基于模板的港口码头三维结构CAD/CAE集成技术

熊胜华， 唐卫清， 何 涛

（1. 北京中科辅龙计算机技术股份有限公司，北京 100085；2. 中国科学院计算技术研究所，北京 100190）

港口码头是提供船舶进出和停泊、货物的堆放、装载及卸载、车辆作业、旅客进出等功效的运输场地，在港口码头设计过程中，主要包含结构 CAD（计算机辅助设计，Computer Aided Design）设计、结构 CAE（计算机辅助工程，Computer Aided Engineering）分析等。随着计算机技术的发展，现今，结构CAD设计主要采用通用CAD软件（如AutoCAD等）或专业码头设计软件（如高桩板梁式码头CAD等）进行结构设计，结构 CAE分析主要采用专业平面计算程序或通用CAE软件（如ANSYS等）进行结构分析。两项工作均独立完成，在CAD设计模型与CAE分析模型之间没有建立必然的联系，且CAE分析结果须设计人员进行手动导出并比较，自动化程度低。这些因素的存在，严重影响了港口码头设计效率，且在进行结构 CAE分析时，CAE分析模型的质量受设计人员的经验影响较大，因此，增加了设计人员设计的难度，易产生设计上的错误。如何解决上述问题，有效地提高港口码头设计效率与质量，成为港口行业急需解决的重点问题之一。

CAD/CAE集成技术旨在提高 CAD建模与CAE分析的效率，提高行业的整体设计性能，满足行业设计的需要。因此，通过CAD/CAE集成技术的研究，可以有效地解决港口码头在 CAD设计、CAE分析时两者独立工作、缺少关联关系、自动化程度低、设计效率低、CAE分析难度大、易产生设计错误等问题。

CAD/CAE集成技术是当今计算机辅助领域中主要研究热点之一[1-3]。研究内容分为以下 4类：

1） CAD软件与CAE软件的数据共享：利用CAD软件及CAE软件的二次开发技术，分别建立CAD模块和CAE模块，同时采用标准数据交换文件、文本文件或数据库等数据共享方式实现 CAD/CAE的集成。如：Ledermann等[4]在飞行器概念设计阶段使用 VBScript语言读出CATIA的几何模型数据，并调用ANSYS程序进行有限元分析与优化；田静云等[5]在 Pro/E平台上建立齿轮的参数化模型，并调用ABAQUS程序进行模型分析等。该类集成方式具有集成简单、建模方便等优点，但存在一些不足：采用标准数据交换文件时由于CAD软件及CAE软件对标准的支持程度不同，易出现数据丢失、冗余等问题；采用文本文件或数据库等方式针对性较强，缺少灵活性，且受限于CAD软件与CAE软件的二次开发功能。

2） 在CAE软件上实现CAD与CAE的集成：依赖于 CAE平台（如 ANSYS、ABAQUS等）的参数化建模接口，建立特定模型，生成参数化建模脚本，并进行力学性能分析。如：马国栋等人[6]以集装箱轮胎龙门起重机门架结构计算为例，利用VC开发语言自动生成ANSYS计算的APDL语言并调用ANSYS程序完成计算等。该类集成方式具有CAD与CAE模型一体化的优点，但存在一些不足：现有CAE平台的CAD建模能力没有专业的CAD软件强大，且CAE平台的CAD模型大部分都是实际模型的简化处理模型，与实际工程相差较大。

3） CAD软件上实现CAD与CAE的集成：该类集成方式采用统一的数据模型，实现 CAD与 CAE平台的数据集成。可分为以下两种：第一种是现有CAD软件的CAD/CAE的统一平台，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；第二种是是借助CAD软件的二次开发，将CAD模型的几何数据、边界数据等内容自动转换成CAE模型数据，同时集成现有的CAE分析模块进行分析与计算。如：孙立镌等[7]在HUST-CAD造型平台的基础上，研究了一种快速求解基于不同细节层次和抽象层次的实体模型与抽象模型并行创建的方法。该类集成方式具有数据统一、使用方便等优点，但不足之处在于：CAE功能过于简单，如须完成复杂的有限元分析计算，则需要集成第三方的专业化CAE软件平台；CAD的开发缺少灵活性；系统适用范围较窄，只能解决某个特定的应用问题等。

4） 组件式的CAD与CAE集成：基于几何造型组件（如 ACIS、Parasolid等）和图形显示组件（如Hoops等），自主开发CAD软件平台，管理CAD几何模型模型，以独立CAD/CAE数据结构、附加CAE属性、CAD/CAE共享模板、CAD/CAE集成数据库等方式统一管理CAD/CAE模型数据，同时借助第三方CAE分析工具的二次开发，可方便地实现强大的有限元分析与计算功能。该类集成方式具有开发灵活、能满足多数行业的需求，且借助第三方 CAE平台可实现强大的有限元分析与计算功能等优点，但存在开发周期较长等不足之处。

