1　CAD/CAE模型轉換的特點及意義

考察面向CAE分析的CAD模型轉換的特點和過程, 可以看出, 模型轉換在產品全數字化開發過程中具有以下特點:

(1)避免了重復建模。對于設計時所獲得的產品CAD模型, 直接在此基礎上略做適于有限元分析的模型修正就可進行CAE分析, 尤其對結構復雜的產品零件, 可節省大量建模時間(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品結構、功能和制造信息等, 這些信息不一定與CAE分析有關, 為保證CAE過程中的分析精度及計算效率, 模型轉換中對于這些信息的處理也是必要的。

(3)滿足CAD/CAE/CAM集成的需要。如圖1,CAD的作用是形成數字化產品;CAE是對數字化產品的性能進行分析或仿真,其目的是在產品樣機實現以前, 對設計產品的性能進行全面預測和優化, 以減少物理樣機的制作和試驗次數, 并提高產品性能;CAM則是對產品制造進行設計, 形成產品加工的工藝過程和數控代碼, 并利用數控設備進行制造。CAD、CAE、CAM 3種方法和手段的集成, 能夠大大提高產品的研發速度和質量。

2　CAD/CAE模型轉換中的處理手段

考慮到有限元分析中有模型計算的特點, 在CAD/CAE模型轉換的過程中, 主要需要進行以下幾個方面的工作。

2.1　CAD三維實體模型的簡化

盡管目前大型有限元分析軟件都提供了與CAD軟件的接口, 但在多數情況下, CAD的模型往往不適合直接用于有限元分析, 需要對CAD三維實體降維、對稱化以進行模型簡化及修改。

2.1.1　模型的降維

降維就是要用具有高維實體屬性的低維實體表示高維實體。降維處理的目的是在滿足分析要求的情況下, 減少求解方程的個數, 縮短計算時間。其中, 可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板, 如在機床床身靜剛度分析中, 通過用具有一定厚度的二維單元(shell單元)來模擬床身壁和床身結構中的筋板。也可用具有截面性質的直線表示一塊狹長的區域。在對圖2所示的軸類零件的撓度進行分析時, 可用桿梁單元來代替具有復雜幾何特征的模型進行降維。

降維處理主要涉及到以下幾個方面: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系;特征降維的非流形性等。

2.1.2　對稱模型的簡化

在建立有限元分析模型時, 對于具有幾何對稱性的物體, 可以取其一部分進行分析, 得到的分析結果可以推廣到整個實物模型。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稱性提供了有利條件, 可以直接從模型特征的高層語義信息對幾何形狀進行對稱性識別。例如對于光軸這個概念, 從其特征定義可以知道它是幾何軸對稱的, 而不需要通過檢查低層的幾何元素是否對稱來判斷整體的對稱性。對于不能從高層語義信息進行幾何對稱性判斷的情況, 再從模型特征的低層次幾何信息(包括點、線、面以及特征的生成方式)進行對稱性判斷。

2.2　為減少解題規模所做的簡化

有限元分析的計算精確度取決于計算模型中所選用單元的質量、求解控制方程數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據、解空間大, 需要對解進行逐步精化和求解, 以及對計算結果解釋評價的特點。這些都決定了CAE分析本身就是計算量大, 求解復雜的過程, 如能在模型轉換中充分考慮到為減少解題規模而采取簡化, 將會大大提高求解速度和求解質量。

2.2.1　對稱性和反對稱性的運用

與對稱模型的幾何性簡化相比, 這種簡化更多考慮的是約束上的對稱性及反對稱性, 如圖4所示。

2.2.2　周期性條件的運用

工程中的許多構件特征具有周期性出現的特點,可根據具體分析的需要進行求解上的簡化。例如在圖5所示的葉輪分析中, 可只取一個扇區進行分析。

2.3　除掉與分析無關的細節特征

刪除細節特征就是將對應力分布只產生較小局部影響的特征刪除。在有限元分析中, 刪除影響較小的細節可以減少計算量和求解時間等, 而不會影響到分析結果的精度。如模型中圓倒角特征的刪除。在特征造型中, 可以刪除的細節都是以特征的形式表達, 這就為判斷可以刪除的細節帶來方便。由于特征包括幾何信息和非幾何信息兩個方面, 所以細節特征的刪除也涉及到幾何和非幾何兩個方面。非幾何細節因為不是模型的幾何定義部分, 只要取消其與幾何的聯系就可將它們刪除。對于幾何細節的刪除, 首先從高層的語義信息進行判斷, 譬如圓角特征, 系統得到這個信息, 可以不再進行幾何分析, 直接將圓角特征從模型中刪除;然后從低層的幾何信息進行判斷, 通過幾何計算或與經驗相匹配等方法, 識別出該幾何細節可以忽略掉, 于是從模型中將之刪除。

