模型轻量化技术方案
1. 需求分析
2. 维修任务要素分析
2.1. 维修要素分析的内容
2.2. 维修要素分析的过程
2.3. 维修要素分析所需的信息
2.4. 发动机维修任务要素分析
依据上述方法对维修任务各要素进行分析。不同的维修任务对发动机数字样 机的需求不同，需要依据维修任务对发动机数字样机进行轻量化工作。
确定维修任务后，需要分析该维修任务的维修要素，主要包括以下几项内容： （1）实施该维修任务所需要的步骤（如拆卸、更换、调整等），及相应的维 修要求；在各项步骤实施过程中，需要进行操作的工具、设备、零件、备件等是 需要在轻量化中保留的部分。 （2）实施维修任务所需要的人员；在完成维修任务过程中，为保证虚拟维 修与真实维修的一致性，维修人员可视范围内不需要操作的部件需要保留外观属 性，需要操作的部件需要保留整体属性。 （3）实施维修任务所需的工具、设备、备件等；该部分内容关系到维修任 务的完成，不进行轻量化操作。 （4）实施维修任务所需的数字样机；数字样机需要根据维修任务相关性， 如无关、可视、可达、操作等进行删除、保留外观、解除约束、保留整体等轻量 化操作。
3. 大型数字样机分区域加载
数字样机区域基本组成单元是零部件的数字模型及其之间的约束关系，数字 样机区域层次树是表达从零件、组件、装配件、系统到产品整体的层次化区域树 形结构。
一个完整的型号，无疑是一个大型的数字样机，由多个子系统、孙系统等多 级别、多分枝系统组成，系统复杂，顶点数量和面片数量巨大，给大型数字样机 的加载及维修性验证的开展带来了很大困难。
确定维修任务后，需要分析该维修任务的维修要素，主要包括以下几项内容： （1）实施该维修任务所需要的步骤（如拆卸、更换、调整等），及相应的维 修要求；在各项步骤实施过程中，需要进行操作的工具、设备、零件、备件等是 需要在轻量化中保留的部分。 （2）实施维修任务所需要的人员；在完成维修任务过程中，为保证虚拟维 修与真实维修的一致性，维修人员可视范围内不需要操作的部件需要保留外观属 性，需要操作的部件需要保留整体属性。 （3）实施维修任务所需的工具、设备、备件等；该部分内容关系到维修任 务的完成，不进行轻量化操作。 （4）实施维修任务所需的数字样机；数字样机需要根据维修任务相关性， 如无关、可视、可达、操作等进行删除、保留外观、解除约束、保留整体等轻量 化操作。
包含产品模型的表达、零部件属性信息以及产品的结构信息等。 几何信息主要包括：各个定点坐标位置、点线面之间的关系、曲线曲面方程
等。以上述信息为基础，重构几何信息的初始化实体模型，其基本的算法为： ① 源模型的拓扑结构树要自上向下进行遍历，(即以体、面、环、边、点的
顺序)然后搜索整个拓扑树，复制所需要的拓扑结构； ② 对于每一拓扑结构的实体，如果它关联着几何数据，则要提取这些拓扑
指定三维模型 轻量化处理
逐层压缩简 化法
遮挡剔除
透明度 质量控制
抗锯齿 级别控制
曲线精确 度调整
轻量化后的三维模型
根
据
要
素
分
析
优
化
背面剔除
三
控制
维
模
型
文
件
图 2 根据要素分析优化三维模型文件
4.1. 不同模型和场景对轻量化需求分析
根据维修任务要素分析的需求，在确定维修任务后，对指定三维模型和场景 进行优化和模型轻量化。不同的维修任务对发动机数字样机的需求不同，需要依 据维修任务对发动机数字样机进行轻量化工作。
近曲面中难免会产生较多的控制点网格数据。比如，对一些复杂的零件来说，它
的三维模型中含有较多的过渡曲面，因而它的文件比较大，但是在此之中存在很
多并不是很复杂的过渡曲面，因此，我们在其精度降低较少的情况下，应用少量
的控制点来形容此曲面，这样通过曲线曲面的简化进一步改善几何模型的轻量化。
在三维发动机系统中，精度对曲线、曲面要求都比较高，但是在可视化系统
