基于MicroStation的CAE数据接口与一体化

文｜刘臻熙 王国光

目前，工程三维设计在水电水利行业已经得到了广泛的应用。各种各样的CAD软件层出不穷，参数化设计已成为CAD软件发展的一大方向。与此同时，CAE技术的飞速发展，特别是有限单元法在包括工程岩土计算、三维结构力学分析、静力平衡、温度场分析等领域的广泛应用，是工程数值分析方法研究的重大突破性进展。

随着CAD技术的日趋成熟，设计人员迫切需要一种对所做设计进行精确评价和分析的工具，借助CAE软件来实现工程评价和分析是行之有效的方法。但CAD、CAE是相互独立发展起来的，模型兼容性和数据互通都存在一定的限制。目前CAD/CAE集成的主流方法是首先利用参数化等建模技术在CAD中快速建立三维实体模型，然后通过数据接口导入到CAE系统中进行有限元分析，分析结果即时反馈给工程设计人员，指导、修改、优化设计方案。然而在实际操作中由 CAD 模型导入 CAE 系统中往往会出现信息丢失的情况，直接用标准中间格式转换模型会存在各种各样的问题。因此，根据实际应用情况开发CAD系统与CAE系统的模型数据接口是实现CAD/CAE集成分析技术的关键所在。

MicroStation是一个可互操作、基于参数化设计技术的大型三维CAD软件，极大地方便了模型的设计和修改，显著提高了设计的效率和质量。在CAD端对CAE分析结果的后处理和展示是CADCAE一体化集成展示的重点。

MicroStation与ANSYS数据接口

ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它广泛应用于土木、机械、机电、航空等领域。在结构分析中，它能进行静力、模态、动力、几何与材料非线性分析，可模拟各种连接关系及边界条件，并且能对结构设计目标进行优化设计。

在应用ANSYS 进行有限元分析中，有限元建模耗费了工程技术人员大量的时间与精力。虽然ANSYS带有自建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一些相对简单的模型。因此，MicroStation与ANSYS二者的结合使用，充分利用MicroStation快速准确建模的特长，就可以很好地解决ANSYS 建模能力的不足。研究ANSYS与CAD 造型软件的快速方便的接口，能有效提高建模速度，提高模型质量，简化分析工作，对工程技术人员来说意义十分重大。

ANSYS 最值得推崇的是其可编程特性，它配有命令组与APDL语言，可便于用户进行二次开发，从而拥有了与任何高级计算机语言的一个接口，使其与MicroStation之间的数据互通成为可能。MicroStation和ANSYS数据接口所涉及的功能主要包括几何模型、材料定义、网格数据及计算结果在两者之间的转换。

模型数据接口

一个结构分析模型由几何模型数据(几何拓扑与几何参数)、材料截面数据、荷载数据与约束数据(边界条件)构成。几何数据与材料截面数据描述结构的构成及定位定形; 荷载数据与约束数据描述环境对结构的作用。

几何模型交互。ANSYS 提供了与大多数CAD 软件进行数据共享和交换的图形接口，ANSYS 自带的图形接口能识别IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG 等标准的文件，通常使用的有IGES和ParaSolid文件。MicroStation同样提供了很多通用标准的图形接口，使用这些接口很简单，只需要在建好模型之后，使用导出命令直接导出即可。对于IGES和ParaSolid文件，MicroStation能够直接导出。

从MicroStation导入几何模型到ANSYS中有两个途径：从本地选择导入和从ProjectWise选择导入。

图1 几何模型交互

在导入模型之后，为了进一步适应仿真计算的要求，避免求解分析过程耗时长、分析结果偏差大等问题，需要在ANSYS的DesignModeler模块中进行几何模型的简化、修改等处理。处理完成的模型应该符合以下要求：一是去掉分析影响比较小的几何特征，比如小孔、碎面等小特征；二是对复杂的拓扑形状进行几何切块，目的是在网格划分时形成高质量的六面体网格；三是检查各部件的命名，不同材料需要用不同的名称进行区分，且部件名称不能含有空格。

材料定义模板包含材料库定义和部件材料定义两部分。材料库提供了水利工程仿真中常用的材料定义的模板，支持线弹性材料、双线性材料、混凝土材料和岩土材料四种本构类型材料的定义，每种材料都具有相应的材料参数可供设置。

定义并加载材料模板之后，需要对模型的各部件指定相应的材料类型，即从材料库中选择各自对应的材料。完成之后，系统自动转换APDL文件，供下一流程调用。

图2 材料库定义

分析结果数据接口

在完成几何模型导入、处理及材料定义等流程之后，即开始进行约束边界定义、载荷定义，并对模型进行网格划分操作。网格划分完成之后，执行求解分析计算并查看相关计算结果。以上所有流程均在ANSYS中完成。

