CAD軟件與CAE軟件圖形數(shù)據(jù)接口問題研究

劉巖松， 董林福， 信紅波， 武晶晶

(沈陽化工大學機械工程學院，遼寧沈陽110142)

隨著技術(shù)的進步，求解越來越復雜和大規(guī)模的計算模型成為一種趨勢，然而CAE的建模功能常常成為分析的瓶頸，需要在建模功能更為強大和方便的CAD環(huán)境中進行建模工作，然后再將CAD模型導入分析軟件進行分析.因此，分析軟件接口的好壞直接影響到分析的進程［1］.

目前基本轉(zhuǎn)換方法有兩種，即在CAE軟件中直接讀入CAD模型文件和通過中間格式文件轉(zhuǎn)換［2］.前者受到軟件類別及版本的限制，后者受到各軟件公司內(nèi)核兼容性的限制.在相互轉(zhuǎn)換過程中常會出現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，并且模型的修改和更新不能及時反饋到CAE模型中，重復建模更要耗費大量的時間和精力［3－5］，這就使得CAD與CAE軟件之間的接口技術(shù)變得深不可測.事實上，兩者之間的無縫鏈接是可以快速實現(xiàn)的.

1 常用CAD軟件與CAE軟件之間圖形數(shù)據(jù)接口方法對比

關于早期版本CAD軟件與CAE軟件的圖形數(shù)據(jù)接口問題，有許多很好的探索.其中二維CAD軟件的導入大多是以IGES格式完成，而三維CAD軟件的圖形數(shù)據(jù)的導入相對繁瑣一些.現(xiàn)以ANSYS和pro/E為例，比較典型的接口方法有如下幾種:

(1)IGES格式導入法

在Pro/E中建立模型后(一般是part)，從菜單File_save a copy中選擇IGES類型存盤，啟動Ansys，從菜單 file＜import＜IGES選擇形成的IGES格式文件即可.在Ansys中輸入模型時，可能會出現(xiàn)模型斷裂，需要對“Defeature、合并重合的關鍵點、產(chǎn)生實體、刪除小面積”等選項進行改變，反復修改，直到圖形數(shù)據(jù)達到要求.

(2)無縫鏈接法

在安裝 ANSYS時，必須安裝ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模塊(代號82).在“開始 ＜程序 ＜ANSYS 5.6＜ANS＜ADMIN Utility”中，選擇configuration options，再選擇configure connection for Pro/E，然后輸入模塊類型、圖形類型、工作空間大小等，之后輸入Pro/E的安裝路徑，完成“連接”安裝.運行Pro/E，打開一個已建好的模型，最后一行會出現(xiàn) ANSYS GEOM，單擊它，直到自動調(diào)用并啟動了ANSYS.此時再選取File＜import＜Pro/E，在文件名一欄中輸入正確的文件名，點OK即可完成輸入［6］.ANSYS 5.7以后的版本在局部會有些小的出入，但是總體的鏈接方法大致都為上述步驟.

(3)Pro/E預處理法

在 Pro/E中打開建好的模型，選擇菜單Applications＜Mechanica，此時會進入有限元FEM模式，可以進行結(jié)構(gòu)、熱等的分析，選擇結(jié)構(gòu)＜分網(wǎng)(mesh)＜create-＜solid＜start，開始分網(wǎng)，完成后關閉對話框，選擇菜單中的Run，在對話框的求解器中選擇ANSYS，輸出到文件，填入文件名，點取OK(材料不必輸入)，即可生成一個*.ans文件.運行Ansys，從命令Utility Menu＜File＜Read input from...中，選擇剛才產(chǎn)生的*.ans文件，即可以完成導入.

2 圖形數(shù)據(jù)接口無縫鏈接實現(xiàn)的最新方法

2.1 二維CAD軟件與CAE軟件的圖形數(shù)據(jù)接口問題

CAXA 2009機械版是北京數(shù)碼大方科技有限公司開發(fā)研制的一套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的二維計算機輔助設計(CAD)軟件，擁有先進的局部參數(shù)化設計和通用的數(shù)據(jù)接口.