图 7 模型轻量化 接口面保证实例
（2）轻量化模型需要保持原模型的主要外形特征 模型的外形特征在验证中是必须要使用的，可以通过模型的主外形来确定设 备使用的空间布局和环境。因此，在模型的轻量化过程，还需要保证模型的主要 外形特征不变。如图 8 中，电动机的参考模型不能将其所带的电源模型去除而直 接影响电机模型的外形特征。
4.2. 对三维模型进行指定优化和轻量化的原则
发动机维修性验证数字样机轻量化方法将以发动机维修任务为依据，确定发 动机数字样机区域层次，按照相关性的大小对数字样机进行轻量化操作。
1、数字样机模型的基本组成 数字样机模型就是装备在计算机中的数字化描述和表示，是由与装备相关的 各种信息有机的联系构成，组成产品模型的基本信息有： （1）几何形体信息，如几何形体的拓扑组成、形状及尺寸大小等； （2）材料及热处理信息； （3）工艺信息，如精度公差，表面粗糙及其它加工要求等； （4）有关产品管理信息； （5）产品功能及技术要求方面信息
为了解决以上难题，现针对达索系统的 DELMIA 平台开展大型数字样机维修 性验证数字样机轻量化工作研究。首先就是将大型数字样机根据系统组成、结构 设计、通道设置等相关内容对发动机数字样机进行区域参差划分。本过程主要分 为三个阶段：
将大型数字样机整机载入达索 DELMIA 平台 这个阶段中采用显示拦截和后加载技术，将 DELMIA 平台区域层次树（又 称目录树、结构树）和模型绘制加载进行分步进行。通过 CAA 开发，开 启显示拦截，只加载大型数字样机的层次树。
载入 达索系 统DE LM IA平台
区
域
层
仅生 成区域 层 次树 ，不加 载
次
具体 模型
树
划
分
及
根据 维修性 验证需 求对层 次树进 行重组
模
型
加
对指 定维修 验
载
证区 域进行 模
型显 示加载
区域 层次树 划分及 模型加 载 结束
图 1 区域层次树划分及模型加载
4. 三维模型文件优化
...
对指定维修验 证区域进行模 型显示加载
3、数字样机轻量化的需求 数字样机在设计中是以模块化进行设计的，直接对模块轻量化在进行装配， 可有效提高轻量化的效率。轻量化体现在对源模型数据进行压缩，过滤掉与维修 性验证无关的信息，如建模过程信息，仅仅保留模型的装配结构信息、装配关系 信息和几何信息。由于轻量化处理后的模型还需要参与装配，因此，它的轻量化 不同于单个模型的简化，对于仍需要参与装配的模型，做轻量化处理时需要考虑 的问题也比单个模型的简化处理要复杂，为使得装配模型的轻量化能够满足用户 的需求，因此在进行模型轻量化时需要满足以下几个条件： （1）在轻量化的过程中需要保证原装配模型参与装配的接口面不变 模型中的装配接口面的形状和位置在轻量化的过程中不能被改变。轻量化模 型需要在产品的设计中与其他的零部件进行装配组合，它上面的装配接口信息需 要与原模型一致。 如图 7 所示，在对图片左侧中的模型进行轻量化处理时，由于中间大圆及台 阶需要与其他模型进行装配，因此，需要保留这一部分的特征，以保证轻量化模 型能够顺利的参与装配。
根据维修验证需求对现有层次树进行重组 在本阶段如果模型已有的区域层次树不能满足维修验证的层次树划分需 求，可以通过对层次树进行显示调整，以达到重组的目的。
将需要进行维修性验证的区域层次树进行加载显示 将重组后的区域层次树进行加载显示。 区域层次树划分及模型加载见图 1。
大型 数字样 机整机
三维CAD设计工具系统 UG CATIA PRO/E
通过读入接口
非几何信息过滤曲面曲线简化拓扑、 Nhomakorabea何数据重构
编码压缩
产品全生命周期管理（PLM）
图 10 逐层压缩简化法流程图
