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CAD二次开发在协同设计与建模中的应用研究
2017-03-31 22:03:37  作者:杨翊洲   来源:互联网
  •   随着计算机软硬件技术的发展,特别是个人计算机上CAD(Computer Aided Design——计算机辅助设计)技术的实现,极大地促进了CAD技术的完善和发展。近年来,随着海洋工程的迅猛发展,CAD技术在海洋工程中的应用 ...

  随着计算机软硬件技术的发展,特别是个人计算机上CAD(Computer Aided Design——计算机辅助设计)技术的实现,极大地促进了CAD技术的完善和发展。近年来,随着海洋工程的迅猛发展,CAD技术在海洋工程中的应用日益广泛,使海洋工程领域内的设计、制造水平以及生产效率得到了很大程度的提高。

  海洋平台设施的设计是一项非常复杂的工程,其中涉及到多个专业,各专业所使用到的软件五花八门。目前中海油在海洋平台设计中普遍采用AutoCAD来进行二维初步设计和出图,使用PDMS来进行多专业三维协同设计、以及碰撞检查等。由于多专业和软件本身的差别,往往存在以下问题:

  (1)重复建模。某些专业在AutoCAD(或其他软件)中进行了设计后还要在PDMS中进行三维建模;

  (2)PDMS操作繁琐。某些在AutoCAD中易于实现的型体,在PDMS中操作比较繁琐,效率低下;

  (3)PDMS中无法建模。在PDMS不支持复杂的曲线、曲面和截面,使得在PDMS中的部分设备不能真实反映其本身的外形,影响三维协同设计效果;

  (4)重复建模带来的二次失误。无法保证PDMS中建立的模型和CAD成果图纸完全一致的,导致其他专业出现碰撞。

  1 软件简介及解决方案

  AutoCAD是Autodesk公司开发的计算机辅助设计软件,具有强大的图形绘制及编辑功能,能够建立复杂的型体、曲线和曲面;可以采用多种方式进行二次开发或用户定制;可以进行多种图形格式的转换,具有较强的数据交换能力并支持多种操作平台。

  PDMS(Plant Design Management System)三维工厂设计管理系统是目前世界上应用最为广泛的工厂设计软件之一,被广泛用于石油天然气、海洋石油平台、石化、冶金核电站和废水处理等领域的三维协同设计。其优势主要在于多专业的三维协同设计、配管及出ISO图、碰撞检查、规则型体的快速建模以及最终成果的验证和展示等。

  由下面分析可以看出,AutoCAD具有极好的二维绘图能力却缺乏协同性,PDMS系统三维协同能力强却只支持简单的几何体,不支持复杂的曲线和曲面型体建模。如果在AutoCAD和PDMS之间开发软件接口,利用AutoCAD辅助PDMS快速三维建模,必然能实现二三维协同设计与快速建模,解决海洋平台设施设计建模中存在的问题。通过选择AutoCAD软件作为平台,采用AutoCAD的Visual LISP(下面简称LISP)二次开发语言开发了“AutoCAD和PDMS系统的软件接口”。

  2 二次开发接口的基本原理

  在PDMS中,可以通过宏文件(就是包含PDMS命令序列的ASCII文件)的操作,把PDMS的设备或者其他数据信息进行导人导出。因此只要了解宏文件中关于设备的表达方法,就可以仿写出在PDMS中建立相应设备的宏文件。但是人工手写宏文件工作量巨大,对于复杂的型体也是无能为力的。所以在AutoCAD的平台上借助LISP二次开发语言把AutoCAD里面的型体转写成符合PDMS格式要求的宏文件,再导人到PDMS中,从而实现型体的格式转换。其他图形软件可以通过通用格式(如sat格式)导入到AutoCAD中,然后再通过二次开发接口导人到PDMS中。

  3 接口的主要功能

  3.1 钢结构CAD图纸到PDMS的二三维转换技术和方法

  以一根长2500mm的H300X150钢材为例,在AutoCAD中其中心线坐标开始点为(0,0,0),终点坐标为(0,2500,0)。在AutoCAD中用LISP二次开发语言编写程序,通过鼠标获取这段钢材的中心线后自动编写出符合PDMS格式要求的宏文件,在PDMS中导入文件即可生成相应的钢结构(见图1)。

