CATIA输出STP格式的船体模型数据分析及重现

2023年11月26日发(作者：)

CATIA输出STP格式的船体模型数据分析及重现

朱安庆;杜兆阳;何佳

【摘 要】以CATIA中建立的船体模型为数据源,分析其输出的STP标准格式文件

数据结构,建立基于STP文件的不同实体对象的组织关系,并应用OpenCasCade开

源包编写解析STP文件的程序,对STP文件进行解析,重构文件组织结构,实现文件

数据的信息提取,生成验证效果良好的三维几何模型,为不同软件之间结构模型交换

提供解决方案.

【期刊名称】《造船技术》

【年(卷),期】2018(000)004

【总页数】8页(P10-17)

【关键词】CATIA;船体模型;数据结构;OpenCasCade

【作 者】朱安庆;杜兆阳;何佳

【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏现代造船

技术有限公司,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江

212003;江苏现代造船技术有限公司,江苏镇江212003

【正文语种】中 文

【中图分类】U663

0 引 言

CATIA是法国达索公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，其功能覆盖了产品设

计制造的各个方面[1]。近年来CATIA发布了V6版本，更进一步增强了多学科系

统建模和仿真功能。为更好地发挥CATIA的模型性能，将CATIA软件中生成的模

型传输到其他相关软件中，达到模型数据共享，提高设计效率，研究CATIA软件

船体模型与其他CAD软件的数据交换就显得十分必要。

本文基于CATIA V6设计软件中的结构设计数据结构，通过STP中间文件分析船

体模型数据组成，提取模型产品数据，并以CATIA设计软件导出的STP文件数据

组织结构为依据，运用OpenCasCade(OCC)第三方开源包编写解析程序，生成可

以验证的三维几何模型[2]。

1 CATIA系统模型数据特点

CATIA作为一款国际流行的三维设计软件，功能齐全，具有强大的混合建模能力，

模型的细节表达及虚拟仿真功能也非常完善[3-4]，它的基本功能模块及集成应用

模块的产品结构模型表达如图1所示。产品作为最高级的组织，由若干子产品、

部件、零件组成，其中：部件由许多的零件通过它们之间不同的约束关系组成；零

件是整个产品模型的最底层结构，由许多实体组成，其中包含了组成该零件的几何

及非几何信息。本文讨论以CATIA中建立的船体模型输出STP文件，分析其结构

组成，获取船体模型数据，利用OCC第三方开源包，编写解析程序，实现模型重

建[5]。

图1 CATIA产品模型结构

2 STP文件基本组成

STP文件格式满足STEP模型交换标准，模型数据覆盖产品整个生命周期中所有数

据元素，包括为进行设计、分析、制造、测试、检验和产品支持而全面定义的零部

件或构件所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据。因此，选用这种输

出文件作为数据源进行分析能准确得到模型数据信息。

STP文件由ISO-10303-21开始，由END-ISO-10303-21结束[6]，每1行数据

由基本字符串组成，其中包含了表示特定意义的标识符、关键字和数据信息等，整

个文件从结构上分为头部分和数据部分。

头部分主要是对整个交换文件的基本信息进行描述，如用户、工程名、日期、文件

版本等信息，以HEADER开头，以ENDSEC结尾。数据部分是STP文件的主体

部分，是对各个实体信息描述的集合，主要对具体模型信息进行描述，以DATA

开头，以ENDSEC结尾。本文主要针对数据部分对文件进行解析，获取模型数据

结构。

数据部分是各实体描述的集合，采用扩展边界表示法来描述实体。通过对导出的多

个STP文件进行分析，总结出STP文件中对一般实体的表示格式是：

#数字=实体关键字(‘实体名称’，属性1，属性2，…);

例如：

#38=CARTESIAN_POINT('Vertex',(58 200.,-2 800.,12 000.));