（1）装备信息提取 发动机设计单位在设计发动机数字样机时，是各部门按照不同系统进行模块 设计，最终由总体室进行综合协调。在维修性验证中，根据不同的维修任务提取 需要的的系统、结构数字样机模块，对该部分数字样机进行轻量化处理以满足维 修性验证需要。 （2）非几何信息过滤 在数字样机清凉化操作中，首先对非几何信息进行过滤。在三维模型中包含 几何信息、非几何信息：几何信息包括三维实体的几何元素，即点、直线、虚线、 平面、曲面，各几何元素之间的拓扑关系；而非几何信息则包含注释实体、结构 实体的特征定义以及造型的历史等。模型轻量化后，其中的造型历史与特征定义 等被过滤，其并不影响发动机模型的浏览，而此时，数字样机轻量化模型中主要
图 8 模型轻量化 保持外形特征
4.3. 本方案采用的主要三维模型优化和轻量化介绍
对指定三维模型进行逐层压缩简化 本方案在对发动机数字样机发动机模型进行具体轻量化操作时，主要采用逐 层压缩简化法。此算法是基于对产品装配模型进行逐层的压缩处理，主要包含过 滤非几何信息层、简化曲面曲线层等，从而得到轻量化模型，其过程为：首先对 于数模的一些非几何因素或信息进行过滤处理，然后对于一些复杂的曲线、曲面 进行简化（但不能改变原先的形状、尺寸等信息），有必要时会需要编码压缩。 如下图所示模型轻量化过程：
平台环境中，由于结构分析、优化、远程可视化浏览等工程实际应用的要求，其
精度可适当降低很多，因此这也为产品的轻量化创造条件。一般的三维发动机系
统通过非均匀有理 B 样条（NURBS）表达自由曲线、曲面，而它可以与 B 样条曲
线的性质互相运用，目前主流算法中 B 样条曲线曲面的简化可采用节点删除和降
2、数字样机模型几何信息的数据结构 模型几何信息指的是组成产品几何形体的点、边、面和体等几何元素以及它 们之间的拓扑关系。 （1）几何元素 点。点是 0 维几何元素，可以是顶点、交点、切点或孤立点，但在形体定义 中一般不容许存在孤立点。在自由曲线和曲面的描述中常用到下面三种类型的点： 控制点，用来确定曲线或曲面的位置和形状，而相应曲线或曲面不一定经过的点； 型值点，用来确定曲线或曲面的位置和形状，而相应的曲线或曲面一定经过的点； 插值点，为提高曲线或曲面的输出精度，在型值点之间插入一系列点。点是几何 造型中最基本的元素，自由曲线、自由曲面或其它形体都可以用一系列有序点集 表示。 边。边是在参数空间是三维几何元素，是两个相邻表面（正则形体）的交界。 边可以是直线或曲线。直线由起点和终点两个端点表示；曲线则可由一系列型值 点、控制点或显式、隐式方程表示。 环。环是有序的有向边首尾相接组成的封闭边界。环中的有向边不能相交相 邻两条边共用一个端点。环有内外之分，确定面最大边界的环称为外环，其有向 边通常按逆时针方向排序，除外环外，组成面的其它环称为内环，有向边与外环 相反，通常按顺时针排序。因此在面上沿环前进，其左侧总是面内，右侧总是面 外。 面。面在参数空间是二维几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一 个外环和若干个内环确定其范围。一个面可以没有内环，但必须有且只有一个外 环。一般用面的外法矢方向作为该面的正方向，其方向与外环的方向相同。区分 正向面和反向面在面和面求交、交线分类、显示等方面都很重要。在几何造型中 通常有平面、二次曲面、双三次曲面和 NURBS 曲面等。 体。从集合论的观点看，体是欧氏空间 R3 中的有限点集；而从表达和显示 的角度来看，体又可以看作欧氏空间 R3 中由封闭边界围城的空间。为了保证几 何造型的可靠性和可加工性，要求形体上任意一点足够小的邻域在拓扑上应该是 一个等价的封闭园，即围绕该点的形体邻域在二维空间中可以构成一个单连通域。 我们把满足这个定义的形体称为正则形体，而把不满足的形体称为非正则形体。