計算機輔助結構設計與分析的集成框架研究

熊勝華， 謝正堅， 何 濤

（1. 北京中科輔龍計算機技術股份有限公司，北京 100085；2. 中交第四航務工程勘察設院有限公司，廣東 廣州 510230；3. 中國科學院計算技術研究所，北京 100190）

計算機輔助設計(Computer Aided Design,CAD)技術與計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)技術的集成[1-4]是當今計算機輔助領域中研究熱點之一，目的是將代表先進幾何建模技術的CAD技術與代表強大分析計算能力的CAE技術緊密結合，以適應現代產品的動態設計特性的要求。相關研究分為以下幾類：

第1類是模型數據共享式的集成框架：該類框架采用標準數據交換文件、文本文件或數據庫等數據存儲方式進行模型數據的存儲，同時利用CAD軟件及CAE軟件的二次開發技術實現相關的設計與分析功能。該類集成框架具有集成簡單、建模方便等優點，使用最多，如：Ledermann等[5]通過CATIA的VBScript語言和ANSYS的APDL語言研究了參數化CAD與CAE的集成方式；陳明等[6]通過CATIA軟件的VBScript語言和應力分析軟件MONOCAL實現了幾何模型建模與有限元分析功能；關振群等[7]通過Mechanical Desktop (MDT)和結構分析優化設計軟件JIFEX研究了CAD與參數化CAE的集成框架；王威信等[8]利用模型數據交換標準STL實現了CAD三維實體的四面體網格劃分，同時調用ANSYS軟件進行有限元分析與計算。

該類集成框架雖具有集成簡單、建模方便等優點，但仍存在一些不足：CAD建模功能較弱，易受限于CAD的二次開發功能，同時針對性較強，局限于特定工程，缺少靈活性。

第2類是單一平臺上的簡單集成框架：包括CAE平臺上CAD集成和CAD軟件平臺的CAE集成。CAE軟件平臺，如ANSYS、ABAQUS等，均提供CAD建模功能，但CAD建模能力沒有專業的CAD軟件強大，建立的模型大都是抽像的簡化模型，無法準確反映實際工程信息。CAD軟件平臺，如PTC公司的Pro/ENGINEER軟件、Siemens 公司的PLM NX軟件、達索公司的CATIA軟件等，均提供CAE分析功能，但CAE功能過于簡單，如須完成復雜的有限元分析計算，仍需借用第三方的專業化CAE軟件平臺。

第3類是組件式CAD與CAE的集成框架：通過調用CAD組件和其它相關組件，可方便地對幾何模型數據、工程信息數據及有限元模型數據進行統一管理，同時借助第三方專業化CAE軟件平臺的二次開發，可實現強大的有限元分析與計算功能。這類集成框架的優點：開發靈活，可以滿足多數行業的要求；借助第三方CAE平臺可實現強大的有限元分析與計算功能。但主要存在開發周期較長等不足。

基于以上分析，為了實現結構設計與分析功能的集成，本文研究了在統一模型庫基礎上的組件式計算機輔助結構設計與分析的集成框架：該框架的基礎是結構CAD/CAE集成模型庫，用來存儲空間結構設計與有限元分析有關的所有信息，包括空間結構的幾何數據、參數化數據、工程屬性數據、有限元模型數據等；該框架包括的組件有幾何造型組件、可視化交互組件、第三方CAD組件、第三方CAE組件、網絡化傳輸組件、數據交換組件、抽象模型轉換組件及模型數據訪問組件等。其中，第三方CAD組件支持CATIA、Pro/ENGINEER等CAD軟件的二次開發功能，第三方CAE組件支持ANSYS和ABAQUS等軟件的二次開發功能。依托該組件式計算機輔助結構設計與分析的集成框架，本文設計與開發了港口碼頭的結構設計與有限元分析系統，并得到了較好的結果。

1 組件式CAD與CAE的集成框架

組件式CAD與CAE的集成框架可分為3層：第1層為系統應用層，包括空間結構設計子系統及空間結構分析子系統；第2層為框架組件層，包括幾何造型組件、可視化交互組件、第三方CAD組件、第三方CAE組件等；第3層為集成模型庫層，包括材料庫、形狀庫、參數庫等，如圖1所示。

1）空間結構設計子系統

空間結構設計子系統利用幾何造型組件、可視化交互組件、第三方CAD組件及數據交換組件等，為用戶提供幾何造型、工程管理、空間軸網建模、構件建模、荷載建模、邊界條件建模、工況組合建模等功能。

2）空間結構分析子系統

空間結構分析子系統利用幾何造型組件、可視化交互組件及第三方CAE組件等，為用戶提供工程抽象模型建模、結點建模、單元建模、有限元模型建模、云圖建模、包絡圖建模及生成計算書等功能。

