有限元與CAD軟件的集成匯報(bào)人課件

有限元與CAD軟件的集成匯報(bào)人：傅權(quán)宏指導(dǎo)老師：謝劍有限元與CAD軟件的集成匯報(bào)人：傅權(quán)宏

CAD/CAE集成模型1

雙向相關(guān)模型2

集成模型在土木領(lǐng)域的應(yīng)用3CAD/CAE集成模型1雙向相關(guān)模型2集成模型在

不同軟件之間的接口

當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。為了滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問(wèn)題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開(kāi)發(fā)了和CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。不同軟件之間的接口Betting等學(xué)者對(duì)CAD,CAE模型的集成方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總結(jié)出了三種模型集成方法。為被集成模型建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)交叉索引與集成模型互訪;在集成模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上派生新類以表達(dá)被集成模型;把被集成模型作為屬性數(shù)據(jù)附加在集成模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上。研究人員指出以附加屬性的方式實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的集成是效率最高的方法。Betting等學(xué)者對(duì)CAD,CAE模型的集

集成模型的研究動(dòng)態(tài)李慶等人研究了基于CAD/CAE集成模型的注射模優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了既包含幾何造型信息又包含有限元屬性參數(shù)的CAD/CAE集成模型，為注射模CAD/CAE集成模型的實(shí)現(xiàn)提供了有力的技術(shù)支持。蔣維等人研究了基于CAD/CAE混合模板庫(kù)的鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)方法，建立了兼容設(shè)計(jì)和優(yōu)化環(huán)節(jié)的鍛壓機(jī)床CAD/CAE混合模板庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)在調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后可以迅速獲得新的模型，并快速得到新模型的分析結(jié)果。虞春等人對(duì)特征造型技術(shù)和有限元分析技術(shù)的集成進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計(jì)特征向有限元分析特征的轉(zhuǎn)換方法。陳永亮等研究了機(jī)械產(chǎn)品快速響應(yīng)設(shè)計(jì)、制造的關(guān)鍵技術(shù)，包括模塊設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)等。趙繼云等將產(chǎn)品動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于快速響應(yīng)變形設(shè)計(jì)中，研究了基于動(dòng)態(tài)模型的智能變型設(shè)計(jì)過(guò)程。集成模型的研究動(dòng)態(tài)CAD/CAE集成模型及系統(tǒng)架構(gòu)李慶等人對(duì)塑料注射模設(shè)計(jì)了CAD/CAE集成模型CAD和CAE系統(tǒng)模型不統(tǒng)一對(duì)注射模設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)優(yōu)化造成了困難，文獻(xiàn)提出了包含幾何造型數(shù)據(jù)和有限元特征屬性數(shù)據(jù)的參數(shù)化注射模CAD/CAE集成模型，對(duì)集成模型的組成、集成模型中的數(shù)據(jù)表示、有限元模型的提取及與集成模型的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于CAD/CAE集成模型的注射模優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)框架、系統(tǒng)組成模塊、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)論述。CAD/CAE集成模型及系統(tǒng)架構(gòu)傳統(tǒng)的注射模設(shè)計(jì)流程傳統(tǒng)的注射模設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)模型的缺陷缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型以幾何造型為主的cAD系統(tǒng)和以有限元分析為主的CAE系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)致注射模設(shè)計(jì)和分析環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，產(chǎn)生了大量的重復(fù)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)自動(dòng)的評(píng)價(jià)機(jī)制在注射模設(shè)計(jì)過(guò)程中，分析結(jié)果的評(píng)價(jià)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，起著“承前啟后”的作用?！俺星啊笔菍?duì)分析結(jié)果進(jìn)行客觀正確的分析和診斷，“啟后”是將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行有針對(duì)性的修改分析報(bào)范性，告、己有的成功實(shí)例和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。缺少先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法注射模具在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)方案可能需要不斷的優(yōu)化，與之相關(guān)的許多數(shù)據(jù)都需要在設(shè)計(jì)和分析環(huán)節(jié)間反復(fù)的傳遞和修改。