二維圖形數(shù)據(jù)交換主要以IGES格式為主.IGES是由美國國家標準局主持，由波音公司和通用電氣公司參加的技術(shù)委員會，于1980年編制的初始圖形信息交換技術(shù)規(guī)范，并由美國國家標準協(xié)會公布的美國標準.當今流行的CAD軟件都具備IGES接口，IGES格式也因此成為一種被普遍接受的中間標準格式.

具體實現(xiàn)步驟如下:

(1)啟動CAXA 2009，繪制模數(shù)為2、齒數(shù)為42的齒輪二維輪廓線，如圖1所示.

圖1 CAXA齒輪二維輪廓線Fig.1 Two dimensional contour of CAXA gear

(2)將圖形文件另存為IGES格式.

(3)在ANSYS 12.0環(huán)境下，命令為Utility Menu＞File＞Import＞IGES，導入結(jié)果如圖2所示.

圖2 ANSYS 12.0導入結(jié)果Fig.2 ANSYS 12.0 lead-in result

三維圖形數(shù)據(jù)交換如果使用IGES格式會出現(xiàn)圖形元素丟失的現(xiàn)象，但是在二維數(shù)據(jù)交換時IGES格式一般不會出現(xiàn)上述情況.實際上，很多人往往忽視二維CAD軟件與CAE軟件的圖形數(shù)據(jù)交換，而CAXA在曲線造型功能上優(yōu)于ANSYS.因此，能夠熟悉并利用二維CAD軟件的功能會給CAE軟件的前期準備做很好的鋪墊，在實際工程計算過程中也能節(jié)省不少的時間.

2.2 三維CAD軟件與CAE軟件的圖形數(shù)據(jù)接口問題

目前，Pro/E和ANSYS軟件分別是CAD和CAE軟件的典型代表，ANSYS 12.0和 Pro/E wildfire 5.0則是兩者的最新版本.Pro/E是美國PTC公司開發(fā)的多項技術(shù)集成產(chǎn)品，其功能強大，用途廣泛，其強大的建模功能可以繪制任意復雜形狀的零件，但是分析功能較弱;ANSYS是美國ANSYS公司推出的大型有限元分析軟件，它是一種集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，但是其實體建模功能有限［7］.而這兩種軟件各自的短處恰恰又是對方的長處，解決矛盾的途徑是將兩者結(jié)合起來，發(fā)揮各自的長處.先用Pro/E建模，然后在ANSYS中進行分析，如何將兩者更好地結(jié)合，使數(shù)據(jù)傳遞更完善，是一個關鍵的問題［8］.

2.2.1 安裝與配置

(1)ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機配置要求見表1.

表1 ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機配置Table 1 PC disposition of ANSYS 12.0 and Pro/E wildfire 5.0

(2)ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機安裝方法

CAD軟件與CAE軟件在三維圖形數(shù)據(jù)接口的問題上最好不要采用IGES的格式.理論上，所有的CAD軟件格式模型都可以轉(zhuǎn)換為IGES格式文件，然后導入到分析軟件中去;而事實上，各軟件公司在開發(fā)自己的軟件時，內(nèi)核必然存在著與其他軟件不兼容的部分，這種轉(zhuǎn)換是以犧牲圖形文件信息為代價的，表現(xiàn)為導入到ANSYS后，圖形文件會丟失體面線等，或是多了元素，修補特別麻煩，耗費大量人力物力，尤其對于復雜模型，導入后出現(xiàn)的問題更多.導入時選擇Defeature model，則會彈出警告信息，更嚴重的是導致ANSYS軟件產(chǎn)生錯誤，自行關閉，這種問題目前暫時無法解決［5］.因此，需要將CAE軟件集成到CAD軟件當中，這樣就可以實現(xiàn)兩種軟件之間的無縫鏈接.做到無縫鏈接，首先需要從安裝做起，具體操作步驟如下:

(a)安裝Pro/E wildfire 5.0，以安裝在C盤根目錄下為例:C/Program Files/Proe Wildfire 5.0，啟動目錄為C/Program Files/Users;

(b)安裝ANSYS 12.0，ANSYS需要安裝在Pro/E wildfire 5.0的同一根目錄下，啟動目錄同樣為C/Program Files/Users;

(c)選擇支持軟件，在第3行空白處輸入所選擇的CAD軟件的安裝路徑，見圖3、圖4.