3）幾何造型組件

幾何造型組件是在幾何造型技術基礎上開發的三維幾何造型引擎，為應用程序提供了集曲線、曲面和實體造型于一體的統一開發環境，提供給用戶通用的基本幾何造型功能和擴展基本功能的接口等。Parasolid及ACIS[9]是當今最有代表性的幾何造型引擎，許多流行的商用CAD軟件如Unigraphics、Solidedge、Solidwork等都是Parasolid或ACIS的基礎上開發出來的。同時，考慮到幾何造型平臺的開發周期等因素，本文的CAD/CAE集成框架仍可選用Parasolid或ACIS作為幾何造型組件。

4）可視化交互組件

可視化交互組件是一套在底層圖形驅動基礎上開發的高性能顯示類庫，它封裝和擴展了OpenGL、DirectX等圖形圖像接口，為高性能設計、仿真及工程應用等領域的用戶提供快速開發的集成化組件框架。HOOPS 3D Application Framework (HOOPS/3dAF)是具有代表性的可視化交互組件之一，作為本文的CAD/CAE集成框架選用的可視化交互組件。

圖1 CAD/CAE集成框架示意圖

5）第三方CAD組件

第三方CAD組件提供多種不同的二次開發接口來滿足不同CAD軟件的二次開發要求，如AutoCAD軟件二次開發的ObjectARX開發語言、CATIA軟件二次開發的VBScript語言、Pro/ENGINEER軟件二次開發的Pro/Toolkit開發工具包等。

6）數據交換組件

數據交換組件依托IGES數據交換標準，為第三方CAD組件提供模型轉換功能，包括第三方CAD模型轉換為本文軟件所能識別的模型及本文軟件模型轉換為第三方CAD模型等。

7）第三方CAE組件

第三方CAE組件支持現有有限元軟件（如ANSYS，ABAQUS）的二次開發操作，負責提取工程抽象模型信息、生成有限元程序二次開發代碼、調用有限元計算模塊、讀取與存儲有限元模型及分析結果等功能。

8）網絡化傳輸組件

網絡化傳輸組件支持用戶以WEB方式操作CAD/CAE集成系統、選擇操作內容、實時獲取操作結果，主要包括識別用戶操作、反饋用戶信息、讀取模型數據、存儲模型數據及網絡傳輸模型數據等基本功能。

9）抽象模型轉換組件

抽象模型轉換組件根據用戶定義的抽象規則庫，將工程實體模型轉換為工程抽象模型、工程材料特征轉換為模型材料、工程荷載轉換為模型荷載等。通過抽象模型轉換組件，用戶可以定義多個不同層次的工程抽象模型進行有限元分析。

10）模型數據訪問組件

模型數據訪問組件提供CAD/CAE集成模型庫的數據交互功能，為幾何造型組件、可視化交互組件、第三方CAD組件、第三方CAE組件、網絡化傳輸組件、數據交換組件及抽取模型轉換組件等提供訪問CAD/CAE集成模型庫的接口功能，包括數據的讀取、修改、刪除及增加等。

11）CAD/CAE集成模型庫

CAD/CAE集成模型庫位于CAD/CAE集成框架的最下層，是集成框架的核心部分，負責存儲工程實體模型及有限元分析模型等有關數據，包括：材料庫、形狀庫、精度庫、荷載庫、工況組合庫、構件庫、工程庫、工程庫、抽象規則庫、計算書模板庫、材料數據、形狀數據、精度數據、荷載數據、工況組合數據、構件數據、工程數據、邊界條件數據、單元數據、結點數據、有限元模型數據、計算書數據、空間軸網數據等。

2 空間結構設計子系統框架

空間結構設計子系統位于組件式CAD/CAE集成框架的系統應用層，提供用戶幾何造型及工程信息建模等功能，如圖2所示。

圖2 空間結構設計子系統的框架圖

1）工程建模：建立工程模型，管理工程有關屬性數據，包括工程名、工程背景、主要參與人員、結構重要性等級、工程水位信息等數據。工程模型可以從已定義的工程庫中獲取，也可以用戶自定義輸入產生新的工程模型。

2）空間軸網建模：為了方便設計人員的空間結構建模的定位操作，建立三維空間軸網模型，管理三維空間軸網的相關信息，包括：橫向軸線的間距數組、縱向軸線的間距數組、豎向軸線的間距數組、軸線編號、軸線關聯對象數組、軸線是否顯示等信息。

3）構件建模：建立工程標準構件及非標構件等模型，提供構件的移動、刪除、編輯、復制、陣列等基本操作，管理構件名稱、構件關聯幾何對象數組等信息。構件的具體建模功能主要通過參數化草圖建模或特征建模功能完成，一般流程可描述為：執行構件建模命令，輸入構件基本信息，進入參數化草圖建模功能繪制構件平面模型，進入特征建模功能，施加材料特征、形狀特征及精度特征，最后交后構件建模功能管理構件模型。

