CAD软件与CAE软件图形数据接口问题研究

刘岩松， 董林福， 信红波， 武晶晶

(沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳110142)

随着技术的进步，求解越来越复杂和大规模的计算模型成为一种趋势，然而CAE的建模功能常常成为分析的瓶颈，需要在建模功能更为强大和方便的CAD环境中进行建模工作，然后再将CAD模型导入分析软件进行分析.因此，分析软件接口的好坏直接影响到分析的进程［1］.

目前基本转换方法有两种，即在CAE软件中直接读入CAD模型文件和通过中间格式文件转换［2］.前者受到软件类别及版本的限制，后者受到各软件公司内核兼容性的限制.在相互转换过程中常会出现图形数据丢失现象，并且模型的修改和更新不能及时反馈到CAE模型中，重复建模更要耗费大量的时间和精力［3－5］，这就使得CAD与CAE软件之间的接口技术变得深不可测.事实上，两者之间的无缝链接是可以快速实现的.

1 常用CAD软件与CAE软件之间图形数据接口方法对比

关于早期版本CAD软件与CAE软件的图形数据接口问题，有许多很好的探索.其中二维CAD软件的导入大多是以IGES格式完成，而三维CAD软件的图形数据的导入相对繁琐一些.现以ANSYS和pro/E为例，比较典型的接口方法有如下几种:

(1)IGES格式导入法

在Pro/E中建立模型后(一般是part)，从菜单File_save a copy中选择IGES类型存盘，启动Ansys，从菜单 file＜import＜IGES选择形成的IGES格式文件即可.在Ansys中输入模型时，可能会出现模型断裂，需要对“Defeature、合并重合的关键点、产生实体、删除小面积”等选项进行改变，反复修改，直到图形数据达到要求.

(2)无缝链接法

在安装 ANSYS时，必须安装ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模块(代号82).在“开始 ＜程序 ＜ANSYS 5.6＜ANS＜ADMIN Utility”中，选择configuration options，再选择configure connection for Pro/E，然后输入模块类型、图形类型、工作空间大小等，之后输入Pro/E的安装路径，完成“连接”安装.运行Pro/E，打开一个已建好的模型，最后一行会出现 ANSYS GEOM，单击它，直到自动调用并启动了ANSYS.此时再选取File＜import＜Pro/E，在文件名一栏中输入正确的文件名，点OK即可完成输入［6］.ANSYS 5.7以后的版本在局部会有些小的出入，但是总体的链接方法大致都为上述步骤.

(3)Pro/E预处理法

在 Pro/E中打开建好的模型，选择菜单Applications＜Mechanica，此时会进入有限元FEM模式，可以进行结构、热等的分析，选择结构＜分网(mesh)＜create-＜solid＜start，开始分网，完成后关闭对话框，选择菜单中的Run，在对话框的求解器中选择ANSYS，输出到文件，填入文件名，点取OK(材料不必输入)，即可生成一个*.ans文件.运行Ansys，从命令Utility Menu＜File＜Read input from...中，选择刚才产生的*.ans文件，即可以完成导入.

2 图形数据接口无缝链接实现的最新方法

2.1 二维CAD软件与CAE软件的图形数据接口问题

CAXA 2009机械版是北京数码大方科技有限公司开发研制的一套拥有完全自主知识产权的二维计算机辅助设计(CAD)软件，拥有先进的局部参数化设计和通用的数据接口.

二维图形数据交换主要以IGES格式为主.IGES是由美国国家标准局主持，由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会，于1980年编制的初始图形信息交换技术规范，并由美国国家标准协会公布的美国标准.当今流行的CAD软件都具备IGES接口，IGES格式也因此成为一种被普遍接受的中间标准格式.

具体实现步骤如下:

(1)启动CAXA 2009，绘制模数为2、齿数为42的齿轮二维轮廓线，如图1所示.

图1 CAXA齿轮二维轮廓线Fig.1 Two dimensional contour of CAXA gear

(2)将图形文件另存为IGES格式.

(3)在ANSYS 12.0环境下，命令为Utility Menu＞File＞Import＞IGES，导入结果如图2所示.

图2 ANSYS 12.0导入结果Fig.2 ANSYS 12.0 lead-in result

三维图形数据交换如果使用IGES格式会出现图形元素丢失的现象，但是在二维数据交换时IGES格式一般不会出现上述情况.实际上，很多人往往忽视二维CAD软件与CAE软件的图形数据交换，而CAXA在曲线造型功能上优于ANSYS.因此，能够熟悉并利用二维CAD软件的功能会给CAE软件的前期准备做很好的铺垫，在实际工程计算过程中也能节省不少的时间.

2.2 三维CAD软件与CAE软件的图形数据接口问题

目前，Pro/E和ANSYS软件分别是CAD和CAE软件的典型代表，ANSYS 12.0和 Pro/E wildfire 5.0则是两者的最新版本.Pro/E是美国PTC公司开发的多项技术集成产品，其功能强大，用途广泛，其强大的建模功能可以绘制任意复杂形状的零件，但是分析功能较弱;ANSYS是美国ANSYS公司推出的大型有限元分析软件，它是一种集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，但是其实体建模功能有限［7］.而这两种软件各自的短处恰恰又是对方的长处，解决矛盾的途径是将两者结合起来，发挥各自的长处.先用Pro/E建模，然后在ANSYS中进行分析，如何将两者更好地结合，使数据传递更完善，是一个关键的问题［8］.

2.2.1 安装与配置

(1)ANSYS 12.0与Pro/E wildfire 5.0的PC机配置要求见表1.

