面向CAE分析的CAD模型转换研究

1　CAD/CAE模型转换的特点及意义

考察面向CAE分析的CAD模型转换的特点和过程, 可以看出, 模型转换在产品全数字化开发过程中具有以下特点:

(1)避免了重复建模。对于设计时所获得的产品CAD模型, 直接在此基础上略做适于有限元分析的模型修正就可进行CAE分析, 尤其对结构复杂的产品零件, 可节省大量建模时间(不希望重新建模,且一般CAE软件的建模方法和功能不及CAD软件)。

(2)保证了CAE分析的可靠性。CAD模型中通常含有的产品结构、功能和制造信息等, 这些信息不一定与CAE分析有关, 为保证CAE过程中的分析精度及计算效率, 模型转换中对于这些信息的处理也是必要的。

(3)满足CAD/CAE/CAM集成的需要。如图1,CAD的作用是形成数字化产品;CAE是对数字化产品的性能进行分析或仿真,其目的是在产品样机实现以前, 对设计产品的性能进行全面预测和优化, 以减少物理样机的制作和试验次数, 并提高产品性能;CAM则是对产品制造进行设计, 形成产品加工的工艺过程和数控代码, 并利用数控设备进行制造。CAD、CAE、CAM 3种方法和手段的集成, 能够大大提高产品的研发速度和质量。

2　CAD/CAE模型转换中的处理手段

考虑到有限元分析中有模型计算的特点, 在CAD/CAE模型转换的过程中, 主要需要进行以下几个方面的工作。

2.1　CAD三维实体模型的简化

尽管目前大型有限元分析软件都提供了与CAD软件的接口, 但在多数情况下, CAD的模型往往不适合直接用于有限元分析, 需要对CAD三维实体降维、对称化以进行模型简化及修改。

2.1.1　模型的降维

降维就是要用具有高维实体属性的低维实体表示高维实体。降维处理的目的是在满足分析要求的情况下, 减少求解方程的个数, 缩短计算时间。其中, 可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板, 如在机床床身静刚度分析中, 通过用具有一定厚度的二维单元(shell单元)来模拟床身壁和床身结构中的筋板。也可用具有截面性质的直线表示一块狭长的区域。在对图2所示的轴类零件的挠度进行分析时, 可用杆梁单元来代替具有复杂几何特征的模型进行降维。

降维处理主要涉及到以下几个方面:降维特征的表示;特征降维的分析判断;降维特征与原型特征的映射关系;特征降维的非流形性等。

2.1.2　对称模型的简化

在建立有限元分析模型时, 对于具有几何对称性的物体, 可以取其一部分进行分析, 得到的分析结果可以推广到整个实物模型。如图3 所示的锚具锚固性能分析。CAD模型中的特征为判别几何对称性提供了有利条件, 可以直接从模型特征的高层语义信息对几何形状进行对称性识别。例如对于光轴这个概念, 从其特征定义可以知道它是几何轴对称的, 而不需要通过检查低层的几何元素是否对称来判断整体的对称性。对于不能从高层语义信息进行几何对称性判断的情况, 再从模型特征的低层次几何信息(包括点、线、面以及特征的生成方式)进行对称性判断。

2.2　为减少解题规模所做的简化

有限元分析的计算精确度取决于计算模型中所选用单元的质量、求解控制方程数值方法的精确度以及离散化的方式, 具有需要输入大量不同属性的数据、解空间大, 需要对解进行逐步精化和求解, 以及对计算结果解释评价的特点。这些都决定了CAE分析本身就是计算量大, 求解复杂的过程, 如能在模型转换中充分考虑到为减少解题规模而采取简化, 将会大大提高求解速度和求解质量。

2.2.1　对称性和反对称性的运用

与对称模型的几何性简化相比, 这种简化更多考虑的是约束上的对称性及反对称性, 如图4所示。

2.2.2　周期性条件的运用

工程中的许多构件特征具有周期性出现的特点,可根据具体分析的需要进行求解上的简化。例如在图5所示的叶轮分析中, 可只取一个扇区进行分析。

2.3　除掉与分析无关的细节特征

删除细节特征就是将对应力分布只产生较小局部影响的特征删除。在有限元分析中, 删除影响较小的细节可以减少计算量和求解时间等, 而不会影响到分析结果的精度。如模型中圆倒角特征的删除。在特征造型中, 可以删除的细节都是以特征的形式表达, 这就为判断可以删除的细节带来方便。由于特征包括几何信息和非几何信息两个方面, 所以细节特征的删除也涉及到几何和非几何两个方面。非几何细节因为不是模型的几何定义部分, 只要取消其与几何的联系就可将它们删除。对于几何细节的删除, 首先从高层的语义信息进行判断, 譬如圆角特征, 系统得到这个信息, 可以不再进行几何分析, 直接将圆角特征从模型中删除;然后从低层的几何信息进行判断, 通过几何计算或与经验相匹配等方法, 识别出该几何细节可以忽略掉, 于是从模型中将之删除。

