基于CATIA和ANSYSW orkbench的水工結構CAD／CAE一體化系統

任浩楠，王曉東

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

在設計過程中CAE的目的是通過計算優化改進結構，使結構在保證工程安全和使用功能的同時最大限度的滿足經濟性要求；而CAD在設計前期為CAE提供模型數據輸入，同時在后期作為設計方案的最終呈現工具。由于CAE平臺普遍前處理功能較弱，建模過程繁瑣困難，而CAD平臺通常不具備計算模塊或只能進行簡單的計算分析，在優化設計過程中，兩者是功能互補，雙向制約的。

在水電工程設計過程中，CAD和CAE兩者通常相互獨立運行，常見的優化設計工作方式是由設計人員在CAD平臺中建立結構模型后，由計算分析人員通過CAE軟件的數據結構將模型導入，并劃分網格、施加邊界、荷載進行初步試算。若計算結果反映結構應力安全不滿足要求，或是安全裕度過大經濟效益欠缺，需要重新由設計人員返回CAD平臺對模型進行修改，再將新模型交與計算分析人員重復計算過程。這樣數據在CAD／CAE系統間只能單項傳遞的工作方式不僅效率低下，同時也不利于優化分析品質的提高。

隨著三維設計技術（CAD）和數字仿真分析技術（CAE）快速發展，更加易用、高效、自動化、人性化的CAD／CAE設計分析一體化系統是未來水電工程結構優化分析必要需求的必然發展趨勢。在這系統中，數據可以在CAD系統與CAE系統之間雙向傳遞，且可以互相關聯驅動，它可以無縫連接設計和分析過程，對數值模擬的數據和流程進行統一管理，實現設計-分析-優化設計-再分析的快速循環，為水工結構快速反饋優化提供運行平臺。

目前水電行業的CAD／CAE一體化系統研究工作多集中在通過二次開發接口程序或針對CAD軟件自編CAE分析模塊實現數據的雙向傳遞。這類一體化系統通常應用范圍具有局限性，操作過程、交互界面自動化、人性化程度也與大型商業軟件有差距。

1 CAD／CAE一體化系統平臺選擇

在水電工程設計中，CATIA依靠其強大的建模功能和便捷的協同數據管理模式被許多設計院作為開展三維設計的主要CAD軟件，同時CATIA本身也可以進行簡單的有限元計算，不過對于復雜結構和計算工況，較弱的計算功能常常不能滿足計算要求。

而ANSYSWorkbench依靠友好的人機交互界面和完善的多物理場計算能力使其在數值分析工程領域得以廣泛應用，然而其本身的建模功能雖然較傳統的ANSYSAPDL有所加強，相比專業的三維設計軟件在建模效率上仍有很大差距。

本文選取 CATIA作為 CAD系統，ANSYS Workbench作為CAE系統，探索數據在兩者之間雙向傳遞并互相驅動的方法，以形成一套設計分析無縫銜接，可以用于水電工程結構快速優化設計的一體化系統。

2 CAD／CAE一體化系統實現方法

CAD／CAE一體化系統技術關鍵在于兩者之間實現數據通信的雙向傳遞并互相驅動。現階段的兩者間主要數據傳遞方法有：

（1）通過CAD系統將三維模型轉化為標準數據格式（IGS、STEP等）傳遞到CAE中，這種傳遞方法在大多數CAE系統中能完成幾何信息的傳遞，對于曲面較多的模型可能出現模型失真［1］，同時這種數據傳輸是單向的，不能攜帶模型的參數化信息，無法實現設計分析平臺的無縫銜接；