3　CAD/CAE模型轉換的實現流程

首先使用用特征造型在CAD系統中建立分析對象的幾何模型。然后采用適當的網格劃分參數對該模型進行網格劃分, 再將所獲得的網格數據(節點和單元)通過有限元模型接口轉換程序輸出到CAE系統中, 最后在CAE系統中重構該有限元模型。通過編制模型轉換接口程序(網格劃分并獲得單元和節點信息數據), 可實現有限元模型從CAD系統到CAE系統“零失真” 的轉換。

圖6(a)中將CAD中幾何模型導入到CAE系統中, 存在數據信息的丟失和冗余, 如:只有線框模型, 有的只有面模型, 需要重新構造面和實體。面與面之間可能產生縫隙, 需要對模型進行復雜的修補,非常耗費精力。圖6(b)中, 采用有限元模型轉換代替幾何模型轉換。采用這種方法, 模型轉換前后不存在任何信息的丟失, 可以達到100%的模型拷貝, 做到真正意義上的“零失真” 轉換。

4　模型轉換的雙向相關機制

為了更好地實現設計與分析的集成, 需要建立支持模型轉換的雙向相關機制。所謂支持模型轉換的雙向相關機制就是指在CAD模型向CAE模型的轉換過程中和CAE結果向CAD模型的反饋過程中起控制和影響作用的方法和因素。建立支持模型轉換的雙向相關機制需要應用以下4個方面的技術:

(1)面向對象的建模技術

面向對象技術是當前廣泛采用的一種描述客觀實體的先進建模技術, 它通過類(class)、對象(object)、繼承性（inheritance)、封裝性(encapsulation)、多態性(polymorphism)、消息(message)傳遞機制等手段很好地建立起了對客觀實體的描述模型。采用面向對象技術實現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程和管理集成過程, 同時在現有的軟件技術上也便于程序實現。在文獻中已采用面向對象技術實現有限元分析的重構。而現有的CAD造型系統正逐步使用面向對象技術組織系統、管理系統并進行系統設計和開發。因此, 面向對象建模技術是實現模型轉換雙向相關機制建立的有利手段。

(2)支持CAD模型和CAE模型的統一工程數據庫

產品的設計是一個逐步求精的過程, 所以“設計—分析—再設計—再分析” 是一個反復的過程。在這個反復過程中, 設計的修改就必須牽動分析模型的修改, 分析模型的修改也應該牽動設計的修改, 設計和分析之間數據的傳輸和變動十分巨大, 由此將CAD模型數據和CAE模型數據放置在一個統一的工程數據庫中十分重要, 一是可以減少數據的冗余量和因數據轉換而帶來的誤差, 二是對統一的數據庫進行操作可以減輕程序的開發工作量(包括系統開發和二次開發), 提高程序運行的效率。

(3)CAD模型和CAE模型映射機制的建立

為了提高設計與分析的自動化, 減輕工作人員的手工勞動量, 必須建立CAD模型向CAE模型的自動轉換功能以及分析結果向設計的自動反饋功能。在CAD模型向CAE模型的自動轉換過程中,應該建立以下幾項功能:基于特征的有限元網格自動劃分功能, 基于特征的分析模型簡化功能, 基于特征的載荷與邊界條件處理功能, 基于特征的問題自定義功能。在分析結果向設計的自動反饋過程中, 不但要具備圖形顯示分析過程的功能, 還應該在此基礎上建立自動評價體系, 并將評價的結果輸入到設計模塊中。設計與分析映射是建立模型轉換響應機制的核心。

(4)基于人工智能的推理技術

在實現上述的映射機制過程中, 人工智能技術十分重要, 沒有人工智能技術的支持不可能建立起一個滿意的自動化映射機制, 人工智能技術在映射過程中起到控制、評價和決策的作用。人工智能技術包括神經網絡技術、專家系統、知識推理技術、模糊推理技術等一系列先進技術, 只有充分運用這些先進的控制、決策、評價技術, 模型轉換的雙向相關機制才能靈活地運作起來, 否則就會陷于呆板和遲滯。