1　CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)及意義

考察面向CAE分析的CAD模型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)和過(guò)程, 可以看出, 模型轉(zhuǎn)換在產(chǎn)品全數(shù)字化開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有以下特點(diǎn):

(1)避免了重復(fù)建模。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)所獲得的產(chǎn)品CAD模型, 直接在此基礎(chǔ)上略做適于有限元分析的模型修正就可進(jìn)行CAE分析, 尤其對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品零件, 可節(jié)省大量建模時(shí)間(不希望重新建模,且一般CAE軟件的建模方法和功能不及CAD軟件)。

(2)保證了CAE分析的可靠性。CAD模型中通常含有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和制造信息等, 這些信息不一定與CAE分析有關(guān), 為保證CAE過(guò)程中的分析精度及計(jì)算效率, 模型轉(zhuǎn)換中對(duì)于這些信息的處理也是必要的。

(3)滿(mǎn)足CAD/CAE/CAM集成的需要。如圖1,CAD的作用是形成數(shù)字化產(chǎn)品;CAE是對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析或仿真,其目的是在產(chǎn)品樣機(jī)實(shí)現(xiàn)以前, 對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面預(yù)測(cè)和優(yōu)化, 以減少物理樣機(jī)的制作和試驗(yàn)次數(shù), 并提高產(chǎn)品性能;CAM則是對(duì)產(chǎn)品制造進(jìn)行設(shè)計(jì), 形成產(chǎn)品加工的工藝過(guò)程和數(shù)控代碼, 并利用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行制造。CAD、CAE、CAM 3種方法和手段的集成, 能夠大大提高產(chǎn)品的研發(fā)速度和質(zhì)量。

2　CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換中的處理手段

考慮到有限元分析中有模型計(jì)算的特點(diǎn), 在CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的過(guò)程中, 主要需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作。

2.1　CAD三維實(shí)體模型的簡(jiǎn)化

盡管目前大型有限元分析軟件都提供了與CAD軟件的接口, 但在多數(shù)情況下, CAD的模型往往不適合直接用于有限元分析, 需要對(duì)CAD三維實(shí)體降維、對(duì)稱(chēng)化以進(jìn)行模型簡(jiǎn)化及修改。

2.1.1　模型的降維

降維就是要用具有高維實(shí)體屬性的低維實(shí)體表示高維實(shí)體。降維處理的目的是在滿(mǎn)足分析要求的情況下, 減少求解方程的個(gè)數(shù), 縮短計(jì)算時(shí)間。其中, 可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板, 如在機(jī)床床身靜剛度分析中, 通過(guò)用具有一定厚度的二維單元(shell單元)來(lái)模擬床身壁和床身結(jié)構(gòu)中的筋板。也可用具有截面性質(zhì)的直線(xiàn)表示一塊狹長(zhǎng)的區(qū)域。在對(duì)圖2所示的軸類(lèi)零件的撓度進(jìn)行分析時(shí), 可用桿梁?jiǎn)卧獊?lái)代替具有復(fù)雜幾何特征的模型進(jìn)行降維。

降維處理主要涉及到以下幾個(gè)方面:降維特征的表示;特征降維的分析判斷;降維特征與原型特征的映射關(guān)系;特征降維的非流形性等。

2.1.2　對(duì)稱(chēng)模型的簡(jiǎn)化

在建立有限元分析模型時(shí), 對(duì)于具有幾何對(duì)稱(chēng)性的物體, 可以取其一部分進(jìn)行分析, 得到的分析結(jié)果可以推廣到整個(gè)實(shí)物模型。如圖3 所示的錨具錨固性能分析。CAD模型中的特征為判別幾何對(duì)稱(chēng)性提供了有利條件, 可以直接從模型特征的高層語(yǔ)義信息對(duì)幾何形狀進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性識(shí)別。例如對(duì)于光軸這個(gè)概念, 從其特征定義可以知道它是幾何軸對(duì)稱(chēng)的, 而不需要通過(guò)檢查低層的幾何元素是否對(duì)稱(chēng)來(lái)判斷整體的對(duì)稱(chēng)性。對(duì)于不能從高層語(yǔ)義信息進(jìn)行幾何對(duì)稱(chēng)性判斷的情況, 再?gòu)哪Ｐ吞卣鞯牡蛯哟螏缀涡畔?包括點(diǎn)、線(xiàn)、面以及特征的生成方式)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性判斷。

