面向復雜機械設計的數字樣機模型驅動方法研究

朱文越, 劉伊華, 王永娟

(1.南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094; 2.中國兵器工業第208研究所, 北京 100081)

數字樣機是通過計算機仿真模型來代替產品，以減少實際物理樣機的試驗，國內眾多學者針對復雜機械數字樣機的構建展開研究。趙森森等[1]建立了槍械閉鎖機構的有限元模型，并基于相關定律與理論對數據進行處理與分析，得到了某自動步槍閉鎖機構的疲勞強度；張麗平[2]建立某自動武器發射機構的動力學模型，并在尺寸鏈約束的基礎上，不斷改變關鍵結構的尺寸以完成優化設計。萬畢樂等[3]通過建立工藝數字樣機完成了航天器功能與工藝屬性的繼承，實現了在三維模型中展示裝配、產品制造等信息。以上研究通過構建幾何數字樣機和性能數字樣機對機械產品的關鍵機構進行可靠性驗證及性能指標考核，涉及不同的軟件平臺，而在異構軟件模型轉換過程中，信息丟失及特征失真的現象時有發生；此外，模型轉換效率低，轉換文件格式不統一等問題，也將嚴重阻礙機械產品研發過程中不同部門之間的協同[4]。

復雜機械產品結構復雜，零件繁多，實現功能多，動作精度要求高，涉及幾何模型、仿真模型、軟件代碼等多領域，傳統的機械設計方法難以高效地管理研發過程中各階段的模型信息及相關代碼。因此，應用模型驅動的思想指導機械產品研發，可在數字樣機模型與各軟件平臺之間建立聯系，保持轉換過程中模型的一致性。

本文對復雜機械產品進行梳理與分析，構建了復雜機械數字樣機的模型驅動體系架構，形成了模型層、平臺層、軟件層和數據層的分層結構[5]。其中，模型層基于狀態模型、幾何要素、結構要素3個維度構建復雜機械數字樣機PIM；平臺層通過制定轉換規則，應用相關輔助工具實現復雜機械數字樣機的模型轉換，即PIM到目標平臺PSM的轉換；軟件層對數字樣機模型驅動專用軟件(UG、Adams、Abaqus)進行二次開發，形成一種快速建模并及時輸出分析結果的工具；數據層主要存儲復雜機械產品設計過程中各類模型文件，并適時管理模型驅動體系建設過程中各類軟件平臺代碼，實現相關數據的備份與恢復。

1 復雜機械數字樣機PIM構建

機械數字樣機通常包括幾何數字樣機、性能數字樣機和工藝數字樣機。目前，由于異構軟件系統間的不可移植性，數字樣機模型轉換過程中，當上游的幾何數字樣機發生變化時，下游的性能數字樣機也必須進行修改，這將嚴重浪費機械產品的模型資源，帶來大量的重復性工作。本節將應用模型驅動的思想指導機械產品研發，通過機械數字樣機PIM建立幾何數字樣機與仿真平臺之間的映射關系，促使機械產品研發應用邏輯與底層變化相分離，實現自動更新性能數字樣機模型信息和不同仿真平臺的代碼[6-7]。

1.1 STEP文件解析

STEP文件是按照純正文進行編碼的順序文件集合，作為STEP標準的產品數據交換形式之一，通過一種不依賴具體系統的中性表達機制，實現機械產品全生命周期數據的交換和共享。STEP文件從結構上可分為頭部段和數據段兩部分，每部分都有固定的開始標志和結束標志。頭部段涵蓋了整個交換文件結構的相關信息，例如作者、單位、日期、軟件版本等；數據段包括模型的幾何數據信息與拓撲關系，而且支持顏色、裝配、應用協議、軟件屬性等其他產品的非幾何信息[8]。

產品數據信息通過STEP文件數據段內的實體實例進行表達，每條實體實例具有標準化的語法結構，可分為ID號、關鍵字、屬性值以及各類分割標識符4個部分[9]。其中，ID號是純正的阿拉伯數字，并按照從小到大的順序編碼；關鍵字由大寫的英文單詞組合而成，與產品的具體信息存在一定的映射

