基于OCC的航天典型结构模型几何重构技术

2018-12-26聂蓉梅闫秀天

导弹与航天运载技术 2018年6期

王腾，周培，彭博，聂蓉梅，闫秀天

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

随着新一代运载火箭的研制，以CZ-7/CZ-5为代表的型号普遍使用了数字化的三维 CAD模型表达产品设计信息，但是现有航天产品的设计工具多采用CREO、CATIA等成熟的国外商业软件，目前并未掌握这些商业三维CAD设计工具的底层核心技术，而航天弹箭体产品三维模型是用于国防军工领域的特殊信息载体，关乎国防安全，有必要研究一种自主可控的表达航天产品结构设计信息的三维几何重构技术，使得必要时可以替代商业三维CAD软件进行信息表达。

目前国内外针对结构设计信息的三维几何重构技术的研究可以分为3类，即基于ACIS、PARASOLID和 OCC（OpenCASCADE）3种几何内核的研究。由于OCC几何内核源代码开源，相比于其余2种几何内核更适合高校课题研究，所以国内外高校及研究机构大多使用 OCC。国内外在大量的研究工作中使用了OCC的几何重构功能，但大多数文献对基于OCC几何重构的过程描述非常简单。已有的基于OCC几何重构的文献中，根据模型几何重构技术发展的先后顺序，可以将基于 OCC几何重构的研究划分为以下 3种情况：a）基于已有的二维平面图，使用OCC重构三维模型。德国弗劳恩霍夫制造工程研究所的 Sabine Roth-Koch[1]将已有的概念设计草图模型，基于 OCC内核实现了模型的三维几何重构；西安工业大学的刘峥[2]等人于2012年研究了钣金系统展平后，基于OCC内核的模型三维重构方法。但以上研究是将二维的平面模型通过坐标变换得到三维模型的关键几何信息，然后基于OCC内核实现模型的三维重构，这种方法并不直接记录三维模型的重构过程信息。b）已知模型离散点的坐标信息，使用OCC重构三维模型。意大利学者Fabrizio[3]等人通过医学扫描获取模型的关键点位置坐标，基于OCC内核实现了人体血管的三维模型几何重构；中国地质大学的孟鹏燕[4]等人于2014年研究了基于OCC内核的工程地质的三维重构问题。但以上研究均首先取得模型离散数据点的坐标信息，然后基于OCC完成结构的三维重构，这种方法并不适用于航天产品结构这类连续几何体。c）已知模型几何形状尺寸，使用OCC重构三维模型。西北核技术研究所的袁媛[5]等人在2011年通过对OCC中具体的类和函数的分析，研究了基于OCC的几何重构方法；安徽工业大学的牛标[6]等人以及西南科技大学的丁华[7]等人分别于 2013年和2014年基于OCC内核创建了CAD系统开发平台，实现了规则的棱锥、圆柱体等简单几何体的三维重构；北京理工大学的蒋孟龙[8]等人于2015年研究了基于OCC内核的几何建模功能，并以一个典型导弹为例对导弹的几何外形实现了几何重构。但以上研究只实现了将复杂模型充分简化后的三维重构实例，并没有针对具体产品的详细结构进行三维重构。

本文基于OCC内核，针对航天领域典型的弹箭体复杂产品结构的三维模型，进行几何维的、记录模型重构过程，且考虑产品详细结构信息的三维重构研究。

1 OCC几何内核简介

计算机辅助设计（CAD）软件的核心是其内部的几何内核。几何内核实际上就是一个类库，定义了图形数据的存储格式以及大量的图形算法。OCC是法国MDTV（Matra Datavision）公司开发的开源3D几何造型引擎，是一个先进的、三维的、边界表示（B-Rep）为主的几何造型工具包，是由 C++开发设计基于OpenGL的专用快速开发的CAD类库，提供统一的数据结构，同时支持线框、CSG、B-Rep3种模型，并允许这3种表示共存于统一的数据结构中。OCC几何内核最大的优点是开源，适合课题研究使用。OCC是基于面向对象的方法设计出来的对象库，由一系列的C++类构成，相关的类组织成包，包组织成工具箱，最后相关工具箱组织成模块，OCC提供了基础类模块、建模数据模块、建模算法模块、可视化模块、数据交换模块和应用程序模块6个模块供开发者使用，如图1所示。

