基于Parasolid的放样函数实现异构体模型构造

2018-01-15刘建秀

装备制造技术 2017年11期

刘建秀

0 引言

目前三维实体的模型构造主要基于两种内核：ACIS和Parasolid。其中，Parasolid是一款功能强大的实体建模核心软件，用边界表示法对实体进行几何建模[1，3，4]。在 Parasolid 中，采用导动（sweep）和放样（loft）两种特征造型方法进行模型构造。本文详细介绍放样函数的使用方法，在VC++6.0平台上以MicrostationV8为CAD系统原型，调用Parasolid图形内核函数库的放样函数实现特殊实体的建模，该实例应用于弯肘型尾水管的三维建模，并可用于其他异构体模型构造。

1 放样

在三维建模中，放样是基于一组有规律的轮廓，对轮廓施加一定的对应关系或约束来获得光滑的放样体。因此，在放样操作中，轮廓间点的对应关系和外加约束对放样体的精确度有决定性作用。在Parasolid函数库中，实现放样的函数是PK_BODY_make_lofted_body，其原型为：

int PK_BODY_make_lofted_body （int n_profiles，const PK_BODY_t profiles []，const PK_VERTEX_t start_vertices[]，const PK_BODY_make_lofted_body_o_t*options， PK_BODY_tracked_loft_r_t*constlofted_body）

其中，前三个为输入参数，n_profiles为参与放样的轮廓个数；profiles[]为参与放样的轮廓元素，如果轮廓为面元素，最终结果会生成体；如果轮廓为线元素，可以生成面；start_vertices为放样轮廓的起始点，记录轮廓间起始顶点的匹配关系，以这些起始点为基准，按照轮廓元素中点的生成顺序产生对应关系，理论上应该是一一对应，实际生产过程中，大部分情况都不是一对一的关系，具体对应关系可见第3节的介绍；options是生成放样体时可以自定义的一些属性值，其内容包括末端条件、导线、拓扑形式、弯曲度、精度等，是控制放样体质量的一个非常重要的参数；lofted_body是一个输出参数，存储生成的结果。

2 放样体的生成

本节利用第2部分中介绍的放样函数来生成放样体。在函数PK_BODY_make_lofted_body中，options是决定最终三维实体质量的关键参数，这里重点介绍这个参数。

一般先利用宏定义PK_BODY_make_lofted_body_o_m对结构体参数 PK_BODY_make_lofted_body_o_t进行初始化，将其设为默认参数，然后按需进行个性化设置。在该参数中，需要重点说明的几个成员参数是：

（1）末端条件

参数PK_BODY_loft_end_conds_t指定轮廓的末端条件，对放样轮廓的起始和终止进行约束使其符合形状要求。这是一个结构体参数，可以通过设置其成员变量PK_PARAM_periodic_t的值为PK_PARAM_periodic_yes_c约定轮廓是首尾相连的，或者为PK_PARAM_periodic_no_c设置轮廓首尾不相连；另外一个成员变量PK_BODY_loft_deriv_conds_t通过首尾轮廓时的曲率限制，可取值为K_BODY_loft_unconstrained_c无约束，PK_BODY_loft_natural_c曲率为0，以及其他值如：向量约束、面约束和平面约束[2]。

（2）顶点匹配规则

参数PK_BODY_vertex_matches_t表示顶点的匹配关系，这是一个数组，存放多个体（顶点）之间的兼容或匹配关系，其原型为：

struct PK_BODY_vertex_matches_t{int n_mappings；PK_BODY_vertex_match_t*mappings；}；

在上面的结构中，n_mappings取值为轮廓的个数减1，表示以第一个轮廓为参考，考虑其他轮廓与参考轮廓的匹配关系；PK_BODY_vertex_match_t存放当前轮廓与其相邻的轮廓的顶点匹配信息，定义如下：

struct PK_BODY_vertex_match_s{PK_BODY_t profile；int n_matches；PK_BODY_one_vertex_match_t*matches；}