为了研究港口码头三维结构CAD/CAE集成技术，提高 CAD/CAE的集成化程度，减少受CAD二次开发技术的限制，本文采用组件式的CAD/CAE集成，通过几何造型、图形显示引擎等组件开发CAD/CAE集成系统，CAE计算核心采用第三方CAE工具进行计算。

在港口码头三维结构 CAD/CAE集成技术中，关键需要解决结构CAD几何模型生成CAE单元模型、工程荷载CAD模型创建CAE荷载模型、CAE分析结果与CAD模型的关联关系等问题。考虑到模板的模型独立性、规则性、可执行性等特性，本文通过研究基于模板的港口码头三维结构CAD/CAE集成技术，定义截面草图、三维实体、构件等多种CAD建模模板，定义机械草图、荷载等多种荷载建模模板，定义 CAE分析规则实现CAD几何模型自动生成CAE单元模型的功能，定义荷载转换规则实现工程荷载CAD模型自动创建 CAE荷载模型的功能，定义整体模型模板建立CAE分析结果与CAD模型的多对一关系，以此实现港口码头三维结构 CAD/CAE集成系统，大大提高港口码头的设计效率，降低设计人员的设计难度，减少设计错误。

1 基于模板的CAD/CAE集成技术

从模板特性入手，分析港口码头三维结构CAD/CAE集成框架，以此定义港口码头三维结构CAD/CAE集成相关的模板对象，定义模板规则，解决港口码头三维结构CAD/CAE集成中结构建模、工程荷载建模、结构CAD几何模型生成CAE单元模型、工程荷载CAD模型创建CAE荷载模型、CAE分析结果与CAD模型的关联关系等问题。

1.1 模板特性

在港口码头三维结构CAD/CAE集成中，主要存在自动建立CAE单元模型、自动建立CAE荷载模型、自动处理分析结果并建立与CAD模型之间的联系等3方面问题。在利用模板解决上述问题时，应考虑以下6个特性：

1） 模型独立性：模板技术在解决港口码头三维结构CAD/CAE集成中的自动建立CAE单元模型、自动建立 CAE荷载模型等问题时，涉及创建结构CAD模型、CAE单元模型、荷载CAD模型、CAE荷载模型等多种模型，因此，模板定义应是模型独立的。

2） 规则性：模板定义应支持规则的定义，通过规则可以定义自动建立 CAE单元模型、自动建立CAE荷载模型等执行方式。

3） 可执行性：在模板定义的对象生成时，模板所定义的规则应是可解析并自动执行的，并生成预计的结果。

4） 组合性：在定义港口码头三维结构CAD/CAE集成模板时，考虑到码头结构、码头荷载等内容多层次问题，模板应能支持组合特性，即通过多种基本模板定义复合模板。

5） 非交叉性：在模板的定义过程中不能出现与其它模板交叉引用的问题，以此避免模板执行过程中的死循环问题。

6） 继承性：在定义港口码头三维结构CAD/CAE集成模板时，由于码头结构、码头荷载等内容中同时存在基本特性描述的对象与具体特性描述的对象，因此，在定义模板对象时应考虑模板之间的继承性，定义特例模板继承自基本模板，同时描述具体特性。

1.2 模板定义分析

在港口码头CAD模型中，包含结构CAD模型、荷载CAD模型、工况组合等内容。

在结构CAD模型中，定义构件模板描述具体的构件对象，定义特征模板描述构件上的孔、洞特征对象，定义三维实体模板描述构件的现浇或预制三维实体块，定义截面草图模板描述三维实体块的扫掠截面信息，定义几何图元模板描述构件截面的几何元素信息，如图1所示。

图1 结构CAD/CAE集成框架

在荷载CAD模型中，定义荷载模板描述工程荷载对象；由于工程荷载对象又可分为机械荷载与非机械荷载两类，其中，机械荷载可由单轮轮胎、双轮轮胎、支腿、车钩等基本机械元素通过定位信息组装而成，因此，定义机械草图模板描述机械工程荷载信息，定义机械图元模板描述单轮轮胎、双轮轮胎、支腿、车钩等基本机械元素。