图1 OCC结构体系Fig.1 OCC System

2 结构三维模型几何重构技术思路

本文提出的几何重构技术的思路流程如图2所示。

图2 航天结构件三维模型几何重构流程Fig.2 Geometric Reconstruction Flow Chart of 3D Aerospace Structure

要实现航天产品典型结构件三维模型的几何重构，首先需要制定包含所有航天典型产品结构件特征的描述规则，然后将结构件的关键几何尺寸进行提取，最后利用几何内核，例如OCC完成结构三维模型的几何重构[9～11]。

3 航天典型结构件的结构特点

壁板加筋结构是航天产品主体结构的一种典型结构，如图3所示是典型的壁板加筋结构——壳段，由纵向桁条、壁板以及中框、端框组成。

图3 壳段结构三维模型Fig.3 3D Model of Shell Section

查看壳段的特征组成结构可知，纵向桁条三维模型首先需要有基准平面上的草图特征，然后经过拉伸特征生成最终的桁条三维模型。壁板三维模型首先需要有基准曲面上的草图特征，然后将曲面经过加厚特征生成最终的壁板三维模型。中框首先需要有基准平面上的草图特征，然后经过扫描特征生成最终的中框三维模型。端框与中框类似，是由基准平面上的草图特征和扫描特征生成。

壳段结构组成特征如图4所示。图4a、4b所示为纵向桁条特征组成，图4c、4d所示为壁板特征组成，图4e、4f所示为端框特征组成图。所以，对于纵向桁条，生成三维模型需要提供的数据有：基准平面内待拉伸横截面的形状及关键尺寸值、拉伸的方向、拉伸的距离；对于壁板，生成三维模型需要提供的数据有：基准曲面内待加厚的曲面形状、曲面关键尺寸值、加厚的方向及厚度；对于端框和中框，生成三维模型需要提供的数据有：基准平面内待扫描的横截面形状、横截面关键尺寸值、扫描的角度值。

图4 壳段结构组成特征Fig.4 Feature of the Shell Section

续图4

4 典型结构零部件三维几何重构实现

4.1 零部件几何外形关键尺寸的确定

从以上对航天典型结构的特征分析可知：航天典型结构多为细长体结构、薄壁结构以及规则环状结构，在三维设计软件中多是通过拉伸、加厚、扫描特征生成，所以在对航天典型产品结构的模型进行三维重构时，需要准确定义及使用航天产品零部件的关键特征。

对于拉伸特征，需要定义：a）待拉伸的草图的各坐标点位置；b）拉伸的方向；c）拉伸的距离。

对于加厚特征，需要定义：a）待加厚曲面的半径、角度、高度；b）加厚的方向；c）加厚的厚度值。

对于扫描特征，需要定义：a）待扫描的草图的各坐标点位置；b）扫描的方向；c）扫描的角度。

4.2 零部件几何外形关键尺寸的提取

目前航天弹箭体产品均采用 PTC公司的三维CAD设计软件 CREO进行产品结构的三维设计，CREO自身提供了可供用户进行定制化功能拓展的二次开发接口，本文采用CREO自带的Pro/TOOLKIT开发模块实现零部件几何外形关键尺寸的提取[12,13]。使用 ProSolidFeatVisit()函数遍历待研究的产品结构三维模型，查看结构由哪些特征生成。然后使用ProSelect()函数通过交互式选取待研究产品的几何外形关键尺寸，将关键尺寸以规则列表的形式存放于.txt文档中，待三维模型几何重构使用。

4.3 基于OCC的三维模型几何重构

OCC采用Brep的方式，通过定义点、线的方式生成三维模型，首先通过BRepBuilderAPI_MakeVer tex()函数实现对点坐标的定义，使用BRepBuilderAPI_Mak e Edge()函数实现对边的定义，使用BRepBuilderAPI_MakeWire()函数实现对封闭边界的定义，再通过设置显示颜色等完成对零部件的三维模型几何重构。