表1 ANSYS 12.0与Pro/E wildfire 5.0的PC机配置Table 1 PC disposition of ANSYS 12.0 and Pro/E wildfire 5.0

(2)ANSYS 12.0与Pro/E wildfire 5.0的PC机安装方法

CAD软件与CAE软件在三维图形数据接口的问题上最好不要采用IGES的格式.理论上，所有的CAD软件格式模型都可以转换为IGES格式文件，然后导入到分析软件中去;而事实上，各软件公司在开发自己的软件时，内核必然存在着与其他软件不兼容的部分，这种转换是以牺牲图形文件信息为代价的，表现为导入到ANSYS后，图形文件会丢失体面线等，或是多了元素，修补特别麻烦，耗费大量人力物力，尤其对于复杂模型，导入后出现的问题更多.导入时选择Defeature model，则会弹出警告信息，更严重的是导致ANSYS软件产生错误，自行关闭，这种问题目前暂时无法解决［5］.因此，需要将CAE软件集成到CAD软件当中，这样就可以实现两种软件之间的无缝链接.做到无缝链接，首先需要从安装做起，具体操作步骤如下:

(a)安装Pro/E wildfire 5.0，以安装在C盘根目录下为例:C/Program Files/Proe Wildfire 5.0，启动目录为C/Program Files/Users;

(b)安装ANSYS 12.0，ANSYS需要安装在Pro/E wildfire 5.0的同一根目录下，启动目录同样为C/Program Files/Users;

(c)选择支持软件，在第3行空白处输入所选择的CAD软件的安装路径，见图3、图4.

待安装完毕后，启动Pro/E wildfire 5.0，会发现ANSYS 12.0及WORKBENCH都已经集成到Pro/E wildfire 5.0的常用工具栏之中了，见图5.

图3 选择支持软件Fig.3 Select sustaining soft

图4 输入安装路径Fig.4 Import installation path

图5 ANSYS与Pro/E的集成Fig.5 ANSYS integrates with Pro/E

2.2.2 三维图形数据转换

在Pro/E wildfire 5.0软件中所建立的三维模型可分为零件模型和装配图模型格式，其格式分别为*.prt和*.asm.当建模成功后，点击集成命令模块中的“ANSYSGeom”选项，则在Pro/E的信息栏中将出现Begin transfer of Pro/E geomertry to ANSYS—Proessed 1340 of 1344 faces for ANSYS volumes—Geometry trans—ferCompleted-4438ANSYSlines－－1590ANSYS areas—1 ANSYS volumes的信息，之后在共用的启动目录文件夹中会生成一个格式为.anf的文件，启动ANSYS 12.0，点击 File/Read input from，找到刚才生成的*.anf文件并导入，再点击ANSYS12.0工具栏的Plot/Volumes，则图形数据就顺利导入了.如图6、图7所示.

图6 Pro/E装配体模型Fig.6 Pro/E assembling model

图7 ANSYS导入装配体模型Fig.7 ANSYS import assembling model

另外，由于ANSYS 12.0已经集成到Pro/E wildfire 5.0之中，所以，ANSYS软件也可以直接打开共用文件夹(C/Program Files/Users)中保存的Pro/E wildfire 5.0所生成的零件模型.点击File/Import/Pro/E，找到相应文件即可，如图8、图9所示.但是，装配图形文件必须生成*.anf文件格式才能顺利导入.观察导入图形发现，在模型传递过程中基本没有丢失元素的现象.因而，此种CAD软件与CAE软件的接口达到了无缝链接的效果，可以说是比较好地解决了因为图形数据传输所引起的元素丢失问题，进而达到无缝连接的目的.而其它的导入方法与早期版本的方法基本相同，虽然也可达到导入的效果，但是这些方法不能做到快速的链接，因此，就不一一叙述.

同样，在安装UG和ANSYS时，也能做到上述无缝数据连接，方法亦大同小异.

图8 Pro/E齿轮三维零件模型Fig.8 Three dimensional Pro/E gear part model

图9 ANSYS导入零件模型Fig.9 ANSYS import part model

3 结论

通过对常用CAD软件与CAE软件接口问题的回顾，对CAXA 2009以及Pro/E wildfire 5.0与ANSYS 12.0的图形数据导入问题的深入探讨，许多看似复杂的CAD与CAE软件之间的图形数据接口问题在仔细研究之后大多都能够得到相对满意的解决，为工程设计及产品的结构力学性能以及优化结构性能分析找到最优的解决方案，并且随着计算机技术和相关软件的研制与开发，未来的CAD软件与CAE软件的接口问题会变得更为简单，操作也会更为便利.

［1］ 小飒工作室.最新经典ANSYS及WORKBENCH教程［M］.北京:电子工业出版社，2004:1.

［2］ 鲍旭清，陈剑，王建楠，等.常用CAD与CAE软件及其数据接口技术［J］.机械设计与制造，2008 (8):82－84.

［3］ 王进.AutoCAD与ANSYS线面接口问题研究［J］.煤矿机电，2009(6):4－6.

［4］ 郝钟雄.ANSYS与CAD软件的接口问题研究［J］.机械设计与制造，2007(7):75－76.

［5］ 张晓鹏.浅谈计算机软件数据接口的几种实现思路和应用［J］.科技情报开发与经济，2010(18): 127－128.

［6］ 李雪丽，田广才，田报.ANSYS与其它软件接口的研究与开发［J］.精密制造与自动化，2007(2):48－50.

［7］ 邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册［M］.北京:人民邮电出版社，2007:2－3.

［8］ 季有昌，程凯，鞠浩民，等.复杂结构Pro/E模型导入ANSYS时问题的研究［J］.机械制造与自动化，2009，38(3):71－74.