4）參數化草圖建模：建立二維草圖及生成參數化二維圖形，包括二維草圖建模功能和二維參數化建模功能。二維草圖建模功能提供點、直線、圓、橢圓、弧線、多段線、三角形、矩形及多角形等基本草圖元素；二維參數化建模功能提供交互定義幾何約束和尺寸數據、建立幾何約束方程、輸入幾何約束和尺寸數據、求解幾何約束方程組等基本功能。

5）特征建模：在參數化草圖建模功能繪制的二維草圖的基礎上，利用拉伸、掃掠、蒙皮、布爾運算、倒角、打孔、開槽等特征操作建立三維實體模型。

6）材料特征：在特征建模生成的三維實體模型的基礎上，對模型賦加工程材料特性。工程材料特性可以從已定義的工程材料庫中獲取，也可以用戶自定義輸入產生新的材料。

7）形狀特征：記錄用戶建立三維實體模型過程中所采用的一系列特征操作，同時記錄三維實體模型及有關特征操作的幾何信息及拓撲關系信息等。形狀特征的幾何/拓撲信息可以直接從已定義的形狀庫中獲取，也可以用戶自定義特征操作產生新的形狀。

8）精度特征：在特征建模生成的三維實體模型的基礎上，對模型賦加工程精度特性，包括尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度等。工程精度特性可以從已定義的工程精度庫中獲取，也可以用戶自定義輸入產生新的工程精度。

9）荷載建模：根據實際工程受力特性的分析，在空間實體模型上建立荷載模型，包括定義荷載類型，定義集中力、定義線性均布力、定義面均布力等。荷載模型可以從已定義的工程荷載庫中獲取，也可以用戶自定義輸入產生新的荷載模型。

10）邊界條件建模：根據實際工程邊界特性的分析，在空間實體模型上建立邊界條件模型，包括幾何約束模型、空間耦合等，提供邊界條件模型的修改、刪除、復制、移動及陣列等基本操作。

11）工況組合建模：根據實際工程工況特性的分析，建立工況組合模型，將指定的工程荷載分配到該工況組合模型中，同時提供工況組合的定義、刪除、修改等基本操作。工況組合模型可以從已定義的工況組合庫中獲取，也可以用戶自定義產生新的工況組合模型。

3 空間結構分析子系統框架

空間結構分析子系統位于組件式CAD/CAE集成框架的系統應用層，提供用戶工程抽象模型建模、有限元計算及有限元結果分析等功能，包括：工程抽象模型建模、模型材料管理、模型荷載管理、模型邊界條件管理、模型工況組合管理、結點建模、單元建模、有限元模型建模、云圖建模、包絡圖建模及生成計算書等。

圖3 空間結構分析子系統框架圖

1）工程抽象模型：獲取工程三維實體模型數據，包括工程數據、構件數據、形狀數據及精度數據等，根據用戶定義的抽象規則集，抽取相關的模型數據，顯示工程制模型，同時提供工程抽象模型信息的管理功能，包括模型編號、模型名稱、分析目的及對應的有限元模型對象等信息。

2）模型材料：根據工程抽象模型，從工程的材料數據庫提取模型有關材料信息，同時提供查詢、修改、刪除等材料信息管理功能。

3）模型荷載：根據工程抽象模型，從工程的荷載數據庫提取模型有關荷載信息，顯示模型荷載，同時提供查詢、修改、刪除等荷載信息管理功能。

4）模型邊界條件：根據工程抽象模型，從工程的邊界條件數據庫提取模型有關邊界條件信息，顯示模型邊界條件，同時提供查詢、修改、刪除等模型邊界條件信息管理功能。

5）模型工況組合：根據工程抽象模型，從工程的工況組合數據庫提取模型有關工況組合信息，同時提供查詢、修改、刪除等模型工況組合的管理功能。

6）CAE計算：調用第三方CAE軟件的有限元求解程序，獲取有限元求解結果，同時管理第三方CAE軟件（如ANSYS、ABAQUS等）的二次開發接口。

7）結點建模：提取有限元求解結果中的結點信息（包括結點編號、結點坐標、結點應力、結點位移等），分析結點信息，顯示結點模型，同時對結點信息提供查詢、統計等基本功能。

8）單元建模：提取有限元求解結果中的單元信息（包括單元編號、單元包含的結點序號、單元應力、單元位移、單元類型等），分析單元信息，顯示單元模型，同時對單元信息提供查詢、統計等基本功能。

