计算机辅助结构设计与分析的集成框架研究

熊胜华， 谢正坚， 何 涛

（1. 北京中科辅龙计算机技术股份有限公司，北京 100085；2. 中交第四航务工程勘察设院有限公司，广东 广州 510230；3. 中国科学院计算技术研究所，北京 100190）

计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)技术与计算机辅助工程(Computer Aided Engineering, CAE)技术的集成[1-4]是当今计算机辅助领域中研究热点之一，目的是将代表先进几何建模技术的CAD技术与代表强大分析计算能力的CAE技术紧密结合，以适应现代产品的动态设计特性的要求。相关研究分为以下几类：

第1类是模型数据共享式的集成框架：该类框架采用标准数据交换文件、文本文件或数据库等数据存储方式进行模型数据的存储，同时利用CAD软件及CAE软件的二次开发技术实现相关的设计与分析功能。该类集成框架具有集成简单、建模方便等优点，使用最多，如：Ledermann等[5]通过CATIA的VBScript语言和ANSYS的APDL语言研究了参数化CAD与CAE的集成方式；陈明等[6]通过CATIA软件的VBScript语言和应力分析软件MONOCAL实现了几何模型建模与有限元分析功能；关振群等[7]通过Mechanical Desktop (MDT)和结构分析优化设计软件JIFEX研究了CAD与参数化CAE的集成框架；王威信等[8]利用模型数据交换标准STL实现了CAD三维实体的四面体网格划分，同时调用ANSYS软件进行有限元分析与计算。

该类集成框架虽具有集成简单、建模方便等优点，但仍存在一些不足：CAD建模功能较弱，易受限于CAD的二次开发功能，同时针对性较强，局限于特定工程，缺少灵活性。

第2类是单一平台上的简单集成框架：包括CAE平台上CAD集成和CAD软件平台的CAE集成。CAE软件平台，如ANSYS、ABAQUS等，均提供CAD建模功能，但CAD建模能力没有专业的CAD软件强大，建立的模型大都是抽像的简化模型，无法准确反映实际工程信息。CAD软件平台，如PTC公司的Pro/ENGINEER软件、Siemens 公司的PLM NX软件、达索公司的CATIA软件等，均提供CAE分析功能，但CAE功能过于简单，如须完成复杂的有限元分析计算，仍需借用第三方的专业化CAE软件平台。

第3类是组件式CAD与CAE的集成框架：通过调用CAD组件和其它相关组件，可方便地对几何模型数据、工程信息数据及有限元模型数据进行统一管理，同时借助第三方专业化CAE软件平台的二次开发，可实现强大的有限元分析与计算功能。这类集成框架的优点：开发灵活，可以满足多数行业的要求；借助第三方CAE平台可实现强大的有限元分析与计算功能。但主要存在开发周期较长等不足。

基于以上分析，为了实现结构设计与分析功能的集成，本文研究了在统一模型库基础上的组件式计算机辅助结构设计与分析的集成框架：该框架的基础是结构CAD/CAE集成模型库，用来存储空间结构设计与有限元分析有关的所有信息，包括空间结构的几何数据、参数化数据、工程属性数据、有限元模型数据等；该框架包括的组件有几何造型组件、可视化交互组件、第三方CAD组件、第三方CAE组件、网络化传输组件、数据交换组件、抽象模型转换组件及模型数据访问组件等。其中，第三方CAD组件支持CATIA、Pro/ENGINEER等CAD软件的二次开发功能，第三方CAE组件支持ANSYS和ABAQUS等软件的二次开发功能。依托该组件式计算机辅助结构设计与分析的集成框架，本文设计与开发了港口码头的结构设计与有限元分析系统，并得到了较好的结果。

1 组件式CAD与CAE的集成框架

组件式CAD与CAE的集成框架可分为3层：第1层为系统应用层，包括空间结构设计子系统及空间结构分析子系统；第2层为框架组件层，包括几何造型组件、可视化交互组件、第三方CAD组件、第三方CAE组件等；第3层为集成模型库层，包括材料库、形状库、参数库等，如图1所示。

1）空间结构设计子系统

空间结构设计子系统利用几何造型组件、可视化交互组件、第三方CAD组件及数据交换组件等，为用户提供几何造型、工程管理、空间轴网建模、构件建模、荷载建模、边界条件建模、工况组合建模等功能。

2）空间结构分析子系统

空间结构分析子系统利用几何造型组件、可视化交互组件及第三方CAE组件等，为用户提供工程抽象模型建模、结点建模、单元建模、有限元模型建模、云图建模、包络图建模及生成计算书等功能。

