基于STEP/SDAI的有限元前处理基础技术研究——信息提取与模型重建
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摘要
近年来，有限元分析法在工程中得到了越来越广泛的应用，使企业节约了成本，缩短了开发周期。有限元分析一般要经过前处理、有限元计算和后处理三个步骤。其前处理工作包含实体建模、网格划分和物理建模三个部分，其中实体建模工作是其它两部分工作的前提和基础。
本论文的主要研究工作为从CAD软件中提取信息并实现三维实体模型重建。研究的具体思路为：利用专业三维CAD软件进行实体建模，然后通过与CAD软件进行信息交换来得到实体信息并进行实体重现，以找到一种替代实体建模的方法。本研究的前提是：现有的一些专业CAD软件实体建模功能非常优秀；国际上广泛采用的信息交换标准STEP为正确地和多个CAD软件进行信息交换提供了基础。
本论文的具体研究工作为：
1．研究并实现STEP／AP203协议中的扩展边界表示法。实现方法为参考AP203中的实体说明和各实体在扩展边界表示法中的相互关系建立相应的实体类；
2．研究并实现STEP标准中的标准数据存取界面SDAI。本论文采用C++的早联编来实现SDAI，成功开发了SDAI的基础类库SCL和基于SCL的早联编模式翻译软件；
3．采用OpenGL技术按照提取的实体信息对实体进行重现。具体实现方法为采用NURBS统一表示各种曲面，然后使用OpenGL的曲面显示和裁剪函数来显示各实体面，进而达到显示整个实体的目的。
本论文成功地实现了与三维CAD软件之间的信息交换及实体重现，使有限元分析软件减少了实体建模软件的重复开发。而且，信息交换中采用的SDAI技术也使应用可以采用不同的存贮技术，从而大大地提高了有限元分析软件的可移植性。
In recent years, The Finite Element Analysis (FEA) method has been employed hi industry more and more widely. It helps the corporation to reduce cost and shorten the time of product development. The FEA session consists of three main stages, namely the pre-processing stage, the solution stage, and the post-processing stage. The pre-processing stage includes geometry and model definition, specifying boundary and initial conditions and mesh generation. The geometry and model definition is the basis of other two processes.
The research of this paper is mainly about the information exchange and solid re-display. The main idea of this paper is to find a way to reduce the work of development of solid modeling for FEA software by exchanging information with CAD software. There are two prerequisites to this research: One is that the CAD software hi market can provide excellent solid modeling functions; The other is that the widely adopted standard STEP can help us to easily exchange information with CAD software.
The main researches hi this paper include:
1. Studying and implementation of the advanced boundary representation in STEP/AP203;
2. Studying and implementation of the Standard Data Access Interface(SDAI) hi STEP. In this paper, the SDAI is implemented by the early binding of C++. An early binding base class Library named SCL and a schema translator is developed successfully hi this paper;
3. Re-display of the solid by OpenGL using the solid's geometry and topology information extracted from SDAI. This paper adopts the NURBS to represent all lands of surfaces and uses the OpenGL to display all the solid's faces.
This paper has successfully realized the information exchange with CAD software and solid re-display. The SDAI also unproved the FEA software's portability by hi using different storage systems.
本论文的主要研究工作为从CAD软件中提取信息并实现三维实体模型重建。研究的具体思路为：利用专业三维CAD软件进行实体建模，然后通过与CAD软件进行信息交换来得到实体信息并进行实体重现，以找到一种替代实体建模的方法。本研究的前提是：现有的一些专业CAD软件实体建模功能非常优秀；国际上广泛采用的信息交换标准STEP为正确地和多个CAD软件进行信息交换提供了基础。
本论文的具体研究工作为：
1．研究并实现STEP／AP203协议中的扩展边界表示法。实现方法为参考AP203中的实体说明和各实体在扩展边界表示法中的相互关系建立相应的实体类；
2．研究并实现STEP标准中的标准数据存取界面SDAI。本论文采用C++的早联编来实现SDAI，成功开发了SDAI的基础类库SCL和基于SCL的早联编模式翻译软件；
3．采用OpenGL技术按照提取的实体信息对实体进行重现。具体实现方法为采用NURBS统一表示各种曲面，然后使用OpenGL的曲面显示和裁剪函数来显示各实体面，进而达到显示整个实体的目的。
本论文成功地实现了与三维CAD软件之间的信息交换及实体重现，使有限元分析软件减少了实体建模软件的重复开发。而且，信息交换中采用的SDAI技术也使应用可以采用不同的存贮技术，从而大大地提高了有限元分析软件的可移植性。
In recent years, The Finite Element Analysis (FEA) method has been employed hi industry more and more widely. It helps the corporation to reduce cost and shorten the time of product development. The FEA session consists of three main stages, namely the pre-processing stage, the solution stage, and the post-processing stage. The pre-processing stage includes geometry and model definition, specifying boundary and initial conditions and mesh generation. The geometry and model definition is the basis of other two processes.
