基于3DEXPERIENCE圆形水池设计工具按钮创建方法研究
时间：2023-04-22 10:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王 蕊，冉丽利，马玉岩
（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）
CATIA是法国达索系统（DassaultSysteme）旗下的CAD／CAE／CAM一体化软件，是目前市面上主流的BIM软件之一，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、机械制造行业。软件从1981年到1988年相继推出了V1、V2、V3、V4版本，1999推出V5版本，包含了基础结构、机械设计、形状设计和设备与系统等诸多模块，为用户提供了近百个设计工具按钮。2014年达索系统推出了3DEXPERIENCE（以下简称“3DE”）实现了3D设计、数据管理和流程管理，集成了达索系统系列软件，包括：CATIA、ENOVIA，Solidorks，DELMIA，Simulia。3DE是CATIA软件的一次迭代、是达索对旗下产品的一次整合。3DE包含了CATIA软件的所有功能，采用了行业领先的ICEM曲面技术，可以满足用户丰富且复杂的曲面造型需求，优化了知识工程模块，具有显式知识、规则的特点，可捕捉设计意图，将隐式经验、知识变成显式的专业知识，极大提高设计智能化水平。
目前基于CATIA知识工程模块，在不同的行业领域，众多学者开展了大量研究。王艳真等［1］基于CATIAV6版本，通过分析船舶阀件设计特点，运用参数化设计和知识工程模块工具，实现阀门模型的参数化驱动，提高了设计效率。张航等［2］利用CATIA知识工程技术，在飞机结构设计中，通过参数表、用户特征、知识工程阵列等方式，实现了大量具有类似特征模型的批量生成和快速修改，为多个型号结构快速建模和布置提供了新的解决思路。崔小建等［3］通过3DE采用装配式思路，借助知识工程模块结合二次开发，建立了桥梁下部结构模板管理系统，实现桥梁下部结构的快速建模，提高了专业设计效率，提升了产品质量。补舒棋等［4］利用CATIA知识工程阵列和用户自定义模板功能，实现了地下洞室群锚杆和防渗排水帷幕结构模型的自动批量生成，提升设计人员建立锚杆和防渗排水模型效率。申振华等［5］通过CATIA知识工程模块，采用参数化建模，快捷生成车辆设计中应用广泛的多状态、各型号高精度板簧模型。
近年来，我国学者在提高建模效率和模型质量的研究主要依托CATIA软件的知识工程模块，且多集中在船舶、航空、机械领域。基于3DE在市政工程行业的应用极少，现以市政工程中常见的圆形水池为例，通过知识工程模块对圆形水池快速建模方法和专业工具按钮创建展开了研究。
1.1 传统技术路线
圆形水池是市政工程中一种常见的水池形式，应用广泛。传统技术路线见图1，用户需要建立空间点、二维平面、绘制草图轮廓，设置结构尺寸，拉伸实体形成模型，水池基桩布置过程，元素环环相扣，步骤繁复，难以满足尺寸或布置修改，快速协同更新的应用需求。其次，传统三维建模过程中，调整模型位置的元素，修改结构尺寸的参数都未外显，隐藏在草图和建模过程中，因命名或建模思路不同，这些元素的位置也各异，查找非常麻烦，因此传统三维建模方法复用率低，模型位置和尺寸调整困难。
图1 传统技术路线
1.2 本文技术路线
本文的技术路线是基于3DE，通过知识工程模块，运用EKL语言编写了可带桩基础的圆形水池Action，在KAC模块对Action实施封装，创建具有用户交互界面的“圆形水池”工具按钮，实现圆形水池模型快速生成，结构参数修改便捷，“知识”的隐形管理显性表达。
知识工程（KBE，KnowledgeBasedEngineering）最早由美国斯坦福大学的Feigenbaum教授提出，旨在利用经验、知识和人工智能，解决实际问题。核心是将学科知识、设计规范、标准、设计参数和经验融入软件中，通过判断和推理实现产品的智能设计。CATIA是最早引入知识工程设计的软件之一［6］。