3）几何造型组件

几何造型组件是在几何造型技术基础上开发的三维几何造型引擎，为应用程序提供了集曲线、曲面和实体造型于一体的统一开发环境，提供给用户通用的基本几何造型功能和扩展基本功能的接口等。Parasolid及ACIS[9]是当今最有代表性的几何造型引擎，许多流行的商用CAD软件如Unigraphics、Solidedge、Solidwork等都是Parasolid或ACIS的基础上开发出来的。同时，考虑到几何造型平台的开发周期等因素，本文的CAD/CAE集成框架仍可选用Parasolid或ACIS作为几何造型组件。

4）可视化交互组件

可视化交互组件是一套在底层图形驱动基础上开发的高性能显示类库，它封装和扩展了OpenGL、DirectX等图形图像接口，为高性能设计、仿真及工程应用等领域的用户提供快速开发的集成化组件框架。HOOPS 3D Application Framework (HOOPS/3dAF)是具有代表性的可视化交互组件之一，作为本文的CAD/CAE集成框架选用的可视化交互组件。

图1 CAD/CAE集成框架示意图

5）第三方CAD组件

第三方CAD组件提供多种不同的二次开发接口来满足不同CAD软件的二次开发要求，如AutoCAD软件二次开发的ObjectARX开发语言、CATIA软件二次开发的VBScript语言、Pro/ENGINEER软件二次开发的Pro/Toolkit开发工具包等。

6）数据交换组件

数据交换组件依托IGES数据交换标准，为第三方CAD组件提供模型转换功能，包括第三方CAD模型转换为本文软件所能识别的模型及本文软件模型转换为第三方CAD模型等。

7）第三方CAE组件

第三方CAE组件支持现有有限元软件（如ANSYS，ABAQUS）的二次开发操作，负责提取工程抽象模型信息、生成有限元程序二次开发代码、调用有限元计算模块、读取与存储有限元模型及分析结果等功能。

8）网络化传输组件

网络化传输组件支持用户以WEB方式操作CAD/CAE集成系统、选择操作内容、实时获取操作结果，主要包括识别用户操作、反馈用户信息、读取模型数据、存储模型数据及网络传输模型数据等基本功能。

9）抽象模型转换组件

抽象模型转换组件根据用户定义的抽象规则库，将工程实体模型转换为工程抽象模型、工程材料特征转换为模型材料、工程荷载转换为模型荷载等。通过抽象模型转换组件，用户可以定义多个不同层次的工程抽象模型进行有限元分析。

10）模型数据访问组件

模型数据访问组件提供CAD/CAE集成模型库的数据交互功能，为几何造型组件、可视化交互组件、第三方CAD组件、第三方CAE组件、网络化传输组件、数据交换组件及抽取模型转换组件等提供访问CAD/CAE集成模型库的接口功能，包括数据的读取、修改、删除及增加等。

11）CAD/CAE集成模型库

CAD/CAE集成模型库位于CAD/CAE集成框架的最下层，是集成框架的核心部分，负责存储工程实体模型及有限元分析模型等有关数据，包括：材料库、形状库、精度库、荷载库、工况组合库、构件库、工程库、工程库、抽象规则库、计算书模板库、材料数据、形状数据、精度数据、荷载数据、工况组合数据、构件数据、工程数据、边界条件数据、单元数据、结点数据、有限元模型数据、计算书数据、空间轴网数据等。

2 空间结构设计子系统框架

空间结构设计子系统位于组件式CAD/CAE集成框架的系统应用层，提供用户几何造型及工程信息建模等功能，如图2所示。

图2 空间结构设计子系统的框架图

1）工程建模：建立工程模型，管理工程有关属性数据，包括工程名、工程背景、主要参与人员、结构重要性等级、工程水位信息等数据。工程模型可以从已定义的工程库中获取，也可以用户自定义输入产生新的工程模型。

2）空间轴网建模：为了方便设计人员的空间结构建模的定位操作，建立三维空间轴网模型，管理三维空间轴网的相关信息，包括：横向轴线的间距数组、纵向轴线的间距数组、竖向轴线的间距数组、轴线编号、轴线关联对象数组、轴线是否显示等信息。

3）构件建模：建立工程标准构件及非标构件等模型，提供构件的移动、删除、编辑、复制、阵列等基本操作，管理构件名称、构件关联几何对象数组等信息。构件的具体建模功能主要通过参数化草图建模或特征建模功能完成，一般流程可描述为：执行构件建模命令，输入构件基本信息，进入参数化草图建模功能绘制构件平面模型，进入特征建模功能，施加材料特征、形状特征及精度特征，最后交后构件建模功能管理构件模型。

