基于microsaion的cae數(shù)據(jù)接口與一體化

EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.基于MicroStation的CAE數(shù)據(jù)接口與一體化XX（1.XX；2.XX）摘要：MicroStation是一個可互操作、基于參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的大型三維CAD軟件，能夠快速建立三維實體模型。基于CADCAE一體化的要求，以MicroStation與ANSYS集成為例，提出了一種實現(xiàn)MicroStation與ANSYS之間數(shù)據(jù)接口的方法以及在MicroStation端對分析結(jié)果進行后處理和集成展示的解決方案。關(guān)鍵詞：CADCAE一體化數(shù)據(jù)接口集成展示MicroStationAnefficientSolutionforCAEdatainterfaceandintegrationBasedonMicroStaionLIUZhen-xi1，WANGGuo-guang1，2，JiangHai-feng1，21.POWERCHINAHUADONGENGINEERINGCORPORATION，Hangzhou，3100142.ZhejiangEngineeringDigitalResearchCenter，Hangzhou310014Abstract:MicroStationisaninteroperable,largescale3DCADsoftwarebasedonparameterizeddesigntechnology,abletoquicklybuildthree-dimensionalentitymodel.BasedontherequirementsofCADCAEintegration,proposesamethodofimplementationofdatainterfacebetweenMicroStationandANSYSworkbenchandtheprocessofintegrateddisplaymentofanalysisresultsonMicroStationterminal.KeyWords:CADCAEIntegration;DataInterface;IntegratedDisplay;MicroStation中圖分類號：XX文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0引言目前工程三維設(shè)計在水電水利行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。各種各樣的CAD軟件層出不窮，參數(shù)化設(shè)計已成為CAD軟件發(fā)展的一大方向。與此同時，CAE技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是有限單元法在包括工程巖土計算、三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、靜力平衡、溫度場分析等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，是工程數(shù)值分析方法研究的重大突破性進展。常用的結(jié)構(gòu)計算和有限元分析軟件有ANSYS、Midas、Flac3D、Abqus等。隨著CAD技術(shù)的日趨成熟，設(shè)計人員迫切需要一種對所做設(shè)計進行精確評價和分析的工具，借助CAE軟件來實現(xiàn)工程評價和分析是行之有效的方法。但CAD、CAE是相互獨立發(fā)展起來的，模型兼容性和數(shù)據(jù)互通都存在一定的限制。目前CAD/CAE集成的主流方法是首先利用參數(shù)化等建模技術(shù)在CAD中快速建立三維實體模型，然后通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到CAE系統(tǒng)中進行有限元分析，分析結(jié)果即時反饋給工程設(shè)計人員，指導(dǎo)、修改、優(yōu)化設(shè)計方案。然而在實際操作中由CAD模型導(dǎo)入CAE系統(tǒng)中往往會出現(xiàn)信息丟失的情況，直接用標(biāo)準(zhǔn)中間格式轉(zhuǎn)換模型會存在各種各樣的問題。因此，根據(jù)實際應(yīng)用情況開發(fā)CAD系統(tǒng)與CAE系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)接口是實現(xiàn)CAD/CAE集成分析技術(shù)的關(guān)鍵所在。MicroStation是一個可互操作、基于參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的大型三維CAD軟件，極大地方便了模型的設(shè)計和修改，顯著提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量。在CAD端對CAE分析結(jié)果的后處理和展示是CADCAE一體化集成展示的重點。1MicroStation與ANSYS數(shù)據(jù)接口ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它廣泛應(yīng)用于土木、機械、機電、航空等領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)分析中,它能進行靜力、模態(tài)、動力、幾何與材料非線性分析,可模擬各種連接關(guān)系及邊界條件,并且能對結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計。