2.2　為減少解題規(guī)模所做的簡(jiǎn)化

有限元分析的計(jì)算精確度取決于計(jì)算模型中所選用單元的質(zhì)量、求解控制方程數(shù)值方法的精確度以及離散化的方式, 具有需要輸入大量不同屬性的數(shù)據(jù)、解空間大, 需要對(duì)解進(jìn)行逐步精化和求解, 以及對(duì)計(jì)算結(jié)果解釋評(píng)價(jià)的特點(diǎn)。這些都決定了CAE分析本身就是計(jì)算量大, 求解復(fù)雜的過(guò)程, 如能在模型轉(zhuǎn)換中充分考慮到為減少解題規(guī)模而采取簡(jiǎn)化, 將會(huì)大大提高求解速度和求解質(zhì)量。

2.2.1　對(duì)稱(chēng)性和反對(duì)稱(chēng)性的運(yùn)用

與對(duì)稱(chēng)模型的幾何性簡(jiǎn)化相比, 這種簡(jiǎn)化更多考慮的是約束上的對(duì)稱(chēng)性及反對(duì)稱(chēng)性, 如圖4所示。

2.2.2　周期性條件的運(yùn)用

工程中的許多構(gòu)件特征具有周期性出現(xiàn)的特點(diǎn),可根據(jù)具體分析的需要進(jìn)行求解上的簡(jiǎn)化。例如在圖5所示的葉輪分析中, 可只取一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行分析。

2.3　除掉與分析無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)特征

刪除細(xì)節(jié)特征就是將對(duì)應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征刪除。在有限元分析中, 刪除影響較小的細(xì)節(jié)可以減少計(jì)算量和求解時(shí)間等, 而不會(huì)影響到分析結(jié)果的精度。如模型中圓倒角特征的刪除。在特征造型中, 可以刪除的細(xì)節(jié)都是以特征的形式表達(dá), 這就為判斷可以刪除的細(xì)節(jié)帶來(lái)方便。由于特征包括幾何信息和非幾何信息兩個(gè)方面, 所以細(xì)節(jié)特征的刪除也涉及到幾何和非幾何兩個(gè)方面。非幾何細(xì)節(jié)因?yàn)椴皇悄Ｐ偷膸缀味x部分, 只要取消其與幾何的聯(lián)系就可將它們刪除。對(duì)于幾何細(xì)節(jié)的刪除, 首先從高層的語(yǔ)義信息進(jìn)行判斷, 譬如圓角特征, 系統(tǒng)得到這個(gè)信息, 可以不再進(jìn)行幾何分析, 直接將圓角特征從模型中刪除;然后從低層的幾何信息進(jìn)行判斷, 通過(guò)幾何計(jì)算或與經(jīng)驗(yàn)相匹配等方法, 識(shí)別出該幾何細(xì)節(jié)可以忽略掉, 于是從模型中將之刪除。

3　CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)流程

首先使用用特征造型在CAD系統(tǒng)中建立分析對(duì)象的幾何模型。然后采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分參數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 再將所獲得的網(wǎng)格數(shù)據(jù)(節(jié)點(diǎn)和單元)通過(guò)有限元模型接口轉(zhuǎn)換程序輸出到CAE系統(tǒng)中, 最后在CAE系統(tǒng)中重構(gòu)該有限元模型。通過(guò)編制模型轉(zhuǎn)換接口程序(網(wǎng)格劃分并獲得單元和節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)), 可實(shí)現(xiàn)有限元模型從CAD系統(tǒng)到CAE系統(tǒng)“零失真” 的轉(zhuǎn)換。

圖6(a)中將CAD中幾何模型導(dǎo)入到CAE系統(tǒng)中, 存在數(shù)據(jù)信息的丟失和冗余, 如:只有線(xiàn)框模型, 有的只有面模型, 需要重新構(gòu)造面和實(shí)體。面與面之間可能產(chǎn)生縫隙, 需要對(duì)模型進(jìn)行復(fù)雜的修補(bǔ),非常耗費(fèi)精力。圖6(b)中, 采用有限元模型轉(zhuǎn)換代替幾何模型轉(zhuǎn)換。采用這種方法, 模型轉(zhuǎn)換前后不存在任何信息的丟失, 可以達(dá)到100%的模型拷貝, 做到真正意義上的“零失真” 轉(zhuǎn)換。