4.4 零部件在装配体系的位姿矩阵定义

在实现航天产品零部件三维模型的几何重构之后，需要将重构的三维零件模型按照装配规则形成三维装配体模型。本文采用全局装配的方法，零件自身默认坐标系在全局坐标系下的位置和姿态（简称位姿）是通过1个4×4阶矩阵来表示的。定义为

式中 [xi, yi, zi]，(i=1,2,3)为零部件默认坐标系的 3个坐标轴在指定坐标系下的 3个方向矢量；[d1, d2, d3]为零部件默认坐标系原点在指定坐标系下的位置向量。

因此，零部件默认坐标系下的任意1个空间向量点的坐标值要变换到指定坐标系下，需要乘以默认坐标系在指定坐标系下的位姿矩阵。

4.5 装配矩阵查询及全局装配关系的重构

由于航天产品的零部件在CREO中的局部坐标与本文所用方法在OCC中零部件的局部坐标不一致，所以在CREO中通过二次开发技术查询得到的零部件装配矩阵并不能直接用于OCC中的零部件装配。此时，需要建立OCC中局部坐标与CREO中局部坐标的坐标转换关系，然后将此转换矩阵与通过CREO二次开发技术查询得到的零部件到装配体的零部件装配矩阵相乘，即可得到OCC中的局部坐标到全局坐标的全局转换矩阵，如图5所示。其坐标转换关系为

式中 p为空间中某点的位置坐标；M，T，N为坐标转换矩阵。则，

求得M，即得到在 OCC中零部件到装配体的坐标转换矩阵。

图5 装配坐标转换示意Fig.5 Coordinate Transformation for Assembly

5 实例分析

为了验证本文提出的重构航天典型构件三维几何模型方法的有效性，基于开源几何造型引擎OCC对航天典型结构的局部结构进行了三维几何模型重构。图6是1/8壳段的CREO三维模型图。

图6 1/8壳段CREO三维模型图Fig.6 3D CREO of 1/8 Shell Section

壳段的桁条横截面为T型，如图7所示，本文定义了 7个变量，分别为：B、H、δ、R、r、r1、r2，对 T型桁条的横截面形状进行描述，这7个变量中，B、H、δ的几何意义分别为T型梁横截面的宽、高和型材的厚度，R、r、r1、r2的几何意义为横截面过渡圆角的半径。建立如图7所示的T型桁条横截面坐标系，作为桁条的局部坐标，由B、H、δ、R、r、r1、r2这7个变量可以唯一确定T型桁条17个关键尺寸点在局部坐标系中的坐标值。在桁条局部坐标系中，拉伸方向为（0，0，1），拉伸的距离可由前文的二次开发技术得到的.txt文档获得。

图7 T型桁条横截面示意Fig.7 The Cross-section of T Type Stringer

壳段的壁板横截面为规则的环扇形，如图8所示。

图8 壳段的壁板横截面示意Fig.8 The Cross-section of Shell Panel

本文定义了壁板的半径R_skin，壁板对应的圆心角α_skin，壁板的高度H_skin，用这3个量确定壁板待加厚的曲面尺寸。加厚的方向（沿径向增大方向为AC或者沿径向减小方向为 AC’），加厚的厚度尺寸δ_skin，用这2个量确定加厚特征。

完成壳段桁条和壁板的三维模型的重构之后，利用位姿矩阵的变换关系，即：壁板的局部坐标即是总体坐标，而桁条的局部坐标是以横截面为xoy平面，拉伸方向为 z方向。完成桁条全局坐标系中的装配需要换算得到桁条在全局坐标和局部坐标的坐标转换矩阵，即可得到1/8壳段的重构三维模型，如图9所示给出了1/8壳段的装配层级关系。1/8壳段的CREO三维模型与基于OCC重构的三维模型对比图如图10所示。