从这行数据中可以得出：标识符38表示的是1个点，该点为某直线的顶点，由坐

标(58 200.,-2 800.,12 000.)确定位置。

不同实体实例通过其属性的组成进行联系，例如：#121=LINE('Line',#118,#120)，

其中#121表示的是1条线，括号内是该标识符下的实体名称——线及括号内组成

这条线的2个属性，这2个属性用标识符表示，继续查找括号内属性值所代表的

实体，得到组成这条线的其他信息，最终完整实体实例。

3 基于CATIA的STP格式船体模型数据分析

3.1 基于CATIA的STP输出格式的数据结构

STP文件描述的CATIA模型数据结构可分为3类，分别是几何信息、拓扑信息及

属性信息，其中几何信息和拓扑信息是STP文件中描述模型数据结构的核心部分，

也是实体造型的基础数据。通过分析文件中的这些数据来完成几何实体的构造。

(1) 几何信息。文件中定义的几何信息包括点、线、面等几何元素，如：点包含笛

卡尔点；线包含直线、B样条曲线、圆、曲线等；面包含曲面、平面、B样条曲面

等；此外，还有方向、矢量、方位等的定义。文件中这些几何元素通过实体关键字

来区别定义，具体的几何元素关系如图2所示。

(2) 拓扑信息。文件中的拓扑信息包含实体间的连接、邻接关系，这种拓扑关系描

述了几何上的点、线、面等元素的相邻关系。文件中定义的拓扑元素主要有壳、面、

环、边、顶点，具体的拓扑元素关系如图3所示。

图2 几何实体元素关系

图3 拓扑实体元素关系

通过分析总结，STP文件中描述模型产品的实体主要有：笛卡尔点

(CARTESIAN_POINT)、顶点(VERTEX_POINT)、方向(DIRECTION)、矢量

(VECTOR)等，通过查找各实体的关键字，找到各实体间的几何及拓扑关系来完整

地描述模型实体信息。

下面以CATIA软件建立的板材模型为例，导出STP格式的文件，对相应的STP文

件进行分析，确定数据组织结构。

3.2 平面板材的结构组成

在CATIA中建立船体平面板架模型，如图4所示，并基于此对船体模型进行数据

分析。

图4 平面板架模型

在STP文件的基本组成中，STP文件表达模型数据分为几何体定义和几何信息定

义等2部分，文中仅对其所表达的数据结构中的几何体定义内的信息进行分析。

分析平面板架的STP文件，得出平面板材的表达是通过在一个大表面上定义一个

闭合边界来确定面的具体形状和位置。

文件中一个平板实体是一个高级面(ADVANCED_FACE)组成，同时在STP文件中，

表示高级面的这行数据内有命名这个平板的名称，通过这行数据可以得到需要的板

的属性信息，例如：

#328=ADVANCED_FACE('DECK_9 000 _0 mm_8 mm_STEEL

A235',(#327),#56,.T.) ;

