一种CAD和CAE数据集成方式研究

尹作重，李江华，李晨希，杜 峻

（1. 北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自动化研究所，南京 210012）

一种CAD和CAE数据集成方式研究

尹作重1，李江华2，李晨希3，杜 峻1

（1. 北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自动化研究所，南京 210012）

通过对CAD/CAE集成问题展开研究, 本文介绍了一种CAD/CAE数据集成框架。详细介绍了数据转化模块结构设计和几何信息模型，并进一步提出了数据集成的主要流程，对CAD和CAE的数据集成的开发提供了参考。

CAD；CAE；数据集成

0 引言

CAD（Computer Aided Design）计算机辅助设计是设计人员利用计算机及其图形设备为工具，对产品和工程进行设计、制图、计算和编写技术文档等设计工作的总称[1]，CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程是利用计算机作为辅助求解工具，对复杂工程和产品在结构强度、刚度、动力响应等方面进行性能和安全可靠性仿真分析的活动[2]。经过不断的发展和完善，CAD和CAE技术已日趋成熟，但CAD和CAE系统还是处于相对的独立状态[3]。 CAD和CAE系统的集成对于提高制造厂商的新产品设计能力和水平、缩短新产品的设计和制造周期等方面提供强有力的支撑作用。

1 主要的CAD和CAE集成方式

经过多年来 CAD和CAE集成技术的发展应用，形成了若干种CAD和CAE集成方法，并在各领域得到了不同程度的应用，但仍距预期CAD和CAE的无缝融合目标存在较大差距[4]。

1）利用CAD与CAE等商业软件提供的二次开发工具，完成CAD和CAE的集成工作，比如AutoCAD提供Development System（ADS），I-DEAS 提供Open Architectures（OA），ANSYS提供APDL模块等，通过一系列的二次开发工具，开发人员可以完成CAD的几何信息模型到CAE的有限元模型的转换。

2）利用CAD与CAE等大型商业软件的提供的开放接口，完成CAD和CAE的集成工作，比如Dassault公司与MSC公司结成联盟、Autodesk公司与Ansys公司形成联盟，双方通过开放直接数据接口，实现了CAD和CAE数据的无缝集成。

3）通过标准格式转换完成CAD和CAE的集成，可以通过中性文件作为交换机制，来完成CAD和CAE软件的集成，中间标准描述文件是重要的研究方向，产生了IGES、STL、STEP等一系列中性格式。

2 通用CAD/CAE数据集成方式

集成开发人员利用一种与系统无关的标准数据格式文件来实现CAD和CAE系统之间的数据交换，这是一种弱耦合的集成方式，集成开发人员只需关注CAD和CAE系统接口程序的开发和设计，具有较大的自主性和独立性，同时国际上出现了IGES、SET、PDES和STEP等多种中性文件标准，各大CAD和CAE的商业软件商纷纷支持中性文件，因此通过标准格式文件来完成 CAD/CAE集成具有较强的实用性。

1）通用CAD/CAE数据集成框架

如图1所示，通用CAD/CAE数据集成框架主要包括CAD模块生成CAD格式的数据文件，数据文件经过数据转换模块，再根据实际需求加上网格划分操作和参数设置操作，生成CAE格式数据文件，最后由CAE模块读取分析。

2）数据转化模块结构

图1 通用CAD/CAE数据集成框架

图2 数据转化模块结构

如图2所示，信息处理模块的主要结构包括信息提取模块、几何信息过滤模块、信息转换重构模块和文件数据生成模块。信息提取模块对CAD格式的数据文件进行几何信息提取，几何信息的过滤主要是对信息提取模块提取出来的几何信息进行冗余检查并对冗余信息进行处理，信息转换重构是对几何信息进行转换和重构，文件数据生成模块将几何信息加上必要的网格信息和参数信息生成CAE系统所需的数据文件。

3）几何信息数据模型

信息提取模块是对来自CAD系统的标准文件进行所需信息的提取，其中信息提取模块的重点是CAD数据文件几何信息模型的分析和建模工作，在IGES、STL、STEP等标准文件中，几何信息模型的特征各不相同，厂商可以定义专属格式的几何信息模型。STEP标准的AP203格式的几何信息数据模型如图3所示，零件几何信息的表达是一个自上而下、层层细化的过程[5]。形状表示法关系实体是整个树结构的根结点，表示最后形成的具体几何实体，体层的下面是基于面的封闭壳体，封闭壳实体是数据模型的核心部分，由互相关联的面组成，可以界定实体的外部或内部区域，面层包括许多个面边界、初等曲面和方向，每个面边界都是有自由曲面和边界环构成的。

4）通用CAD/CAE数据集成的主要流程：

（1）读取CAD数据文件；

（2）头部分信息的提取；

（3）生成头部分实体实例；

（4）将头实体实例加入到链表中；

（5）判断头信息段是否结束，没有结束则执行（2）；

（6）数据部分信息提取；

（7）生成数据部分实体实例节点；

（8）将实体实例加入到对应的数据结构中；

图3 几何信息数据模型

（9）判断数据部分是否结束，没有结束则执行（6）；

（10）检查几何信息冗余；

（11）几何信息重构；

（12）加入参数信息和网格信息；

（13）生成CAE数据文件；

（14）转换结束。

3 结论

在产品设计研发过程中，CAD系统几何造型功能出色，CAE系统分析计算功能优秀， CAD和CAE的集成方式使得将这两大系统有机地结合起来，从而最大化的发挥CAD和CAE的功能，本文介绍了一种通用CAD/CAE数据集成框架，详细介绍了数据转化模块结构设计和几何信息模型，并进一步提出了数据集成的主要流程，对CAD和CAE的数据集成的开发提供了参考作用。

[1] 谭建荣,陆国栋,等.CAD方法与技术[M].北京：科学出版社.2005.

[2] 王丰元,周群辉,马浩,王爱兵.CAD/CAE集成系统的研究.设计与研究[J].2008(7)：47-49.

[3] 严潮红.基于仿真的CAD/CAE几何数据传递研究[D].南京航空航天大学.2005：38.

[4] 王军,李亮,孙军,等.基于STEP-NC数控程序生成方法研究[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版,2006,22(4)：681-685.

[5] 《ISO-10303-203 Industrial Automation and Integration--Product Data Representation and Exchange--Part203,Application protocol： Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies》.

A CAD and CAE data integration approach

YIN Zuo-zhong1， LI Jiang-hua2，LI Chen-xi3，DU Jun1

TH164

A

1009-0134(2013)06(上)-0008-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).03

2013-04-05

863计划项目（2013AA040501）

尹作重（1976 -），男，山东聊城人，硕士，研究方向为企业信息化。