待安裝完畢后，啟動Pro/E wildfire 5.0，會發(fā)現(xiàn)ANSYS 12.0及WORKBENCH都已經(jīng)集成到Pro/E wildfire 5.0的常用工具欄之中了，見圖5.

圖3 選擇支持軟件Fig.3 Select sustaining soft

圖4 輸入安裝路徑Fig.4 Import installation path

圖5 ANSYS與Pro/E的集成Fig.5 ANSYS integrates with Pro/E

2.2.2 三維圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在Pro/E wildfire 5.0軟件中所建立的三維模型可分為零件模型和裝配圖模型格式，其格式分別為*.prt和*.asm.當建模成功后，點擊集成命令模塊中的“ANSYSGeom”選項，則在Pro/E的信息欄中將出現(xiàn)Begin transfer of Pro/E geomertry to ANSYS—Proessed 1340 of 1344 faces for ANSYS volumes—Geometry trans—ferCompleted-4438ANSYSlines－－1590ANSYS areas—1 ANSYS volumes的信息，之后在共用的啟動目錄文件夾中會生成一個格式為.anf的文件，啟動ANSYS 12.0，點擊 File/Read input from，找到剛才生成的*.anf文件并導入，再點擊ANSYS12.0工具欄的Plot/Volumes，則圖形數(shù)據(jù)就順利導入了.如圖6、圖7所示.

圖6 Pro/E裝配體模型Fig.6 Pro/E assembling model

圖7 ANSYS導入裝配體模型Fig.7 ANSYS import assembling model

另外，由于ANSYS 12.0已經(jīng)集成到Pro/E wildfire 5.0之中，所以，ANSYS軟件也可以直接打開共用文件夾(C/Program Files/Users)中保存的Pro/E wildfire 5.0所生成的零件模型.點擊File/Import/Pro/E，找到相應文件即可，如圖8、圖9所示.但是，裝配圖形文件必須生成*.anf文件格式才能順利導入.觀察導入圖形發(fā)現(xiàn)，在模型傳遞過程中基本沒有丟失元素的現(xiàn)象.因而，此種CAD軟件與CAE軟件的接口達到了無縫鏈接的效果，可以說是比較好地解決了因為圖形數(shù)據(jù)傳輸所引起的元素丟失問題，進而達到無縫連接的目的.而其它的導入方法與早期版本的方法基本相同，雖然也可達到導入的效果，但是這些方法不能做到快速的鏈接，因此，就不一一敘述.

同樣，在安裝UG和ANSYS時，也能做到上述無縫數(shù)據(jù)連接，方法亦大同小異.

圖8 Pro/E齒輪三維零件模型Fig.8 Three dimensional Pro/E gear part model

圖9 ANSYS導入零件模型Fig.9 ANSYS import part model

3 結(jié)論

通過對常用CAD軟件與CAE軟件接口問題的回顧，對CAXA 2009以及Pro/E wildfire 5.0與ANSYS 12.0的圖形數(shù)據(jù)導入問題的深入探討，許多看似復雜的CAD與CAE軟件之間的圖形數(shù)據(jù)接口問題在仔細研究之后大多都能夠得到相對滿意的解決，為工程設計及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學性能以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能分析找到最優(yōu)的解決方案，并且隨著計算機技術(shù)和相關軟件的研制與開發(fā)，未來的CAD軟件與CAE軟件的接口問題會變得更為簡單，操作也會更為便利.

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