The research of this paper is mainly about the information exchange and solid re-display. The main idea of this paper is to find a way to reduce the work of development of solid modeling for FEA software by exchanging information with CAD software. There are two prerequisites to this research: One is that the CAD software hi market can provide excellent solid modeling functions; The other is that the widely adopted standard STEP can help us to easily exchange information with CAD software.
The main researches hi this paper include:
1. Studying and implementation of the advanced boundary representation in STEP/AP203;
2. Studying and implementation of the Standard Data Access Interface(SDAI) hi STEP. In this paper, the SDAI is implemented by the early binding of C++. An early binding base class Library named SCL and a schema translator is developed successfully hi this paper;
3. Re-display of the solid by OpenGL using the solid's geometry and topology information extracted from SDAI. This paper adopts the NURBS to represent all lands of surfaces and uses the OpenGL to display all the solid's faces.
This paper has successfully realized the information exchange with CAD software and solid re-display. The SDAI also unproved the FEA software's portability by hi using different storage systems.
引文
[1] ISO 10303-203 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 203:Integrated application Resource: Configuration Controlled 3D Designs of Mechanical Parts and Assemblies。
[2] ISO 10303-42 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 42:Integrated generic resource:Geometric and topological representation。
[3] ISO 10303-43 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 43: Integrated generic resource: Representation structures。
[4] ISO 10303-22 Industrial Automation and Integration:Product Data Representation and Exchange——Part 22:Implementation method: Standard data access interface specification。
[5] ISO 10303-23 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 23: Implementation method: C++ language binding to the standard data access interface。
[6] ISO 10303-11 Industrial Automation and Integration:Product Data Representation and Exchange——Part 11, Description methods: The EXPRESS language reference manual。
[7] NIST, NIST FASD STEP Class Library Data Structures (Draft Notes)
[8] David A. Sauder, Design of a Software Library for Inplementing EXPRESS: The NIST STEP Class Library, October 1995。
[9] 王永建，《基于STEP标准的应用系统的接口开发》，《CIMS标准化研究动态》，2000年8月第3期总第37期。
[10] 尹柏生，《有限元分析系统的发展现状与展望》，中国有限元联盟，2003年4月21日。
[11] 娄勤俭，马应章，《SDAI-CIMS工程数据交换的关键技术》，华北计算技术研究所。
[12] 严开涛，《STEP的标准数据存取接口SDAI》，《电脑与信息技术》，1997年第二期
[13] 董金祥，杨小虎，《产品数据表达与交换标准STEP及其应用》机械工业出版社，1993年7月。
[14] 刘润东，《UML对象设计与编程》，北京希望电子出版社，2001年3月。
[15] 施法中，《计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条(CAGD&NURBS)》，北京航空航天大学出版社，1994年2月第1版。
[16] 李庆扬，易大义，王能超，《现代数值分析》，高等教育出版社，1995年10月第1版。
[17] Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides，《设计模式—可复用面向对象软件的基础》，机械工业出版社，2000年9月第1版。
[18] 李建明，孟明辰，徐光，许隆文，《SDAI的实现及应用研究》，《机械工业自动化》，第18卷第4期，1996年12月。