  

图1 钢结构二三维转换界面

  图1 钢结构二三维转换界面

  通过本接口的辅助工具的“快速选择”功能把AutoCAD二维钢结构平面图抽取中心线,利用二三维转换工具生成宏文件导入到PDMS里面,生成三维的钢结构模型,转换前后如图2所示。

  

图2 CAD原图与导入PDMS系统效果图

  图2 CAD原图与导入PDMS系统效果图

  3.2 复杂型体的PDMS模型构建

  PDMS在复杂型体(复杂曲面、曲线和截面)创建方面的功能比较弱,在PDMS中不能直接创建这些型体。其他软件生成的复杂型体也不能直接导人到PDMS中。在计算机图形学中,曲面的表达方法一般有插值法(Intmpolation)、拟合法(Fitting)、逼近法(Approximation)。综合考虑各种方法的优缺点和PDMS软件的特点后,决定采用基于三角曲面逼近的方法在PDMS中重建曲面。复杂的曲面和截面则采用分段逼近的方法在PDMS中进行重建。

  3.2.1 三角曲面逼近法构建复杂曲面

  AutoCAD中编写的二次开发程序获取复杂曲面(在AutoCAD中建立或者从其他软件导入的)上的三角面片的端点信息,然后把这些端点信息在PDMS的宏文件中组合成三维的Polyhedron(多面体,在PDMS中为不带有厚度的面片),从而构建出复杂的曲面。

  3.2.2 曲面构建应用实例

  其它三维软件(例如PRO\E,Solidworks,UG,3DS Max、StruCAD、Xsteel等)建立的复杂三维模型通过AutoCAD兼容的格式,均可方便地转换为PDMS系统格式的三维模型。例如,将机械三维设计软件(如PRO\E)建立的船体模型通过AutoCAD兼容的格式由本二次开发插件导人到PDMS系统(见图3)。在本接口开发前,船体只能用“叠积木”的方法近似模拟,不但操作麻烦而且无法表达船体的真实形状。

  

图3 AutoCAD、PDMS中的船体模型对比

  图3 AutoCAD、PDMS中的船体模型对比

  3.2.3 分段逼近构建复杂截面型体

  PDMS只支持直线和网弧,不支持样条,椭网等复杂曲线。因此要在PDMS中构建复杂的截面,必须把复杂的曲线转化成直线段或者网弧。通过分段逼近的方法去构建复杂曲线,可以根据实际情况灵活控制逼近的精度,在实际需求和模型容量间取得平衡。

  分段逼近的思路:在AutoCAD中用LISP编程语言对复杂曲线(一般为样条曲线)进行分段,分段数量由用户需求的精度控制,再用多段线命令把分段的端点顺次连接起来生成逼近多段线。根据需要把多段线转成宏文件,以生成PDMS中的拉伸体或者旋转体等,从而达到在PDMS中构建复杂型体的目的。

  根据以上思路,编写“曲线转多线”、“文字转多线”、“合并多段线”、“拉伸体”、“旋转体”等功能,用于实现复杂截面型体的构建。

  4 总结

  本接口适用于与AutoCAD兼容格式的所有二三维应用软件(例如PRO\E,Solidworks,UG,3DS Max、StruCAD、Xsteel等)到PDMS的格式转换,可应用于除海洋平台设施以外的其它相近行业的设计和建模。在实际工程项目中用于二三维协同设计和快速建模取得了较好的效果。不但大大地提高了PDMS建模的效率,减少了重复建模,发挥了三维协同设计的优势,同时二三维校验也对设计质量起到了一定的促进作用。

  随着工程项目数字化建设在中海油内部的迅速推广,除了新建工程项目利用AutoCAD和PDMS进行协同设计外,一部分在役平台和一些传统上不进行三维设计的项目(如陆地油气终端、FPSO等)都需要使用PDMS三维建模来进行数字化改造和存档入库。因此,PDMS三维建模的工作会越来越多、建模的范围越来越广、三维模型的复杂程度也会越来越高,因此本接口具有极大的推广使用价值。



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