在應(yīng)用ANSYS進行有限元分析中,有限元建模耗費了工程技術(shù)人員大量的時間與精力。雖然ANSYS帶有自建模功能,但是這個建模功能非常有限,只能處理一些相對簡單的模型。因此,MicroStation與ANSYS二者的結(jié)合使用,充分利用MicroStation快速準(zhǔn)確建模的特長,就可以很好地解決ANSYS建模能力的不足。研究ANSYS與CAD造型軟件的快速方便的接口,能有效提高建模速度,提高模型質(zhì)量,簡化分析工作,對工程技術(shù)人員來說意義十分重大。ANSYS最值得推崇的是其可編程特性,它配有命令組與APDL語言,可便于用戶進行二次開發(fā),從而擁有了與任何高級計算機語言的一個接口，使其與MicroStation之間的數(shù)據(jù)互通成為可能。MicroStation和ANSYS數(shù)據(jù)接口所涉及的功能主要包括幾何模型、材料定義、網(wǎng)格數(shù)據(jù)及計算結(jié)果在兩者之間的轉(zhuǎn)換。模型數(shù)據(jù)接口一個結(jié)構(gòu)分析模型由幾何模型數(shù)據(jù)(幾何拓撲與幾何參數(shù))、材料截面數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)與約束數(shù)據(jù)(邊界條件)構(gòu)成。幾何數(shù)據(jù)與材料截面數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的構(gòu)成及定位定形;荷載數(shù)據(jù)與約束數(shù)據(jù)描述環(huán)境對結(jié)構(gòu)的作用。I、幾何模型交互ANSYS提供了與大多數(shù)CAD軟件進行數(shù)據(jù)共享和交換的圖形接口,ANSYS自帶的圖形接口能識別IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG等標(biāo)準(zhǔn)的文件，通常使用的有IGES和ParaSolid文件。MicroStation同樣提供了很多通用標(biāo)準(zhǔn)的圖形接口，使用這些接口很簡單，只需要在建好模型之后，使用導(dǎo)出命令直接導(dǎo)出即可。對于IGES和ParaSolid文件，MicroStation能夠直接導(dǎo)出。從MicroStation導(dǎo)入幾何模型到ANSYS中有兩個途徑：從本地選擇導(dǎo)入和從ProjectWise選擇導(dǎo)入。本接口使用的圖形格式為ParaSolid（x_t）。圖SEQ圖\*ARABIC1幾何模型交互在導(dǎo)入模型之后，為了進一步適應(yīng)仿真計算的要求，避免求解分析過程耗時長、分析結(jié)果偏差大等問題，需要在ANSYS的DesignModeler模塊中進行幾何模型的簡化、修改等處理。處理完成的模型應(yīng)該符合以下要求：（1）去掉分析影響比較小的幾何特征，比如小孔、碎面等小特征；（2）對復(fù)雜的拓撲形狀進行幾何切塊，目的是在網(wǎng)格劃分時形成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格；（3）檢查各部件的命名，不同材料需要用不同的名稱進行區(qū)分，且部件名稱不能含有空格。II、材料定義材料定義模板包含材料庫定義和部件材料定義兩部分。材料庫提供了水利工程仿真中常用的材料定義的模板，支持線彈性材料、雙線性材料、混凝土材料和巖土材料四種本構(gòu)類型材料的定義，每種材料都具有相應(yīng)的材料參數(shù)可供設(shè)置。定義并加載材料模板之后，需要對模型的各部件指定相應(yīng)的材料類型，即從材料庫中選擇各自對應(yīng)的材料。完成之后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換APDL文件，供下一流程調(diào)用。圖SEQ圖\*ARABIC2材料庫定義1.2分析結(jié)果數(shù)據(jù)接口在完成幾何模型導(dǎo)入、處理及材料定義等流程之后，即開始進行約束邊界定義、載荷定義，并對模型進行網(wǎng)格劃分操作。網(wǎng)格劃分完成之后，執(zhí)行求解分析計算并查看相關(guān)計算結(jié)果。以上所有流程均在ANSYS中完成。圖SEQ圖\*ARABIC3CAE分析流程分析結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括：（1）文本格式的計算網(wǎng)格數(shù)據(jù)，用于支持MicroStation的三維有限元網(wǎng)格展示；（2）文本格式的網(wǎng)格節(jié)點分析結(jié)果數(shù)據(jù)，用于在MiroStation的專題彩色云圖等展示。網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件（.cdb）包括有限元網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)據(jù)、單元拓撲數(shù)據(jù)；分析結(jié)果文件（.xml）包括網(wǎng)格節(jié)點的分析結(jié)果，主要有x/y/z三向的正應(yīng)力、正應(yīng)變及位移、xy/xz/yz三向剪應(yīng)力剪應(yīng)變、1/2/3三個主應(yīng)力和總位移。