CATIA软件提供了知识工程设计工作台，包含：知识工程顾问（KnowledgeAdcisor）、知识工程专家（KnowledgeExpert）、产品知识模板（BusinessProcess KnowledgeTemplate）产品工程优化设计（ProductEngineeringOptimization）、产品功能定义（Product FunctionDefinition）、产品功能优化（ProductFunction Optimization）模块。用户通过以下工具，如：参数（Parameters）、关系（Relations）、公式（Formulas）、规则（Rules）、检查（Checks）、反应（Action）等来编辑、创建知识，通过模板文件来表达和应用知识，常用的模板文件有用户特征模板UDF（UserDefinedFeature）、超级拷贝（PowerCopy）等［7］。
3DE在CATIA知识工程的基础上优化、拓展了新的模块，如：最佳实践设计（KHC-QualityRules Designer）和应用设计（KAC-DesignAppsDeveloper）。其中用户可利用KAC模块对模板、规则，以及设计步骤等进行封装，该模块提供了创建自定义工具按钮和交互界面功能。
本次模型的创建，基于3DE采用骨架设计的思路，运用参数和EKL（企业知识工程语言）语言编写“知识”，通过Action结合UDF（UserDefinedFeature）对“知识”进行表达和应用，生成模型，最终在KAC模块对生成模型的Action封装，建立基于3DE的圆形水池工具按钮。创建工具按钮的技术路线见图2。
图2 技术路线
2.1 骨架设计
骨架设计是一种自上而下的设计方法，通过骨架元素驱动实体或零件之间的关联关系，当设计变更后，通过修改骨架元素即可实现模型快速更新。骨架设计具有驱动设计、协同设计、避免更新循环的特点。是设计人员进行设计参考和定位参考的重要基准，常用的骨架元素包括：点、线、面、轴等。
骨架设计理念是让结构只与骨架元素发生关联，这样能让整个建模逻辑关系扁平，适用于模板模型建立，能提高模板的适应性。
比较复杂的圆形水池结构构成常包括池底、池壁、走道板、集渣井、配水井、基桩等部分。结构的定位均以池底中心点为基准，骨架元素即为水池定位点。见图3。
图3 骨架设计架构
2.2 参数设置
确定了圆形水池模型骨架元素，通过设置结构参数，控制池底、池壁、走道板、集渣井、配水井及基桩的轮廓。参数的设置方便后期对模型结构尺寸快速修改。
（1）水池体型参数：R1-水池内径、R2-配水井内径、R3-集渣井内径、H1-池壁高度、H2-配水井高度、H3-集渣井高度、W1-走道板宽度、W2-底板外挑宽度、W3-配水井顶板宽度、t1-底板厚度、t1-a-集渣井底板厚度、t2-池壁厚度、t2-a-集渣井池壁厚度、t2-b-配水井壁厚、t3-走道板厚度、t3-a-配水井顶板厚度、底板坡度θ。具体水池体型参数见图4。
图4 水池体型参数
（2）基桩布置参数：Rz-桩半径、L-桩长度、PR-桩定位半径、θz-定位桩角度，n-每一圈桩个数。见图5。
图5 基桩布置参数
2.3 模型建立
模型创建采用知识工程模块Anction方式，根据结构特点，结合运用UDF和EKL语言。
EKL是达索官方编写的一种解释性企业知识工程语言，其特点是语法面向对象，可调用对象、规则具有可拓展性。
UDF是3DE建模过程封装为一个（组）特征的知识工程组件，将复杂的建模过程模块化的主要实现途径。使用UDF时，仅需若干几何元素和参数输入即可得到建模结果［1］。
（1）水池体型建模。水池体型的结构参数具有确定性，且值唯一，参数之间无关联关系，适合采用UDF方法建立。模板输入为水池定位点，输出包括水池体型和水池底部曲面，后者将作为基桩模型布置的基准面，是生成桩模型的输入元素。
（2）基桩布置建模。桩布置在水池底部曲面，定位桩位置的参数具有不确定性，且参数之间存在逻辑关系。使用EKL编辑循环语句，输入N个定位桩夹角θz和定位桩半径PR；
其次定义每一圈桩个数n。由以上参数共同生成水池底部所有桩的定位点，结合桩参数调用UDF模板生成桩模型。建模技术路线见图6。
图6 基桩建模技术路线
水池体型和桩模型生成存在先后顺序，需先通过EKL语言调用水池模板，生成包括水池体型和水池底部曲面，后者是桩模型布置基准面，是生成桩定位点的输入元素。因此需通过EKL语言来组织逻辑关系，实现整个模型的生成。整个模型生成的技术路线见图7。
图7 建模技术路线
2.4 工具按钮创建
通过Action实现了模型的生成，但在使用时，Action命令会暴露EKL语句，不利于“知识”的保护。其次，结构参数无图例补充说明，参数指向不明确，用户体验感差，不利于建模方法的推广和普及。Action运用界面见图8。
图8 Action运用界面