（2）通過直接傳遞有限元網格模型至CAE系統中實現模型的無損傳輸［2］，這種傳輸方式對于分析結果的精確性依賴于CAD軟件的網格劃分能力；

（3）通過CAE軟件內置雙向參數鏈接功能實現模型和參數的雙向數據驅動，如Workbench給UG、Pro／E、Solidworks等主流三維設計軟件提供了雙向參數鏈接互動的功能，可以在CAD中建好模型攜帶參數信息將三維模型導入Workbench中，并通過修改參數同步修改模型和計算結果。然而Workbench并沒有為CATIA提供此項傳輸通道，CATIA建立的CATPart文件只能通過Workbench的模型導入接口單向讀入，無法實現數據雙向驅動。

為解決CATIA與Workbench之間的數據雙向傳遞問題，麻省理工學院（MIT）的獨立軟件公司CADNexus基于消息機制及組件技術研發出CAPRI CAE Gateway接口軟件（簡稱CAPRI），將CAD模型數據轉換成Facet數據后生成模型并攜帶建模參數傳送至Workbench系統，可以實現CAD／CAE系統的雙向訪問，并通過參數同步自動更新模型和計算結果。

經過調試，在水電工程結構優化設計過程中，可以在CATIA與Workbench間通過CAPRI實現基于參數的模型數據雙向傳輸，從而實現CAD／CAE系統一體化的目的。

3 優化設計步驟

在CATIA與Workbench組成的CAD／CAE一體化系統中開展快速優化設計的步驟通常為：

（1）在CATIA中建立結構實體模型，將需要進行優化的結構尺寸參數化，并在參數名稱前加入“DS_”以便被程序識別；

（2）安裝CAPRICAE Gateway接口軟件；

（3）在Workbench的Geometry下導入模型，并在Details View中將Parameter欄中導入的參數前的方框選中以導入參數；

（4）成功導入模型和參數后進行第一次試算，并通過后處理判斷結構的合理性；

（5）如需修改結構尺寸，直接在Workbench中修改參數，并通過Update Project命令優化模型和更新計算結果；

（6）重復上一步直到計算結果滿足要求。

4 應用實例

某水電工程帷幕灌漿平洞需要進行結構優化設計。襯砌凈尺寸3m×3.5m（寬×高），一側設置20cm×20cm的單側排水溝。經過滲流場計算確定水庫運行期灌漿平洞外側承受20m水頭的外水壓力，計算過程不考慮山巖彈性抗力，直接在CATIA中建立平洞模型，并對襯砌厚度和底板厚度進行參數化設置，以便在 Workbench中直接進行優化。CATIA中模型如圖1所示，平洞初始襯砌厚度和底板厚度均為30cm。

圖1 灌漿平洞CATIA模型

在Workbench中建立 Static Structural分析模塊，導入CATIA模型和參數，模型劃分網格并施加邊界荷載后進行首次試算，結構大主應力計算結果云圖如圖2所示。

計算結果表明在平洞排水溝側局部出現11.98MPa拉應力，應力水平過高，考慮將襯砌厚度由30cm加厚至50cm。

圖2 首次試算大主應力云圖（襯砌厚30cm）

結構調整過程直接在Workbench中完成，將預設襯砌及底板厚度參數由30改為50，如圖3所示，并點擊Update Project即可一鍵更新模型和計算結果，如圖4所示。

圖3 直接在W orkbench中更改參數

圖4 結構更新后大主應力云圖（襯砌50cm）

從更新結果可以看出，襯砌50cm厚的平洞結構最大拉應力降低至3.85MPa，可以通過配筋滿足結構要求。

5 結語

通過CAPRI接口可以在CATIA和Workbench之間實現參數的雙向傳遞，并可通過修改參數直接驅動三維模型和計算結果的更新，整個結構優化過程在Workbench中即可完成，實現了設計系統和分析系統的無縫鏈接。

在水電工程中，由 CATIA和 ANSYS Workbench組成的CAD／CAE一體化系統可以應用于基于彈性本構的結構優化設計工作，如混凝土結構、鋼結構等，并在過程中實現自動更新模型、網格、計算邊界以及所有預設工況的計算結果，相比傳統工作方式可以明顯簡化工作流程，提高設計優化工作效率。

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