4）参数化草图建模：建立二维草图及生成参数化二维图形，包括二维草图建模功能和二维参数化建模功能。二维草图建模功能提供点、直线、圆、椭圆、弧线、多段线、三角形、矩形及多角形等基本草图元素；二维参数化建模功能提供交互定义几何约束和尺寸数据、建立几何约束方程、输入几何约束和尺寸数据、求解几何约束方程组等基本功能。

5）特征建模：在参数化草图建模功能绘制的二维草图的基础上，利用拉伸、扫掠、蒙皮、布尔运算、倒角、打孔、开槽等特征操作建立三维实体模型。

6）材料特征：在特征建模生成的三维实体模型的基础上，对模型赋加工程材料特性。工程材料特性可以从已定义的工程材料库中获取，也可以用户自定义输入产生新的材料。

7）形状特征：记录用户建立三维实体模型过程中所采用的一系列特征操作，同时记录三维实体模型及有关特征操作的几何信息及拓扑关系信息等。形状特征的几何/拓扑信息可以直接从已定义的形状库中获取，也可以用户自定义特征操作产生新的形状。

8）精度特征：在特征建模生成的三维实体模型的基础上，对模型赋加工程精度特性，包括尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度等。工程精度特性可以从已定义的工程精度库中获取，也可以用户自定义输入产生新的工程精度。

9）荷载建模：根据实际工程受力特性的分析，在空间实体模型上建立荷载模型，包括定义荷载类型，定义集中力、定义线性均布力、定义面均布力等。荷载模型可以从已定义的工程荷载库中获取，也可以用户自定义输入产生新的荷载模型。

10）边界条件建模：根据实际工程边界特性的分析，在空间实体模型上建立边界条件模型，包括几何约束模型、空间耦合等，提供边界条件模型的修改、删除、复制、移动及阵列等基本操作。

11）工况组合建模：根据实际工程工况特性的分析，建立工况组合模型，将指定的工程荷载分配到该工况组合模型中，同时提供工况组合的定义、删除、修改等基本操作。工况组合模型可以从已定义的工况组合库中获取，也可以用户自定义产生新的工况组合模型。

3 空间结构分析子系统框架

空间结构分析子系统位于组件式CAD/CAE集成框架的系统应用层，提供用户工程抽象模型建模、有限元计算及有限元结果分析等功能，包括：工程抽象模型建模、模型材料管理、模型荷载管理、模型边界条件管理、模型工况组合管理、结点建模、单元建模、有限元模型建模、云图建模、包络图建模及生成计算书等。

图3 空间结构分析子系统框架图

1）工程抽象模型：获取工程三维实体模型数据，包括工程数据、构件数据、形状数据及精度数据等，根据用户定义的抽象规则集，抽取相关的模型数据，显示工程制模型，同时提供工程抽象模型信息的管理功能，包括模型编号、模型名称、分析目的及对应的有限元模型对象等信息。

2）模型材料：根据工程抽象模型，从工程的材料数据库提取模型有关材料信息，同时提供查询、修改、删除等材料信息管理功能。

3）模型荷载：根据工程抽象模型，从工程的荷载数据库提取模型有关荷载信息，显示模型荷载，同时提供查询、修改、删除等荷载信息管理功能。

4）模型边界条件：根据工程抽象模型，从工程的边界条件数据库提取模型有关边界条件信息，显示模型边界条件，同时提供查询、修改、删除等模型边界条件信息管理功能。

5）模型工况组合：根据工程抽象模型，从工程的工况组合数据库提取模型有关工况组合信息，同时提供查询、修改、删除等模型工况组合的管理功能。

6）CAE计算：调用第三方CAE软件的有限元求解程序，获取有限元求解结果，同时管理第三方CAE软件（如ANSYS、ABAQUS等）的二次开发接口。

7）结点建模：提取有限元求解结果中的结点信息（包括结点编号、结点坐标、结点应力、结点位移等），分析结点信息，显示结点模型，同时对结点信息提供查询、统计等基本功能。

8）单元建模：提取有限元求解结果中的单元信息（包括单元编号、单元包含的结点序号、单元应力、单元位移、单元类型等），分析单元信息，显示单元模型，同时对单元信息提供查询、统计等基本功能。

