 1170 1193 3 詹海生 李广鑫 马志欣 基于ACIS的几何造型技术与系统开发 M 北京 清华大学出版社 2002 32 37 4 施法中 计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条 M 北京 高等 教育出版社 2001 456 467 5 Zheng Y Weatherill N P Turner Smith E A An interactive ge ometry utility environment for multi disciplinary computational engineering J InternationalJournalforNumericalMethodsin Engineering 2002 53 6 1277 1299 图3初始模型图 修复前 修复后 图4交缠曲线修复前与修复后对比图 图5对修复后的模型 生成的曲面网格