9）有限元模型建模：提取有限元求解結果中的結點、單元等有限元模型信息，建立并顯示有限元模型，同時對有限元模型信息提供查詢、統計等基本功能。

10）云圖建模：管理有限元云圖類型（包括位移、內力、彎矩等），提取有限元求解結果中相應的結點及單元信息，建立并顯示云圖模型。

11）包絡圖建模：管理有限元包絡圖類型（包括位移、內力、彎矩等），提取有限元求解結果中相應信息，建立并顯示包絡圖模型。

12）生成計算書：從計算書模板庫提取計算書模板，分析有限元結果信息，提取計算書所需數據，生成計算書，顯示計算書，保存計算書數據，同時提供計算書模板庫的添加、刪除、修改等基本功能。

在空間結構分析子系統中，核心內容是建立有限元分析模型，建立有限元分析模型的流程如圖4所示。

圖4 建立有限元分析模型的流程圖

1）定義抽象模型規則：針對空間結構實體模型，設置模型構件簡化的有限元單元類型。

2）獲取工程三維實體模型數據：訪問CAD/CAE集成數據庫，提取參與有限元計算分析的空間實體模型數據，包括工程數據、構件數據、形狀數據及精度數據等。

3）建立工程抽象模型：根據用戶定義的多層次抽象模型規則，簡化空間實體模型，自動建立多個工程抽象模型，如實體有限元模型、空間桿系有限元模型等。

4）獲取模型材料參數：訪問CAD/CAE集成數據庫，提取用戶輸入的材料數據，包括彈性模量、泊松比及重度等信息。

5）定義網格劃分參數：針對工程三維實體模型中的不同構件，設置網格劃分參數，包括網格劃分密度、劃分類型等信息。

6）設置抽象模型不同部分的材料參數與網格劃分參數：訪問CAD/CAE集成模型庫，建立工程構件、材料參數及網格劃分參數的對應關系，并將相應的材料參數及網格劃分參數賦加到對應的工程構件上。

7）網格劃分：調用CAE軟件的網格劃分接口函數自動劃分所定義的抽象幾何模型。

8）根據工況列表定義工況：遍歷用戶輸入的工況列表，定義多種有限元分析模型求解下的工況組合。

9）施加工況條件下的模型邊界條件：訪問結構CAD/CAE集成模型庫，獲取當前工況條件下的用戶輸入的邊界條件，并自動轉化為有限元分析模型的邊界條件。

10）施加工況條件下的模型荷載：訪問結構CAD/CAE集成模型庫，獲取當前工況條件下的用戶輸入的模型荷載，并自動施加到有限元分析模型上。

11）模型求解：調用第三方CAE軟件的求解器函數對所定義的多層次有限元分析模型進行求解。

12）獲取分析結果：調用第三方CAE軟件的后處理函數，獲取有限元分析結果，并自動存儲于CAD/CAE集成模型庫中。

4 工程應用

將所設計與開發的計算機輔助結構設計與分析系統應用于港口碼頭的結構設計及有限元分析，并取得了較好的效果。

港口碼頭的構件主要有面板、樁、橫梁、縱梁、軌道梁、邊梁、樁帽等；主要作用包括碼頭堆載、軌道輪壓、流動機械荷載、船舶系纜力、船舶擠靠力、波浪力、地震力等；參與計算的工況組合包括最大樁力工況組合類、面板最大彎矩工況組合類、橫梁最大彎矩工況組合類、軌道梁最大彎矩工況組合類、用戶自定義工況組合類等。

在計算機輔助結構設計與分析系統建立港口碼頭的實體模型，模型如圖5所示。該模型與實際工程基本相符，但由于系統未完善等原因，該模型未包括預埋管、挖孔等非標構件的建模。

圖5 港口碼頭實體模型圖

將港口碼頭的三維實體模型應用于空間結構分析子系統，由該子系統負責產生空間實體有限元模型、空間桿系有限元模型等多層次有限元分析模型，調用第三方CAE軟件(ANSYS)進行有限元分析計算，存儲有限元分析結果，并調用可視化交互組件顯示有限元分析結果。圖6為用戶自定義工況組合類中港口碼頭空間實體有限元模型的X向位移云圖。

5 結 論

本文研究并設計了一種基于統一模型庫的組件式計算機輔助結構設計與分析的集成框架，細分為空間結構設計子系統和空間結構分析子系統，主要提供空間實體建模、工程模型管理、多種有限元模型分析與計算功能，通過統一模型庫的數據共享方式可解決CAD/CAE模型的集成問題。

計算機輔助結構設計與分析的集成框架應用還需要進一步深入，增加如特殊構件的建模、除ANSYS和ABAQUS外其他CAE軟件的支持、空間三維參數化建模等功能。

圖6 港口碼頭空間實體有限元模型的X向位移云圖

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