圖1 STEP文件實體實例信息關鍵字

關系，STEP文件中部分實體實例的關鍵字如圖1所示；屬性值位于末尾，包含位置信息并將其他實體實例信息連接起來形成完整的模型信息樹。

1.2 基于STEP文件的數字樣機PIM

PIM的設計不需要考慮具體平臺的實現技術，也不需要考慮仿真平臺的代碼運行情況，它是高度抽象的模型，依據產品需求描述數字樣機的功能與結構，是模型驅動體系建設過程中承前啟后的關鍵一步。

STEP文件中模型實體的幾何信息與拓撲關系基于邊界表示法(B-rep)進行描述，并通過樹狀結構的方式將數據段內實體實例信息緊密連接在一起，信息樹中的各層級(體層、面層、邊層、點層)均存在相應的根節點、子節點，如圖2所示。幾何模型作為一個封閉的實體，最頂層的實體實例為Closed shell，而最底層實體實例為Cartesian point和Direction[10]。

圖2 STEP文件幾何模型的實體信息表達

通過對STEP文件的解析發現，STEP文件中的幾何信息與拓撲關系作為數字樣機最基礎的數據，完整描述了機械數字樣機的功能與結構，不僅是數字樣機模型轉換過程中不可缺少的組成部分，而且與數字樣機專用軟件平臺的實現技術無關，符合數字樣機PIM的構建條件。此外，STEP文件中軟件屬性、應用協議等非幾何信息針對不同平臺發揮作用，可用于后續數字樣機模型轉換過程。

數字樣機PIM基于克努特-莫里斯-普拉特算法(the Knuth-Morris-Pratt algorithm，KMP)實現，該算法通過在next()函數中添加字符串的匹配信息，盡可能減少模式串與主串的匹配次數，從而大大提高了匹配速度，具體的算法流程如圖3所示。

圖3 機械數字樣機PIM建模流程

2 基于模型驅動的數字樣機轉換

基于模型驅動的數字樣機模型轉換指的是PIM到PSM的轉換。此過程是模型驅動的核心，以PIM為源模型，借助具體平臺的特有屬性信息，依賴平臺所提供的功能和服務，得到不同平臺的PSM，最終完成整個轉換過程。PIM到PSM的轉換依據特定的規則進行，具體的轉換方法有很多種，例如基于關系代數的轉換方法、基于圖形的轉換方法等，上述方法均需采用相對應的轉換工具，技術要求較高，轉換難度較大。因此，本文選擇直接的轉換方法，通過各軟件平臺的應用程序接口實現PIM到目標平臺PSM的自動轉換，模型轉換示意圖如圖4所示。

圖4 模型轉換示意圖

所提出的模型轉換方法可適用于絕大多數幾何樣機與性能樣機構建平臺，可提高異構軟件系統之間模型信息的可重用性，實現幾何數字樣機到性能數字樣機的無損模型轉換。下文僅以UG平臺、Adams平臺、Abaqus平臺為例，驗證該方法的可行性及實用性。

2.1 數字樣機PIM到UG平臺PSM的轉換

UG平臺作為重要的機械產品設計平臺，可以描述機械產品的功能與結構并建立機械零件之間的裝配關系。基于UG平臺的PSM應在PIM的基礎上融合UG平臺所特有的屬性信息，形成UG應用程序接口可以讀取的STEP文件；然后，借助UG軟件平臺所開發的模型驅動模塊添加模型的非幾何信息，形成機械產品的幾何數字樣機。UG平臺的PSM所包含的信息如圖5所示。

圖5 基于UG平臺PSM的設計

基于UG平臺PSM的建立需要借助C/C++編程技術、UG二次開發技術、Visual Studio軟件和NX UG軟件，具體的轉換實現流程如圖6所示。

圖6 PIM到UG平臺PSM的轉換實現流程

1) 外部可執行程序。基于關鍵字匹配機制編寫程序，將STEP文件數據段內代表UG軟件屬性信息添加至PIM，形成UG軟件可以讀取的STEP文件[11]。

2) 模型轉換引擎。基于UG/Open API模塊中的UF-PART-open函數，設置文件類型及文件路徑后，即可直接打開UG平臺的PSM，便于后續開展三維設計、裝配分析等[12]。