3　CAD/CAE模型转换的实现流程

首先使用用特征造型在CAD系统中建立分析对象的几何模型。然后采用适当的网格划分参数对该模型进行网格划分, 再将所获得的网格数据(节点和单元)通过有限元模型接口转换程序输出到CAE系统中, 最后在CAE系统中重构该有限元模型。通过编制模型转换接口程序(网格划分并获得单元和节点信息数据), 可实现有限元模型从CAD系统到CAE系统“零失真” 的转换。

图6(a)中将CAD中几何模型导入到CAE系统中, 存在数据信息的丢失和冗余, 如:只有线框模型, 有的只有面模型, 需要重新构造面和实体。面与面之间可能产生缝隙, 需要对模型进行复杂的修补,非常耗费精力。图6(b)中, 采用有限元模型转换代替几何模型转换。采用这种方法, 模型转换前后不存在任何信息的丢失, 可以达到100%的模型拷贝, 做到真正意义上的“零失真” 转换。

4　模型转换的双向相关机制

为了更好地实现设计与分析的集成, 需要建立支持模型转换的双向相关机制。所谓支持模型转换的双向相关机制就是指在CAD模型向CAE模型的转换过程中和CAE结果向CAD模型的反馈过程中起控制和影响作用的方法和因素。建立支持模型转换的双向相关机制需要应用以下4个方面的技术:

(1)面向对象的建模技术

面向对象技术是当前广泛采用的一种描述客观实体的先进建模技术, 它通过类(class)、对象(object)、继承性（inheritance)、封装性(encapsulation)、多态性(polymorphism)、消息(message)传递机制等手段很好地建立起了对客观实体的描述模型。采用面向对象技术实现特征造型与有限元分析的集成, 不但能有效地利用多种手段描述集成过程和管理集成过程, 同时在现有的软件技术上也便于程序实现。在文献中已采用面向对象技术实现有限元分析的重构。而现有的CAD造型系统正逐步使用面向对象技术组织系统、管理系统并进行系统设计和开发。因此, 面向对象建模技术是实现模型转换双向相关机制建立的有利手段。

(2)支持CAD模型和CAE模型的统一工程数据库

产品的设计是一个逐步求精的过程, 所以“设计—分析—再设计—再分析” 是一个反复的过程。在这个反复过程中, 设计的修改就必须牵动分析模型的修改, 分析模型的修改也应该牵动设计的修改, 设计和分析之间数据的传输和变动十分巨大, 由此将CAD模型数据和CAE模型数据放置在一个统一的工程数据库中十分重要, 一是可以减少数据的冗余量和因数据转换而带来的误差, 二是对统一的数据库进行操作可以减轻程序的开发工作量(包括系统开发和二次开发), 提高程序运行的效率。

(3)CAD模型和CAE模型映射机制的建立

为了提高设计与分析的自动化, 减轻工作人员的手工劳动量, 必须建立CAD模型向CAE模型的自动转换功能以及分析结果向设计的自动反馈功能。在CAD模型向CAE模型的自动转换过程中,应该建立以下几项功能:基于特征的有限元网格自动划分功能, 基于特征的分析模型简化功能, 基于特征的载荷与边界条件处理功能, 基于特征的问题自定义功能。在分析结果向设计的自动反馈过程中, 不但要具备图形显示分析过程的功能, 还应该在此基础上建立自动评价体系, 并将评价的结果输入到设计模块中。设计与分析映射是建立模型转换响应机制的核心。

(4)基于人工智能的推理技术

在实现上述的映射机制过程中, 人工智能技术十分重要, 没有人工智能技术的支持不可能建立起一个满意的自动化映射机制, 人工智能技术在映射过程中起到控制、评价和决策的作用。人工智能技术包括神经网络技术、专家系统、知识推理技术、模糊推理技术等一系列先进技术, 只有充分运用这些先进的控制、决策、评价技术, 模型转换的双向相关机制才能灵活地运作起来, 否则就会陷于呆板和迟滞。