9）有限元模型建模：提取有限元求解结果中的结点、单元等有限元模型信息，建立并显示有限元模型，同时对有限元模型信息提供查询、统计等基本功能。

10）云图建模：管理有限元云图类型（包括位移、内力、弯矩等），提取有限元求解结果中相应的结点及单元信息，建立并显示云图模型。

11）包络图建模：管理有限元包络图类型（包括位移、内力、弯矩等），提取有限元求解结果中相应信息，建立并显示包络图模型。

12）生成计算书：从计算书模板库提取计算书模板，分析有限元结果信息，提取计算书所需数据，生成计算书，显示计算书，保存计算书数据，同时提供计算书模板库的添加、删除、修改等基本功能。

在空间结构分析子系统中，核心内容是建立有限元分析模型，建立有限元分析模型的流程如图4所示。

图4 建立有限元分析模型的流程图

1）定义抽象模型规则：针对空间结构实体模型，设置模型构件简化的有限元单元类型。

2）获取工程三维实体模型数据：访问CAD/CAE集成数据库，提取参与有限元计算分析的空间实体模型数据，包括工程数据、构件数据、形状数据及精度数据等。

3）建立工程抽象模型：根据用户定义的多层次抽象模型规则，简化空间实体模型，自动建立多个工程抽象模型，如实体有限元模型、空间杆系有限元模型等。

4）获取模型材料参数：访问CAD/CAE集成数据库，提取用户输入的材料数据，包括弹性模量、泊松比及重度等信息。

5）定义网格划分参数：针对工程三维实体模型中的不同构件，设置网格划分参数，包括网格划分密度、划分类型等信息。

6）设置抽象模型不同部分的材料参数与网格划分参数：访问CAD/CAE集成模型库，建立工程构件、材料参数及网格划分参数的对应关系，并将相应的材料参数及网格划分参数赋加到对应的工程构件上。

7）网格划分：调用CAE软件的网格划分接口函数自动划分所定义的抽象几何模型。

8）根据工况列表定义工况：遍历用户输入的工况列表，定义多种有限元分析模型求解下的工况组合。

9）施加工况条件下的模型边界条件：访问结构CAD/CAE集成模型库，获取当前工况条件下的用户输入的边界条件，并自动转化为有限元分析模型的边界条件。

10）施加工况条件下的模型荷载：访问结构CAD/CAE集成模型库，获取当前工况条件下的用户输入的模型荷载，并自动施加到有限元分析模型上。

11）模型求解：调用第三方CAE软件的求解器函数对所定义的多层次有限元分析模型进行求解。

12）获取分析结果：调用第三方CAE软件的后处理函数，获取有限元分析结果，并自动存储于CAD/CAE集成模型库中。

4 工程应用

将所设计与开发的计算机辅助结构设计与分析系统应用于港口码头的结构设计及有限元分析，并取得了较好的效果。

港口码头的构件主要有面板、桩、横梁、纵梁、轨道梁、边梁、桩帽等；主要作用包括码头堆载、轨道轮压、流动机械荷载、船舶系缆力、船舶挤靠力、波浪力、地震力等；参与计算的工况组合包括最大桩力工况组合类、面板最大弯矩工况组合类、横梁最大弯矩工况组合类、轨道梁最大弯矩工况组合类、用户自定义工况组合类等。

在计算机辅助结构设计与分析系统建立港口码头的实体模型，模型如图5所示。该模型与实际工程基本相符，但由于系统未完善等原因，该模型未包括预埋管、挖孔等非标构件的建模。

图5 港口码头实体模型图

将港口码头的三维实体模型应用于空间结构分析子系统，由该子系统负责产生空间实体有限元模型、空间杆系有限元模型等多层次有限元分析模型，调用第三方CAE软件(ANSYS)进行有限元分析计算，存储有限元分析结果，并调用可视化交互组件显示有限元分析结果。图6为用户自定义工况组合类中港口码头空间实体有限元模型的X向位移云图。

5 结 论

本文研究并设计了一种基于统一模型库的组件式计算机辅助结构设计与分析的集成框架，细分为空间结构设计子系统和空间结构分析子系统，主要提供空间实体建模、工程模型管理、多种有限元模型分析与计算功能，通过统一模型库的数据共享方式可解决CAD/CAE模型的集成问题。

计算机辅助结构设计与分析的集成框架应用还需要进一步深入，增加如特殊构件的建模、除ANSYS和ABAQUS外其他CAE软件的支持、空间三维参数化建模等功能。

图6 港口码头空间实体有限元模型的X向位移云图

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