3) 基于UG平臺的模型驅動模塊。該模塊功能基于C/C++編程語言實現。首先，選擇版本對應的Visual Studio軟件與UG軟件建立鏈接關系，新建NX12 Open Wizard項目設定入口函數、項目屬性及相關配置文件，系統選擇ufstr函數作為入口函數，并選擇生成動態鏈接庫*.dll；然后，基于UG/Open Menu Script語法規則編寫*.men菜單文件并放置在UG二次開發目錄啟動文件夾Startup中，基于UG/Open UI Styler設計對話框，將生成的*.dlg對話框文件放置文件夾Application中，將設計產生的*.hpp頭文件與*.cpp源文件添加至NX12 Open Wizard工程目錄；最后，設定UF-terninate()和UF-initialize()保證程序的初始化及結束進程，此外，在主程序中內嵌相關函數實現非幾何信息的添加，并使用UG/Open API模塊中與Menu Script相關的UF-MB系列函數，完成菜單、對話框與用戶程序的關聯[13-14]。

2.2 數字樣機PIM到Adams平臺PSM的轉換

Adams平臺作為機械產品研發過程重要的動力學仿真平臺，可實現機構的運動學仿真結果輸出及機構的結構合理性和動作可靠性的結論輸出。PIM轉換至滿足Adams平臺規約的PSM，首先需要添加Adams軟件特有的屬性信息，形成滿足Adams軟件應用協議的STEP文件；然后，基于模型轉換引擎傳遞幾何模型至Adams平臺；最后，基于Adams平臺所開發的模型驅動模塊添加動力學模型所需的相關信息，Adams平臺的PSM所包含的信息如圖7所示。

圖7 基于Adams平臺PSM的設計

Adams平臺PSM的設計主要包括三部分：外部可執行程序、模型轉換引擎和模型驅動模塊，需要借助windows腳本編程技術、Adams二次開發技術、Notepad++編程工具和Adams View軟件，具體實現流程如圖8所示。

圖8 PIM到Adams平臺PSM的轉換實現流程

1) 外部可執行程序。基于關鍵字匹配機制編寫程序，將STEP文件數據段內代表Adams軟件屬性信息添加至PIM，形成Adams軟件可以讀取的STEP文件。

2) 模型轉換引擎。基于Windows命令腳本實現STEP文件自動導入Adams平臺，該模型轉換引擎能夠讀取并傳遞PIM環境下已給定的模型命名信息，實現零部件名稱的一致性；除此之外，還能自動添加動力學模型的質心信息，保證后續仿真的順利進行[15]。

3) 基于Adams平臺的模型驅動模塊。該模塊的功能基于Adams命令流實現，具體語法規則可查詢Adams CMD本地幫助文檔。首先，利用Adams軟件內置窗口Command Window錄制相關操作的命令流形成腳本文件；然后，將腳本文件中的命令流添加至Adams Menu Builder設計的對話框中進行編譯；最后，借助Adams Dialog-Box Builder設計菜單，提高用戶的可視化的同時完成與自定義對話框的交互，并自動執行腳本文件的各項功能，從而快速地完成整個動力學仿真過程，得到求解結果[16]。

所開發的模型驅動模塊很好地解決了幾何模型到動力學模型轉換過程效率低下、信息丟失等問題，同時該模塊具有較高的普適性，即當上游的機械設計部門在整體模型裝配拓撲關系不變的情況下對模型的尺寸進行修改或實施零部件的替換時，下游的動力學仿真部門依然可使用該系統快速進行動力學仿真，減少了大量的重復勞動，極大地提高了工作效率，降低了工作強度。

2.3 數字樣機PIM到Abaqus平臺PSM的轉換

Abaqus平臺作為復雜機械產品研發過程重要的有限元仿真平臺，實現機械產品主承力件的強度分析以及主運動件的疲勞分析。PIM轉換至滿足Abaqus平臺規約的PSM，要求PIM添加Abaqus平臺規定的軟件特有屬性信息形成滿足Abaqus軟件應用協議的STEP文件；然后，基于模型轉換引擎傳遞幾何模型至Abaqus平臺；最后，基于Abaqus平臺所開發的模型驅動模塊添加有限元模型所需的相關信息，Abaqus平臺的PSM所包含的信息如圖9所示。

圖9 基于Abaqus平臺PSM的設計

與Adams平臺PSM的設計類似，Abaqus平臺PSM的設計主要包括三部分：外部可執行程序、模型轉換引擎和模型驅動模塊，需要借助Windows腳本編程技術、Abaqus二次開發技術、Notepad++編程工具和Abaqus CAE軟件，具體實現流程如圖10所示。