工况组合是港口码头结构 CAE分析的基本荷载组合单元，定义工况组合模板描述 CAE分析时的荷载组合信息。

在港口码头CAE模型中，包含CAE单元模型、CAE荷载模型、构件分析结果等内容。

CAE单元模型由结构 CAD模型根据 CAE分析规则自动转换而成，转换流程如图2所示。

CAE荷载模型由荷载CAD模型根据荷载转换规则自动转换而成，转换流程如图3所示。

由于构件分析结果须对应具体构件CAD模型，分析结果内容可由网格数据、位移数据、应力数据、弯矩数据、轴力数据、剪力数据等组成，因此，本文定义构件结果模板来描述构件分析结果数据信息。

在港口码头结构CAD/CAE集成框架中，由于1个CAD模型可对应多个CAE模型，因此，本文定义整体模型模板来描述CAD模型与CAE模型的一对多的关联关系。

在港口码头结构CAD/CAE集成框架中，除了定义 CAE分析规则、荷载转换规则之外，本文还须定义解决定位、创建、编辑等问题的规则，具体包括解决模块对象定位问题的定位规则、解决模块对象创建、编辑等交互操作问题的造型规则、解决截面草图模板对象与机械草图模板对象参数化求解问题的求解规则、解决定义整体模型模板对象的 CAE分析参数及边界条件等问题的模型简化规则、解决构件模板对象空间碰撞问题的碰撞规则、解决特征操作问题的特征规则等。

图2 CAE单元模型创建流程图

图3 CAE荷载模型创建流程图

1.3 模板对象

模板对象，如图4所示。

图4 模板对象

1） 几何图元模板：定义直线、矩形、圆等几何图元的建模、交互等操作。

2） 机械图元模板：定义单双轮轮胎、支腿、车钩等机械图元的建模、交互等操作。

3） 截面草图模板：定义草图截面的建模、定位及求解等操作。

4） 机械草图模板：定义草图机械的建模、定位及求解等操作。

5） 荷载模板：定义工程荷载的建模、定位、交互及荷载转换等操作。

6） 工况组合模板：定义港口码头三维结构CAE分析时工况组合定义、管理等操作。

7） 三维实体模板：定义实体模型的建模、定位、交互及特征等操作。

8） 特征模板：定义特征建模、定位及交互等操作。

9） 构件模板：定义构件建模、定位、交互及管理构件分析结果等操作。

10） 构件结果模板：定义查询及管理构件分析结果等操作。

11） 整体模型模板：定义管理模型、自动生成CAE模型、及管理分析结果等操作。

1.4 模板规则

针对模板对象的解释与操作问题，本文定义了多种模板规则，包括定位规则、造型规则、求解规则、CAE分析规则、模型简化规则、荷载转换规则、碰撞规则及特征规则等，其中：定位规则解决模板对象的定位问题；造型规则解决模板对象的创建、编辑等交互操作问题；求解规则解决截面草图模板对象与机械草图模板对象参数化求解问题；CAE分析规则解决构件CAD模型向 CAE单元模型的转换问题；模型简化规则解决整体模型模板对象的 CAE分析参数及边界条件等内容的定义问题；荷载转换规则解决荷载CAD模型向CAE荷载模型的转换问题；碰撞规则解决构件模板对象空间碰撞问题；特征规则解决构件模板对象特征操作问题。

2 港口码头三维结构 CAD/CAE集成系统

上述的集成系统框架，如图5所示。

图5 基于模板的CAD/CAE集成系统框架

1） 二维草图模块解决截面草图模板对象、机械草图模板对象的生成问题。

2） CAD建模模块解决港口码头结构构件CAD建模中的创建、交互等问题。

3） 荷载建模模块解决港口码头工程荷载的创建、交互等问题。

4） CAE建模模块解决结构CAE分析模型的分类计算及自动生成等问题。

5） CAE结果分析模块解决CAE分析结果与CAD模型的关联关系建立问题。

3 结 论

本文研究了基于模板的港口码头三维结构CAD/CAE集成技术，定义了截面草图、三维实体、构件等多种CAD建模模板，定义了机械草图、荷载等多种荷载建模模板，定义了 CAE分析规则实现CAD几何模型自动生成CAE单元模型的功能，定义了荷载转换规则实现工程荷载CAD模型自动创建CAE荷载模型的功能，定义了整体模型模板建立CAE分析结果与CAD模型的多对一关系，以此实现了港口码头三维结构CAD/CAE集成系统，大大提高了港口码头的设计效率，降低了设计人员的设计难度，减少了设计错误。

[1]Tiago M B, Scheer S. CAD and CAE integration through scientific visualization techniques for illumination design [J]. Tsinghua Science &Technology, 2008, 13(S1): 26-33.

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