从这条数据中可以得出：这个高级面所定义的是1个命名为DECK_9 000. BL_0

mm_8 mm_STEEL A235的甲板面，可从中得到需要的信息。高级面由1个面的

边界(FACE_OUTER_BOUND)和1个几何曲面(PLANE)组成，这里的PLANE就是

1个在某高度上无限大的面，相当于1个大表面；面的边界

(FACE_OUTER_BOUND)由多个边界环(EDGE_LOOP)组成，边界环由多个有向边

(ORIENTED_EDGE)组成，根据不同面的具体形状，STP文件会按照STEP标准划

分不等数量的有向边；不同的有向边之间首尾相连形成封闭边界环。每个有向边由

1个边界曲线(EDGE_CURVE)组成，边界曲线由2个顶点(VERTEX_POINT)和表示

边的几何曲线(LINE)组成，这里的顶点分别是起始点和终止点，2点连线即为边界

曲线，几何曲线由1个起点(Line Origine)和矢量(VECTOR)组成，几何曲线方向

表示该边界曲线的方向。在平面板材中，通过这些实体组成的边界来描述具体的平

板。

对于不同的平面，数据结构在STP文件中的表达均是如此，平面板材数据组织结

构如图5所示。

图5 平面板材数据结构

3.3 STP文件的解析

对CATIA的STP文件的解析采用开发外插程序的方法进行，对STP文件进行预处

理，遍历整个文件，以分割字符串的方法将文件中的数据按不同的实体进行分类，

具体的流程如图6和图7所示。

图6 文件处理流程

图7 字符串分割具体流程

完成文件中不同实体的数据处理后，对提取出来的数据按照船体结构的特点进行重

新组织。判断该实体是否为板材、型材、肘板、面板等，根据判断结果进行不同的

处理，得出相应信息，将相关数据信息保存到相应的零件节点下，完成数据提取，

并输出.txt文件以便验证数据的准确性。处理流程如图8所示。

示例结构的.txt文件生成如下：

#328 ADVANCED_FACE

NAME: DECK_9 000 _0 mm_8 mm_STEEL A235 //节点名称

H: 9 //高度

Thick: 8 //厚度

Material: A235 //材料

#327 FACE_OUTER_BOUND: //板边界

#316 EDGE_LOOP //边界环

#317 ORIENTED_EDGE //边界曲线，以B样条曲线描述

图8 实体模型处理

#57 B_SPLINE_CURVE_WITH_KNOTS:CARTESIAN_POINT(71.200 000 8.172

622 9.000 000) …… //省略若干坐标

#318 ORIENTED_EDGE

#69 B_SPLINE_CURVE_WITH_KNOTS:CARTESIAN_POINT(81.399 000 3.280

384 9.000 000) ……

3.4 基于OCC的船体模型重现

STP格式文件通用CAD文件交换格式，遵守STEP标准，可运用开源OCC对

CATIA导出的STP文件进行模型重建。OCC将类库中有关联的类封装成1个包

(Package)，这个包被翻译成动态链接库，为开发者提供所需的接口函数。OCC

中独立的STEP数据交换模块可以读取、写入STEP标准文件中数据模型的几何、

拓扑、属性等信息，并进行三维模型的重建。本文运用OCC工具编程，将STP文

件中的数据模型映射成OCC数据模型，通过OCC数据模型的重建来实现对STP

文件中数据模型的三维重建。STP文件中数据模型的拓扑实体与OCC对象之间的

映射关系如图9所示，几何实体与OCC对象之间的映射关系如图10所示。

图9 STP文件中拓扑实体与OCC对象之间的映射

图10 STP文件中几何实体与OCC对象之间的映射

在文件的解析过程中，生成能够验证的OCC几何实体模型集，对OCC几何模型

集进行遍历解析，获取几何信息，实现CATIA导出的STP文件的船体三维实体模

型重建。以本文所建立的平面板架为例，验证本文利用OCC所开发解析程序的有

效性。本程序的流程图如图11所示，船体结构平面模型重建效果图如图12所示。

图11 程序流程

图12 基于OCC的船体结构模型重建效果图

4 结 论

本文通过对CATIA软件导出的STP文件进行分析，间接得到了CATIA中模型的

几何、拓扑及其相关属性等信息。在文件解析过程中，采用分析中性文件的方法，

提取出模型的数据信息，提高了后续开发CATIA软件与其他软件的数据交换接口

程序的独立性，减少数据分析过程中对软件的依赖性。同时，利用OCC第三方开

源包，编写解析程序，实现CATIA导出的STP文件的船体三维实体模型重建。

参考文献

【相关文献】

[1] 郑波. 面向STEP的实体信息交换软件的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2014.

[2] 谭菲. 船舶STEP标准AP218实施方法的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3] 辛凌云. 基于OpenGL的STEP文件几何信息重现技术研究[D]. 天津：河北工业大学，2014.

[4] 刘晓光. CAD软件二次开发方法及应用探析[J]. 无线互联科技，2015(24)：62-63.

[5] 韩韡. TRIBON与CATIA间船体模型数据交换技术研究 [D]. 上海：上海交通大学，2013.

[6] 高志华. CATIA V6从入门到精通[M].北京：电子工业出版社， 2011.