1) 外部可執行程序。基于關鍵字匹配機制編寫程序，將STEP文件數據段內代表Abaqus軟件屬性信息添加至PIM，形成Abaqus軟件可以讀取的STEP文件。

2) 模型轉換引擎。該轉換引擎實現STEP文件自動導入Abaqus平臺，并能夠根據PIM環境下的模型信息對Abaqus平臺內的有限元模型進行修補，保證后續仿真的順利進行。

3) 基于Abaqus平臺的模型驅動模塊。該模塊的功能基于Abaqus/Python腳本實現，具體語法規則可查詢Abaqus軟件的腳本手冊Abaqus Scripting Reference Manual。首先，利用Abaqus軟件工作目錄下.rpy文件錄制相關操作的腳本形成日志文件；然后借助Windows命令和Abaqus內置的腳本文件讀取接口，即通過Windows命令中加入Python腳本文件的本機路徑，自動執行日志文件的各項功能，從而快速地完成整個有限元分析過程，得到求解結果[17]。

圖10 PIM到Abaqus平臺PSM的轉換實現流程

所開發的模型驅動模塊很好地解決了幾何模型到有限元模型轉換過程特征失真的問題， 此外，由于Abaqus/Python腳本模塊化、標準化的特點，當整體模型裝配拓撲關系不變的情況下發生零件的修改或替換時，依然可通過該模塊實現仿真前處理的自動加載及仿真結果的快速查看。

3 模型驅動模塊的開發與實例驗證

本文引入模型驅動的思想指導機械產品研發，通過分析數字樣機模型驅動技術中PIM及PSM的具體內容及各軟件平臺的技術特點，采取直接的轉換方式實現PIM到基于UG、Adams、Abaqus平臺PSM的自動轉換，完成了幾何數字樣機到性能數字樣機的無損轉換，形成了基于模型驅動的機械產品整體設計流程，如圖11所示，并以典型的復雜機械產品——某槍械組件為例，驗證了數字樣機專用軟件模型驅動模塊的功能性能。

圖11 基于模型驅動的機械產品設計流程

1) PIM到Adams平臺PSM轉換驗證

基于前文所提到的模型轉換方法可實現PIM到Adams平臺PSM的自動轉換。此外,為提升用戶的操作體驗及人機交互性, 基于UG軟件開發出相應的菜單欄，如圖12所示。在此基礎上，以某型號槍械的拋殼機構為例進行驗證，如圖13a)所示，拋殼機構順利完成了抓殼、抱殼、拋殼等一系列動作。在保持拋殼機構整體裝配關系不變的情況下對機匣的長度進行修改后，通過Adams平臺的模型驅動模塊可實現幾何模型信息的完整傳遞及動力學仿真前處理的自動加載，實現快速仿真并及時輸出分析結果，極大提高了研發效率，如圖13b)所示。

圖12 菜單及對話框設計

圖13 PIM到Adams平臺PSM轉換驗證

2) PIM到Abaqus平臺PSM轉換驗證

基于外部可執行程序、模型轉換引擎可實現PIM到Abaqus平臺PSM的自動轉換，僅以某型號槍械的零件——槍管尺寸的模態分析為例進行驗證。如圖14a)所示，對槍管進行了模態分析并得到了槍管的前四階模態云圖；當槍管的尺寸發生變化時，即在不改變槍管的直徑而增加其長度的情況下，依然可通過Abaqus平臺的模型驅動模塊進行有限元仿真并輸出分析結果，分別如圖14b)所示。

圖14 PIM到Abaqus平臺PSM轉換驗證

4 結 論

1) 本文將模型驅動思想引入機械產品設計，提出了一種基于模型驅動的復雜機械數字樣機設計方法，形成了基于模型驅動的復雜機械設計流程，確保了從設計到仿真模型的一致性。

2) 通過解析STEP文件建立了數字化機械信息模型，在此基礎上，構建了復雜機械數字樣機的PIM，提出了基于模型驅動的數字樣機模型轉換方法。

3) 研究并開發了機械數字樣機專用軟件的特有功能模塊，并以典型復雜機械產品——某型號槍械組件為例進行了驗證。應用表明，所開發相關軟件的模型驅動模塊可輔助設計人員快速完成機械產品的動力學仿真分析和有限元仿真分析，極大地縮短設計與仿真分析之間數據交換的時間，提高了機械產品的研發效率。