傳統(tǒng)模型的缺陷CAD/CAE集成模型CAD/CAE集成模型

如圖所示為集成模型的組織結(jié)構(gòu)，該模型由幾何數(shù)據(jù)和有限元特征屬性數(shù)據(jù)組成。幾何數(shù)據(jù)涵蓋了構(gòu)成產(chǎn)品、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、注射模具等所有與幾何造型相關(guān)的數(shù)據(jù)信息(如:幾何對(duì)象、幾何參數(shù)、拓?fù)潢P(guān)系、裝配關(guān)系等)，這些信息存儲(chǔ)在CAD系統(tǒng)自身的幾何造型數(shù)據(jù)庫(kù)中。有限元特征屬性數(shù)據(jù)包括分析類型、網(wǎng)格尺寸、材料、工藝參數(shù)等所有與有限元建模相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。其中分析類型和網(wǎng)格尺寸數(shù)據(jù)主要用于有限元網(wǎng)格劃分，統(tǒng)稱為網(wǎng)格控制屬性。而材料、工藝參數(shù)、邊界條件等數(shù)據(jù)則反映了有限元分析的工程背景，將這類數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為工程描述屬性。所有這些數(shù)據(jù)信息都作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)附加在幾何模型中相應(yīng)的幾何對(duì)象上，并保存在CAD幾何造型數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)中。如圖所示為集成模型的組織結(jié)構(gòu)，該模型由幾何數(shù)據(jù)采用這種方式實(shí)現(xiàn)模型信息集成的優(yōu)點(diǎn)在于:一方面，有限元特征屬性可以通過(guò)網(wǎng)格控制定義和工程描述定義附加在相應(yīng)的幾何對(duì)象上，在CAD平臺(tái)上開(kāi)發(fā)類似的屬性定義接口非常容易，集成模型的實(shí)現(xiàn)具有較好的可操作性;另一方面，注射模設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)和分析驗(yàn)證的過(guò)程，在進(jìn)行CAE分析時(shí)，利用幾何模型以及附加在幾何對(duì)象上的有限元特征屬性信息，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)格剖分算法和工程描述(如:材料、工藝參數(shù)、邊界條件等)分派方法，就可以自動(dòng)生成有限元模型，既避免了模型轉(zhuǎn)換引起的數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，也有利于實(shí)現(xiàn)有限元模型與幾何模型之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。采用這種方式實(shí)現(xiàn)模型信息集成的優(yōu)點(diǎn)在于:有限元模型的提取有限元模型的提取在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的過(guò)程如圖所示，大體分為兩個(gè)步驟：在集成模型中，提取幾何模型數(shù)據(jù)，根據(jù)附加在幾何模型上的分析類型和網(wǎng)格尺寸等網(wǎng)格控制屬性，采用相應(yīng)的網(wǎng)格剖分算法，生成有限元網(wǎng)格模型。該過(guò)程有時(shí)還需要對(duì)幾何模型進(jìn)行降維和簡(jiǎn)化等操作。將附加在幾何模型上的工程描述屬性，通過(guò)工程描述分派，映射到相應(yīng)的有限元網(wǎng)格單元或節(jié)點(diǎn)上，生成完整的可直接用于分析的有限元模型。在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的過(guò)程如圖CAD與CAE系統(tǒng)間的模型轉(zhuǎn)換機(jī)制研究目前，CAD與CAE之間進(jìn)行圖形交換的格式有IGES,STEP格式等，這些基本的交換格式都是基于幾何模型數(shù)據(jù)文件，存在一些共同的缺點(diǎn)CAD模型導(dǎo)入CAE系統(tǒng)后，原有模型特征全部喪失，參數(shù)化的約束機(jī)制也無(wú)法保留。一些復(fù)雜的CAD模型導(dǎo)入后，常常產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息丟失、模型錯(cuò)位等現(xiàn)象，需要對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)后才能進(jìn)行分析，耗費(fèi)時(shí)間和精力。設(shè)計(jì)更新或修改后，需要重復(fù)進(jìn)行CAE模型的修改和更新，增加了CAE前處理的工作量。CAD與CAE系統(tǒng)間的模型轉(zhuǎn)換機(jī)制研究雙向相關(guān)模型轉(zhuǎn)換機(jī)制研究目前，CAD/CAE集成方面的研究，更多的是考慮設(shè)計(jì)模型到分析模型的集成，有關(guān)CAE優(yōu)化結(jié)果向設(shè)計(jì)模型反饋方法的研究很少，而優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，優(yōu)化結(jié)果的應(yīng)用主要是通過(guò)設(shè)計(jì)師手工操作進(jìn)行，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且精度無(wú)法保證。為了更好地實(shí)現(xiàn)CAD和CAE間的雙向快速響應(yīng)，通過(guò)研究CAD模型向CAE模型的轉(zhuǎn)換和CAE結(jié)果向CAD模型反饋過(guò)程中有重要作用的方法和因素，建立支持設(shè)計(jì)與優(yōu)化雙向相關(guān)的模型轉(zhuǎn)換機(jī)制。雙向相關(guān)模型轉(zhuǎn)換機(jī)制研究雙向相關(guān)模型雙向相關(guān)模型雙向相關(guān)轉(zhuǎn)換機(jī)制主要涉及兩個(gè)方面的技術(shù):CAD模型和CAE模型間的映射機(jī)制前處理機(jī)制主要是實(shí)現(xiàn)CAD模型向CAE模型的轉(zhuǎn)換，前面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，而后處理體系則是指優(yōu)化結(jié)果向設(shè)計(jì)的反饋機(jī)制，不僅要有相應(yīng)優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)體系，還要具備圖形顯示功能，并且能將最終的優(yōu)化結(jié)果傳輸?shù)皆O(shè)計(jì)模塊中。在優(yōu)化結(jié)果中，對(duì)于特征參數(shù)的優(yōu)化和修改，可以直接通過(guò)修改參數(shù)化原模型實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果模型更新，而結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果模型和數(shù)據(jù)則較為復(fù)雜，需要采用專門的映射機(jī)制進(jìn)行模型重構(gòu)。