为解决以上问题，基于CATIA软件，能通过二次开发，实现“知识”封装，生成工具按钮。CATIA主要提供了两种二次开发接口：自动化对象编程（V5Automation）和开放的基于构件的应用编程接口（CAA）。
组件应用架构（ComponentApplicationArchitectureCAA）是产品扩展和定制开发平台，能实现深层次的二次开发需求，需要用户掌握VisualC＋＋语言，了解软件连接端口等方面知识，应用门槛较高［7］。
自动化对象编程（V5Automation），采用Visual Basic6.0（简称VB）对CATIA进行二次开发，VB语言具有简单、易用、可视化的特点。Automation是通过VB调用CATIA提供的丰富类、库、二次开发函数，实现交互方法的定制开发。Automation简单易学，能满足大部分的工程应用需求［7］。
基于Automation在CATIA平台能实现圆形水池Action的封装，并生成工具按钮，但无法设计和创建工具按钮的交互界面，用户若要对结构参数进行修改，只能修改VB相关语句，使用便捷性差。
为了解决工具按钮交互界面创建问题，为用户提供更友好，便捷的参数填写、修改界面，3DE提供了KAC模块，对知识工程中的关系（Relations）、公式（Formulas）、规则（Rules）、检查（Checks）、反应（Action）等“知识”语句进行封装，创建工具按钮，根据用户需求，自定义工具按钮的交互界面。具体流程见图9。
图9 Action封装流程
（1）用户交互界面设计：在KAC模块使用“布局设计”对工具交互界面进行设计和预览。
（2）按钮驱动设置：KAC模块使用“知识工程项目”将用户交互界面按钮与UDF模板和参数关联。
（3）工具按钮创建：完成界面设计和按钮驱动设置后存储至“应用程序包”，通过“应用程序和命令”创建工具按钮，工具按钮的图例，放置的模块位置都可自定义。
为测试工具按钮的实际效果，选取污水处理厂中常用的初沉池和二沉池，分别作为复杂圆形水池与简单圆形水池样例进行测试。
3.1 复杂水池
某初沉池直径50m，高10.8m，底板斜率1／12，水池中部设有配水井，水池底部有集渣井，水池采用桩基础形式，共布置有桩基9圈，水池结构较为复杂。水池剖面见图10。
图10 水池剖面示意（单位：mm）
采用本文建立的工具按钮进行模型创建，在用户使用界面下，分别输入水池体型基桩等各项结构参数，形成模型见图11。
图11 复杂圆形水池模型
3.2 简单圆形水池
某二沉池直径50m，高6.265m，内部无配水井，底部无集渣井，底板水平，水池下部为天然地基，水池结构相对简单。水池剖面见图12。
图12 水池剖面示意（单位：mm）
采用本文建立的工具按钮进行模型创建，在用户使用界面下，分别输入各项结构参数，形成模型见图13。
图13 简单圆形水池模型
以上测试成果表明，不论复杂圆形水池或是简单圆形水池，本文研究创建的设计工具按钮均能够适应。其具有友好的工具按钮交互界面，可以高效、快速地形成高质量模型，极大提高尺寸修改效率，对工程前期方案比选、辅助科学决策具有重要价值。
基于3DE的传统建模方法，过程繁琐、重要参数不外显示、修改麻烦、模型复用率低。本文基于3DE，使用了知识工程和KAC两个模块，采用骨架设计思路，结合Action、UDF、EKL语言创建、应用“知识”，在KAC模块对“知识”进行封装，新建具有用户交互界面的专业设计工具按钮。基于本文模型和工具按钮创建、应用研究，总结如下：
（1）利用知识工程模块，采用EKL语言编写“知识”，通过Action和UDF表达“知识”的模型创建方法。满足了不同结构形式，参数逻辑较为复杂的建模需求，极大地提高了模型创建效率，提升了模型质量。
（2）KAC模块对“知识”封装，可将设计规范、企业标准和用户经验融入设计的过程中，对“知识”进行隐形管理，显性表达，实现知识的保护、重用和共享。
（3）KAC模块创建工具按钮交互界面的功能，大大降低了二次开发成本，为不具备二次开发能力的工程设计人员提供了新建自定义工具按钮的途径，让用户使用更加便捷，有利于专业三维设计工具的推广和普及。
本文建模和工具按钮的创建方法可扩展至其他市政结构设计场景中，企业可打造基于3DE具有自主知识产权的专业设计工具集，提升专业三维设计的智能化水平，对3DE在市政行业的推广和普及具有借鉴意义。
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