圖SEQ圖\*ARABIC4分析結(jié)果文件文件生成完畢后，自動調(diào)用打包程序進行打包并上傳至ProjectWise。至此完成MicroStation與ANSYS的接口數(shù)據(jù)互通過程。2MicroStation的CAE集成展示通過MicroStation與CAE軟件的數(shù)據(jù)接口開發(fā)，能夠從CAE軟件中提取分網(wǎng)、計算分析結(jié)果等數(shù)據(jù)，并為在MicroStation中集成顯示CAE分析數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。以MicroStation集成顯示ANSYS分析數(shù)據(jù)為例，解決方案從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)存儲、有限元表達、分析結(jié)果云圖顯示等方面展開。2.1有限元擴展在MicroStation中，有限元對象并沒有特定的元素類型。Mesh元素類型只能夠表達有限元網(wǎng)格面片或二維單元構(gòu)成的有限元對象，但無法表達有限元網(wǎng)格的三維立體單元(四面體、六面體等)。MicroStation的106元素是自定義元素類型，通過它可以擴展定義任何復(fù)雜元素類型?；谠擃愋蛣?chuàng)建的有限元特定類型能夠解決有限元網(wǎng)格表達的問題。圖SEQ圖\*ARABIC5有限元對象類型MicroStation/ANSYS接口最終輸出文件包括網(wǎng)格模型文件(.cdb)和分析結(jié)果文件(.xml)，cdb文件是有限元網(wǎng)格模型文件，文件中有網(wǎng)格的節(jié)點、單元拓撲、單元類型等數(shù)據(jù)信息，xml文件是結(jié)果文件，主要包括分析結(jié)果類型和分析結(jié)果數(shù)據(jù)。MicroStation不能直接導(dǎo)入它們，必須將它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的sqlite數(shù)據(jù)（.edb）。在Sqliteedb文件中建立七張表，分別是節(jié)點數(shù)據(jù)表(NODES)、單元拓撲表(ELEMENTS)、單元類型表(ELETYPE)、網(wǎng)格面片表(FACETS)、表面面片表(EXTERIOR)、結(jié)果類型表(RSTTYPE)和分析結(jié)果表(RESULTS)。通過這些數(shù)據(jù)表，MicroStation能夠結(jié)合106元素?zé)o縫地表達有限元對象并存儲各類數(shù)據(jù)。圖SEQ圖\*ARABIC6sqlite數(shù)據(jù)表MicroStation的有限元對象可以以網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元兩種不同的方式顯示。節(jié)點繪圖以點集的繪制表達網(wǎng)格節(jié)點；單元繪圖通過提取表面面片繪制的方式表達網(wǎng)格單元，對內(nèi)部的單元和面片不繪制，大大提升了有限元圖形顯示效率。圖SEQ圖\*ARABIC7有限元對象顯示2.2分析結(jié)果云圖展示MicroStation有限元分析結(jié)果展示主要是以漸變圖、條狀圖、等值線圖等手段展示模型的CAE分析結(jié)果。MicroStation的專題顯示功能(ThematicDisplay)能對模型的高程、坡度坡向、日照陰影等屬性生成彩色云圖，這些屬性都與模型的幾何特征有關(guān)。然而CAE分析的結(jié)果往往以特征值的方式存儲在網(wǎng)格節(jié)點或面片上，與模型的幾何特征無關(guān)。MicroStation的CAE分析結(jié)果展示技術(shù)是以基本專題顯示為基礎(chǔ)，通過開發(fā)拓展專題顯示的領(lǐng)域，使其支持基于有限元網(wǎng)格節(jié)點特征值的云圖展示。分析結(jié)果展示內(nèi)容主要有x/y/z三向的正應(yīng)力、正應(yīng)變及位移、xy/xz/yz三向剪應(yīng)力剪應(yīng)變、1/2/3三個主應(yīng)力和總位移，顯示樣式包括光滑顯示、精確條帶顯示、等值線顯示、快速云圖顯示、等值線+快速云圖等。下圖展示了岔管模型的CAE分析結(jié)果在MicroStation中的多種方式展示。圖SEQ圖\*ARABIC8MicroStation的CAE分析結(jié)果云圖展示除此之外，基于MicroStation剖切工具擴展的有限元動態(tài)剖切面工具能夠?qū)AE分析結(jié)果動態(tài)剖切查看，通過具體剖切算法還原剖面上的模型內(nèi)部分析結(jié)果。隨著剖切位置的動態(tài)變化，相應(yīng)的網(wǎng)格內(nèi)部信息也會實時計算并顯示。切面可以沿著XY平面、YZ平面、XZ平面三個方向。圖SEQ圖\*ARABIC9動態(tài)剖切面查看內(nèi)部數(shù)據(jù)MicroStation集成展示CAE分析模型能夠使CAD的幾何模型與CAE分析模型在同平臺中一體化展示，下圖案例為某大壩分析模型與地質(zhì)三維模型的一體化展示。圖SEQ圖\*ARABIC10CADCAE一體化集成展示3結(jié)語軟件開發(fā)走系統(tǒng)集成的路線,可取得開發(fā)周期短、效率高、博采眾長的效果。選擇國際上較為成熟的通用軟件,將其本地化、專業(yè)化,并在常用軟件間建立接口,是解決工程軟件發(fā)展需要的一條捷徑。目前MicroStation與ANSYS的接口技術(shù)已趨于成熟，對于ANSYS的分析模型能夠方便地與MicroStation進行數(shù)