雙向相關(guān)轉(zhuǎn)換機(jī)制主要涉及兩個(gè)方面的技術(shù):支持CAD和CAE的統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理框架如圖所示，使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，避免了直接進(jìn)行數(shù)據(jù)文件傳輸引起的數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)不兼容等問(wèn)題，設(shè)計(jì)效率將會(huì)得到進(jìn)一步提局。CAD/CAE統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理支持CAD和CAE的統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)庫(kù)CAD/CAE統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理基于CAD與CAE技術(shù)的建筑桁架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)研究建筑桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)具有系統(tǒng)性的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中主要包括桁架幾何空間模型的建立、精架的合理性分析及其優(yōu)化以及最終設(shè)計(jì)方案模型的重構(gòu)。桁架模型設(shè)計(jì)流程基于CAD與CAE技術(shù)的建筑桁架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)研究桁架模型設(shè)計(jì)桁架幾何輪廓構(gòu)想要是完成對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的幾何邊界輪廓的構(gòu)想。幾何形體的建立主要是利用CAD軟件完成對(duì)上述步驟中幾何輪廓形體的建立，在桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，需要依據(jù)桁架的幾何邊界輪廓建立一個(gè)承載桁架節(jié)點(diǎn)和桿件的幾何形體。在這個(gè)步驟中還需將所建立幾何形體模型保存為后續(xù)CAE軟件所能識(shí)別的格式。CAD軟件與CAE軟件的第一次連接比較簡(jiǎn)單，主要是將上一步驟中在形體輪廓文件導(dǎo)入CAE軟件中。幾何形體的有限元分析主要是通過(guò)CAE軟件完成了對(duì)幾何形體的材料定義，網(wǎng)格劃分，荷載添加以及對(duì)幾何形體的應(yīng)力分析，從這個(gè)步驟中我們可以獲得幾何形體中各個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，對(duì)構(gòu)建桁架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置的確立和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間桿件數(shù)目的確立起著至關(guān)重要的位置。在這個(gè)步驟中還需要將幾何形體中各個(gè)特征點(diǎn)的值，按照一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，以便下面分析和優(yōu)化。桁架幾何輪廓構(gòu)想數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化在這個(gè)步驟中，我們將依據(jù)基于幾何形體的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，對(duì)幾何形體有限元分析后所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，這也是桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要部分，在這步中我們將確定桁架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，以及各個(gè)桿件所連接的桿件數(shù)目。在這個(gè)步驟中還將依據(jù)CAD軟件的識(shí)別原理，將分析后的數(shù)據(jù)以一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，這個(gè)步驟可以說(shuō)是CAE軟件與CAD軟件連接的中間橋梁步驟，也是桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化的重要部分。桁架模型重構(gòu)這個(gè)步驟是桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最為重要的一步，在這個(gè)步驟中我們將依據(jù)之前的數(shù)據(jù)完成對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，生成合理的桁架結(jié)構(gòu)