CAE軟件與CAD集成協(xié)作在水利工程有限元分析中的應(yīng)用

孫小冉

CAE軟件與CAD集成協(xié)作在水利工程有限元分析中的應(yīng)用

孫小冉

在大力推行計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）軟件的今天，有限元計(jì)算分析已經(jīng)成功解決了很多領(lǐng)域的大型工程計(jì)算難題，取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，水利工程無(wú)論在理論方法和結(jié)構(gòu)施工方面都有很大突破，新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)的大力研發(fā)和應(yīng)用，使得水利工程結(jié)構(gòu)更趨于大型化。但由于水利工程結(jié)構(gòu)龐大，工況多變，計(jì)算模型復(fù)雜，再加上水利工程一般工作環(huán)境惡劣，荷載多變多元、非線性，單一軟件計(jì)算繁雜且易出錯(cuò)，常用的有限元軟件大多是分析軟件，在前處理方面是弱項(xiàng)，耗時(shí)長(zhǎng)且效果不佳，本文嘗試將CAE軟件（Hypermesh、MSC.Marc） 和 AutoCAD集成協(xié)作，充分挖掘并發(fā)揮多軟件各自優(yōu)勢(shì)，使整個(gè)水利工程有限元分析過程清晰高效、便于操作和修改，以期能為水利工程的有限元分析提供更為有效的解決途徑。

一、有限元分析的基本原理及各軟件特點(diǎn)

有限元法的分析過程通?？梢苑譃榍疤幚?、分析求解和后處理三部分。

前處理是用圖形軟件工具對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)幾何模型的集合空間進(jìn)行離散劃分網(wǎng)格、給出具體邊界條件，最終輸出有限元分析求解所需的圖形和數(shù)據(jù)。分析求解是有限元理論方法、計(jì)算方法和軟件分析方法的結(jié)晶，通過輸入由前處理提供的圖形和數(shù)據(jù)，根據(jù)分析任務(wù)，完成相應(yīng)的有限元求解，并輸出求得的數(shù)據(jù)。后處理是處理分析求解的結(jié)果，識(shí)別求解器生成的格式化及非格式化成果文件，將結(jié)果根據(jù)需要輸出成各種常見的圖形或動(dòng)畫文件，如分布圖、等值面（線）、應(yīng)力梯度矢量等。有限元分析的基本原理見流程圖1。

有限元分析方法經(jīng)過近50年的研究與應(yīng)用，理論基礎(chǔ)已相當(dāng)完善，并開發(fā)了一批通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊浖Ｈ缑绹?guó)的 Marc、Hypermesh、ABQUS、ADINA、ANSYS，德國(guó)的 ASKA，英國(guó)的PAFEC，法國(guó)的SYSTUS等，這些軟件具有線性和非線性、靜力及動(dòng)力分析、單一和耦合場(chǎng)的求解能力，以及強(qiáng)大豐富的后處理功能，內(nèi)嵌多種形式的模型單元庫(kù)和材料庫(kù)，且其程序面向用戶開放，可根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā)解決水利工程實(shí)際問題。本文引入的MSC.Marc軟件是國(guó)際上第一個(gè)通用非線性商用有限元軟件，具有高效可靠的處理高度非線性問題能力和基于求解器的極大開放性，被廣泛應(yīng)用于水利工程的過程和性能仿真方面，但是主要用于分析求解，在建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體建模型方面較為薄弱。Hypermesh是美國(guó)Altair公司的一款據(jù)具有強(qiáng)大有限元網(wǎng)格劃分前處理功能的CAE應(yīng)用軟件包，對(duì)由通用計(jì)算機(jī)輔助繪圖與設(shè)計(jì)軟件包AutoCAD提供的工程幾何模型進(jìn)行高效的網(wǎng)格劃分和單元細(xì)節(jié)修整完善。能在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真工作，可大大減少CAE工程師消耗在模型建立網(wǎng)格劃分和修改上的時(shí)間，弱點(diǎn)是單獨(dú)使用功能不突出，與其他軟件集成效果更好。工作基本原理如圖2所示。

二、CAE與有關(guān)技術(shù)的接口實(shí)現(xiàn)

多軟件集成協(xié)作的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)CAE與CAD的接口和CAE軟件之間的接口連接。Hypermesh和MSC.Marc軟件外部接口的豐富性、模型數(shù)據(jù)文件寫出和結(jié)果文件讀取的正確性是確保三種軟件綜合應(yīng)用的前提。

Hypermesh與CAD之間一般通過數(shù)據(jù)傳遞的方式，兩種軟件的程序“交流”后生成與Hypermesh程序兼容的數(shù)據(jù)格式，對(duì)于CAD中建立的幾何模型通過軟件中的“defeature”功能自適應(yīng)剔除不必要的細(xì)節(jié)特征，并“抹平”凹坑，完成模型的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)CAD模型向適合有限元分析的模型的轉(zhuǎn)換。Hypermesh和MSC.Marc軟件之間通過寫出、讀入文本格式的數(shù)據(jù)文件通過參數(shù)和載荷信息的設(shè)置來(lái)傳遞有限元模型的節(jié)點(diǎn)、單元信息等信息。三者之間的集成結(jié)構(gòu)如圖3。

圖1 有限元分析基本原理圖

圖2 Hypermesh進(jìn)行前處理流程圖

三、多軟件集成協(xié)作有限元分析的步驟

Step1：根據(jù)水利工程分析任務(wù)，用AutoCAD建立模型，輸出的模型數(shù)據(jù)文件必須為.*.dxf#格式，以實(shí)現(xiàn)Hypermesh軟件的正確讀取。

圖3 多軟件集成協(xié)作有限元分析流程圖

Step2：打開Hypermesh軟件，點(diǎn)擊File>Import>Geom，選擇.*.dxf#格式導(dǎo)入CAD文件，讀取時(shí)依據(jù)實(shí)際需要調(diào)整模型比例因子和設(shè)置幾何單元清理修整時(shí)的容差。然后生成控制幾何點(diǎn)線剖分平面單元并自動(dòng)生成三維單元。利用“defeature”等功能進(jìn)行模型清理修整，剔除不必要的細(xì)節(jié)特征等。最后認(rèn)真檢查模型及邊界條件添加無(wú)誤后，將寫出的模型文件存儲(chǔ)為.*.dat#格式，以實(shí)現(xiàn)MSC.Marc軟件的正確讀取。

Step3：在 Marc靜態(tài)菜單的.Files#中，將.*.dat#文件.read#進(jìn)來(lái)即可，讀取后即可在MSC.Marc中進(jìn)行邊界條件定義、材料特性選擇、求解及后處理。在MSC.Marc求解的過程中，可以利用共享文件夾、修改注冊(cè)系統(tǒng)注冊(cè)表和設(shè)定服務(wù)器的方法，實(shí)現(xiàn)MSC.Marc軟件的多臺(tái)計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算，從而更加高效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)有限元模型的仿真分析。

根據(jù)上述步驟，通過各軟件間的接口連接和程序的二次開發(fā)，就實(shí)現(xiàn)了從CAD建立平面的模型，到導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分的前處理，最后在MSC.Marc中進(jìn)行有限元模型計(jì)算和后處理的全過程。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)有限元分析原理和各軟件特點(diǎn)的介紹，探討了Hypermesh、MSC.Marc和AutoCAD軟件集成協(xié)作的可能性，并研究了具體的多軟件集成的有限元分析過程。為解決大型水利工程復(fù)雜多變的有限元仿真分析，提供了高效可行的科學(xué)依據(jù)■

（作者單位：安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院 233000）