[19] 倪冬明，童若锋，董金祥，《STEP几何模式实体的实现》，《计算机应用研究》，
1999年第七期。
[20] 李建明，孟明辰，徐光，许隆文《SDAI的实现及应用研究》，《机械工业自动化》1996年12月。
[21] 严开涛，何钺，《SDAI建模研究》，《计算机辅助设计与图形学学报》，1998年11月。
[22] 黄忠东，杨小虎，董金祥，《SDAI实现中若干关键技术的研究》，《计算机辅助设计与图形学学报》，2001年11月。
[23] 周羽，吴鸿麟，汪嘉春，《基于STEP的通用有限元数据基的构成》，《计算机辅助设计与图形学学报》，1999年5月，Vol．11，No．3。
[24] 黄飚，刘一鹗，《SDAI的实现研究》，《航空学报》，1994年10月。
[25] 王平，李嘉蹯，《一种产品数据的图形表达方法——EXPRESS-G》，《计算机辅助设计与制造》，1999年9月。
[26] 周憬旻，董金祥，李善平，《在CIMS中支持STEP应用协议的研究与实现》，《计算机工程》，1999年4月，Vol．25，No．4。
[27] 严开涛，邓稼，刘书舟，《SDAI的C++联编及其基于VERSANT的实现》，《计算机辅助设计与图形学学报》，1999年5月。
[28] 严开涛，何钺，邓家提，《关系数据库山SDAI实现的研究》，《计算机工程与科学》，1997年11月。
[29] 蔡长韬，殷国富，陈学斌，倪亚辉，《基于STEP的机械零件CAD／CAPP的集成方法》，机械科学与技术，1999年9月，Vol．18，No．5。
[30] 陈纪兵，杨军，赵有珍，邓家提，《Jave SDAI研究与实现》，《北京航空航天大学学报》，2000年12月。
[31] 张思荣，谭建荣，张家泰，邱长华，《STEP应用协议201工具的研究和开发》，《机械科学与技术》，1999年7月，Vol．18，No．4。
[32] 赵继政，魏生民，杨彭基，《基于Jave的SDAI实现》，《计算机工程与应用》，1993年3月。
[33] 杨志，董金详，寿宇澄，《一种支持SDAI的数据库模式定义语言》，《计算机辅助设计与图形学学报》，1997年7月。
[34] 赵有珍，张彤，刘一鹗，邓家提，《符合SDAI的工程数据管理系统的实现研究》，2000年2月。
[35] 万立，黄金国，王同洋，张新访，《采用标准数据接口SDAI的CAD／CAM系统集成》，《计算机工程》，1996年3月。
[36] 黄忠东，杨小虎，胡天磊，董金祥，《一个开放可扩展的SDAI实现系统》，《计算机学报》，2002年3月。
[37] 天津大学计算机系(300072)刘，《在MFC中使用OpenGL》，《电脑与信息技术》，1999年第四期。
[38] 李敏，蔡伟，孙继银，《用MFC开发OPENGL的三维图形功能》，《航空计算技术》，2000年3月，Vol．30，No．1。
[39] 陶永劲，陈立亮，刘瑞祥，杨宠，《OpenGL技术在铸造CAE前处理模块中的应用》，《特种铸造及有色合金》2001年第6期。
[40] 李超，陈武凡，《微机上的OpenGL的应用研究》，《计算机应用研究》，1999年，第10期。
[41] 谢志鹏，陈锻生，《用OpenGL开发三维交互式虚拟场景》，《计算机应用》，2000年8月，Vol．20，No．8。
[42] 张翔宇，林志勇，华蓓，陈意云，(OpenGL在人脸建模和动画中的应用》，《计算机应用》，2000年8月，Vol．20，No．8。
[43] 林锐，石教英，《基于OpenGL的场景管理、三维交互与用户界面设计》，《计算机应用研究》，2000年第3期。
[44] 张杰，俞娜，《OpenGL融合技术在实体造型中的应用》，《计算机时代》2000年第5期。
[45] 伍铁军，周来水，周儒荣，《用OpenGL实现几何模型真实感图形显示》，《计算机工程应用》，1999年11月。
[46] 关沫，黄有群，《OpenGL实现编程技巧两则》，《沈阳工业大学学报》，2000年8月。
[47] 刘才，高贞彦，彭秀艳，李学忠，《利用OpenGL实现医学图像三维表面重建》，2000年第16卷第1期。
[48] 老虎工作室，吴斌，毕丽蕴，《OpenGL编程实例与技巧》，人民邮电出版社，1999年12月。
[2] ISO 10303-42 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 42:Integrated generic resource:Geometric and topological representation。
[3] ISO 10303-43 Industrial Automation and Integration—Product Data Representation and Exchange——Part 43: Integrated generic resource: Representation structures。
[4] ISO 10303-22 Industrial Automation and Integration:Product Data Representation and Exchange——Part 22:Implementation method: Standard data access interface specification。
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[6] ISO 10303-11 Industrial Automation and Integration:Product Data Representation and Exchange——Part 11, Description methods: The EXPRESS language reference manual。
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[39] 陶永劲，陈立亮，刘瑞祥，杨宠，《OpenGL技术在铸造CAE前处理模块中的应用》，《特种铸造及有色合金》2001年第6期。
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[42] 张翔宇，林志勇，华蓓，陈意云，(OpenGL在人脸建模和动画中的应用》，《计算机应用》，2000年8月，Vol．20，No．8。
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[44] 张杰，俞娜，《OpenGL融合技术在实体造型中的应用》，《计算机时代》2000年第5期。
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[46] 关沫，黄有群，《OpenGL实现编程技巧两则》，《沈阳工业大学学报》，2000年8月。
[47] 刘才，高贞彦，彭秀艳，李学忠，《利用OpenGL实现医学图像三维表面重建》，2000年第16卷第1期。
[48] 老虎工作室，吴斌，毕丽蕴，《OpenGL编程实例与技巧》，人民邮电出版社，1999年12月。