其中，profile表示当前轮廓；n_matches表示需要匹配的顶点个数，如果前后轮廓顶点个数相等，取其个数即可，如果不等，取最大的；顶点的对应关系存放在数组matches中，这个参数最终决定放样体质量，该结构中存放着当前轮廓的当前顶点对应着相邻轮廓的哪一个顶点，每个顶点都要设置匹配关系，可能一对一，多对一或者一对多，具体设置可见第四节中的例子。

3 程序设计及实现

本节基于VC++6.0软件平台，以弯肘型尾水管的三维造型为例，来说明parasolid中放样函数的使用。弯肘型尾水管由肘管段和出口扩散段组成，三维建模的难点在于肘管段的绘制，它是一个90°转弯的变截面弯管，进口断面为圆形，经椭圆矩形截面渐变到出口处的矩形截面，首尾截面轮廓线相差较大，且肘管段尺寸难以用理论设计，通常采用推荐的标准肘管尺寸，参数由水轮机制造厂家提供。图1为制造厂家提供的尾水管单线图，这是一个轮廓截面由圆到方渐变的尾水管模型，共20个截面，截面参数如图1所示。

图1 尾水管单线图

在参数表中，BCDE四个参数确定了轮廓在右视图中的相对位置（坐标），offset参数确定轮廓相对于中心线的偏移量（见图1左下顶视图）。W和H分别为椭圆矩形的宽度和高度，Rroof、Rfloor分别为椭圆矩形上、下圆角的半径，如图2所示。

图2 过渡轮廓（椭圆矩形截面）示意图

为了生成放样体，需要将每一个轮廓按照顺序画在以落点为坐标原点的相对位置上，然后用放样函数PK_BODY_make_lofted_body来生成体，将轮廓及其顶点分别记录在数组profiles和vertices中，需要注意的是，轮廓形状要严格按照表格中的数据来画，例如第一个轮廓为半径为4 600的圆，但是画图时需要按照图2所标注的各参数来画，也即该轮廓由四个弧段组成，如图3左图所示，并且在画轮廓的时候要注意每个轮廓的起始点和形成方向应该一致，以保证顶点匹配的正确性。

图3 轮廓示意图

首先，对图1表中数据进行分析可知，末端条件中首轮廓为圆形，尾端轮廓为矩形，且不相连，所以在定义放样参数PK_BODY_make_lofted_body_o_t options时，限制其终端条件options.end_conditions.periodic=PK_PARAM_periodic_no_c；其次，分析轮廓形式可知，轮廓变化规律为圆-椭圆矩形-矩形，在下面的内容中，为了方便讨论，记“轮廓1到轮廓2的变化规律”为“轮廓1-2”，以此类推，则顶点匹配上有几种情况：

（1）轮廓1-2为圆形-椭圆矩形，如图3所示，顶点为4-6，属于不同顶点个数的匹配；

（2）轮廓2-3为椭圆矩形-椭圆矩形（图3右图~图2），顶点为6-8，属于不同顶点个数的匹配；

（3）轮廓3-18为椭圆矩形-椭圆矩形，顶点为8-8，属于相同顶点个数一一对应匹配；

（4）轮廓18-19为椭圆矩形-矩形，顶点为8-4，属于不同顶点个数的匹配；

（5）轮廓19-20为矩形-矩形渐变，顶点为4-4，属于相同顶点个数一一对应匹配；

综上，顶点的匹配是4-6-8-4，以第一种情况为例，显然只要设置顶点的匹配规则为L1_1—L2_1，L1_2—L2_2，L1_2—L2_3，L1-3—L2_4，L1_4—L2_5，L1_4—L2_6，将此对应关系存储在数组matches中。部分关键c++代码如下：

//顶点对应关系

PK_BODY_vertex_matches_t matches；

matches.n_mappings=profileNum-1；

matches.mappings=new PK_BODY_vertex_match_t[profileNum-1]；

PK_BODY_vertex_match_t match；

if（currentCount==4&&nextCount==6）