图3 CAE分析流程

分析结果数据主要包括文本格式的计算网格数据，用于支持MicroStation的三维有限元网格展示；文本格式的网格节点分析结果数据，用于在MiroStation的专题彩色云图等展示。

网格数据文件包括有限元网格的节点数据、单元拓扑数据；分析结果文件包括网格节点的分析结果，主要有x/y/z三向的正应力、正应变及位移、xy/xz/yz三向剪应力剪应变、1/2/3三个主应力和总位移。

图4 分析结果文件

文件生成完毕后，自动调用打包程序进行打包并上传至ProjectWise。至此完成MicroStation与ANSYS的接口数据互通过程。

MicroStation的CAE集成展示

通过MicroStation与CAE软件的数据接口开发，能够从CAE软件中提取分网、计算分析结果等数据，并为在MicroStation中集成显示CAE分析数据提供技术支撑。以MicroStation集成显示ANSYS分析数据为例，解决方案从数据导入、数据存储、有限元表达、分析结果云图显示等方面展开。

在MicroStation中，有限元对象并没有特定的元素类型。Mesh元素类型只能够表达有限元网格面片或二维单元构成的有限元对象，但无法表达有限元网格的三维立体单元(四面体、六面体等) 。MicroStation的106元素是自定义元素类型，通过它可以扩展定义任何复杂元素类型。基于该类型创建的有限元特定类型能够解决有限元网格表达的问题。

图5 有限元对象类型

MicroStation/ANSYS接口最终输出文件包括网格模型文件(.cdb)和分析结果文件(.xml)，cdb文件是有限元网格模型文件，文件中有网格的节点、单元拓扑、单元类型等数据信息，xml文件是结果文件，主要包括分析结果类型和分析结果数据。MicroStation不能直接导入它们，必须将它们转换成标准的sqlite数据（.edb）。在Sqlite edb文件中建立七张表，分别是节点数据表(NODES)、单元拓扑表(ELEMENTS)、单元类型表(ELETYPE)、网格面片表(FACETS)、表面面片表(EXTERIOR)、结果类型表(RSTTYPE)和分析结果表(RESULTS)。通过这些数据表，MicroStation能够结合106元素无缝地表达有限元对象并存储各类数据。

图6 sqlite 数据表

MicroStation的有限元对象可以以网格节点和网格单元两种不同的方式显示。节点绘图以点集的绘制表达网格节点；单元绘图通过提取表面面片绘制的方式表达网格单元，对内部的单元和面片不绘制，大大提升了有限元图形显示效率。

图7 有限元对象显示

MicroStation有限元分析结果展示主要是以渐变图、条状图、等值线图等手段展示模型的CAE分析结果。

MicroStation的专题显示功能(Thematic Display)能对模型的高程、坡度坡向、日照阴影等属性生成彩色云图，这些属性都与模型的几何特征有关。然而CAE分析的结果往往以特征值的方式存储在网格节点或面片上，与模型的几何特征无关。MicroStation的CAE分析结果展示技术是以基本专题显示为基础，通过开发拓展专题显示的领域，使其支持基于有限元网格节点特征值的云图展示。

分析结果展示内容主要有x/y/z三向的正应力、正应变及位移、xy/xz/yz三向剪应力剪应变、1/2/3三个主应力和总位移，显示样式包括光滑显示、精确条带显示、等值线显示、快速云图显示、等值线+快速云图等。下图展示了岔管模型的CAE分析结果在MicroStation中的多种方式展示。

图8 MicroStation的CAE分析结果云图展示

除此之外，基于MicroStation剖切工具扩展的有限元动态剖切面工具能够对CAE分析结果动态剖切查看，通过具体剖切算法还原剖面上的模型内部分析结果。随着剖切位置的动态变化，相应的网格内部信息也会实时计算并显示。切面可以沿着XY平面、YZ平面、XZ平面三个方向。

图9 动态剖切面查看内部数据

MicroStation集成展示CAE分析模型能够使CAD的几何模型与CAE分析模型在同平台中一体化展示，下图案例为某大坝分析模型与地质三维模型的一体化展示。

图10 CADCAE一体化集成展示

软件开发走系统集成的路线，可取得开发周期短、效率高、博采众长的效果。选择国际上较为成熟的通用软件，将其本地化、专业化，并在常用软件间建立接口，是解决工程软件发展需要的一条捷径。目前MicroStation与ANSYS的接口技术已趋于成熟，对于ANSYS的分析模型能够方便地与MicroStation进行数据互通、集成展示。除此之外，Itasca公司的Flac3D、Abqus等主流CAE软件在工程分析特别是岩土分析中应用也很广泛，这类软件的接口问题是基于MicroStation的CADCAE一体化下一步需要解决的重点。