4　模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制

為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與分析的集成, 需要建立支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制。所謂支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制就是指在CAD模型向CAE模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程中和CAE結(jié)果向CAD模型的反饋過(guò)程中起控制和影響作用的方法和因素。建立支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制需要應(yīng)用以下4個(gè)方面的技術(shù):

(1)面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)前廣泛采用的一種描述客觀(guān)實(shí)體的先進(jìn)建模技術(shù), 它通過(guò)類(lèi)(class)、對(duì)象(object)、繼承性（inheritance)、封裝性(encapsulation)、多態(tài)性(polymorphism)、消息(message)傳遞機(jī)制等手段很好地建立起了對(duì)客觀(guān)實(shí)體的描述模型。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)特征造型與有限元分析的集成, 不但能有效地利用多種手段描述集成過(guò)程和管理集成過(guò)程, 同時(shí)在現(xiàn)有的軟件技術(shù)上也便于程序?qū)崿F(xiàn)。在文獻(xiàn)中已采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)有限元分析的重構(gòu)。而現(xiàn)有的CAD造型系統(tǒng)正逐步使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)組織系統(tǒng)、管理系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。因此, 面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換雙向相關(guān)機(jī)制建立的有利手段。

(2)支持CAD模型和CAE模型的統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)庫(kù)

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)逐步求精的過(guò)程, 所以“設(shè)計(jì)—分析—再設(shè)計(jì)—再分析” 是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。在這個(gè)反復(fù)過(guò)程中, 設(shè)計(jì)的修改就必須牽動(dòng)分析模型的修改, 分析模型的修改也應(yīng)該牽動(dòng)設(shè)計(jì)的修改, 設(shè)計(jì)和分析之間數(shù)據(jù)的傳輸和變動(dòng)十分巨大, 由此將CAD模型數(shù)據(jù)和CAE模型數(shù)據(jù)放置在一個(gè)統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫(kù)中十分重要, 一是可以減少數(shù)據(jù)的冗余量和因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而帶來(lái)的誤差, 二是對(duì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作可以減輕程序的開(kāi)發(fā)工作量(包括系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和二次開(kāi)發(fā)), 提高程序運(yùn)行的效率。

(3)CAD模型和CAE模型映射機(jī)制的建立

為了提高設(shè)計(jì)與分析的自動(dòng)化, 減輕工作人員的手工勞動(dòng)量, 必須建立CAD模型向CAE模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能以及分析結(jié)果向設(shè)計(jì)的自動(dòng)反饋功能。在CAD模型向CAE模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,應(yīng)該建立以下幾項(xiàng)功能:基于特征的有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能, 基于特征的分析模型簡(jiǎn)化功能, 基于特征的載荷與邊界條件處理功能, 基于特征的問(wèn)題自定義功能。在分析結(jié)果向設(shè)計(jì)的自動(dòng)反饋過(guò)程中, 不但要具備圖形顯示分析過(guò)程的功能, 還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上建立自動(dòng)評(píng)價(jià)體系, 并將評(píng)價(jià)的結(jié)果輸入到設(shè)計(jì)模塊中。設(shè)計(jì)與分析映射是建立模型轉(zhuǎn)換響應(yīng)機(jī)制的核心。

(4)基于人工智能的推理技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)上述的映射機(jī)制過(guò)程中, 人工智能技術(shù)十分重要, 沒(méi)有人工智能技術(shù)的支持不可能建立起一個(gè)滿(mǎn)意的自動(dòng)化映射機(jī)制, 人工智能技術(shù)在映射過(guò)程中起到控制、評(píng)價(jià)和決策的作用。人工智能技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)、知識(shí)推理技術(shù)、模糊推理技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù), 只有充分運(yùn)用這些先進(jìn)的控制、決策、評(píng)價(jià)技術(shù), 模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制才能靈活地運(yùn)作起來(lái), 否則就會(huì)陷于呆板和遲滯。