基于动态模式的CAD/CAE 模型重构软件设计及实现*

唐 华，李 申，范帅帅

（西安电子科技大学，陕西西安710071）

引 言

近年来，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计（Computer-Aided Design, CAD）及计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering, CAE）技术在机械行业中已经得到广泛应用。虽然CAD 和CAE系统下的零件信息模型都是三维物体的数字化表示形式，但它们有着很大的差异。此外，各学科CAE 模型异构，统一的CAD 模型难以满足不同学科CAE 模型的要求。因此，当CAD 模型应用于CAE 系统时，需要人为对CAD 模型进行处理以适应不同学科CAE模型的需求[1]。

CAD 模型的处理通常包括细小特征的删除以及模型的分割。Baofu Li 和JinLiu 在2002 年提出了一种细节特征识别和抑制算法。该算法利用基于滚动球的不变半径过渡操作对零件模型边界实体进行过滤[2]。Francesco Bianconi 和Paolo Di Stefano 在2003 年给出了一种零件模型的中间表示机制[2]。该机制首先识别出零件中所有的细节特征，然后把它们作为标签插入到零件的边界表示中指示细节特征的出现。这种包含细节特征信息的表示方法可以用于指导加工特征的识别以及分析模型的建立，实际上起到了简化模型的作用[2]。

目前模型处理的主要方法有：

1）在CAE 环境中简化模型。该方法通过系统自身提供的布尔运算等模型操作，将冗余特征删除或做其他处理。虽然现有的CAE 商用软件都具有一定的建模能力，但其建模能力普遍偏弱，无法与CAD 软件相比，对于形状复杂、零部件数量多的产品，其建模工具远不能满足现实产品的建模需求。同时，若模型在导入系统时已出现破损，那么很难利用CAE 有限的模型操作函数对其进行修补。

2）在CAD 环境中进行手动简化。利用CAD 环境中强大的模型操作功能和技术人员的设计经验进行模型简化，但在处理工程庞大或结构复杂的工作时，其效率相对较低[1-3]。

本文提出了一种基于动态模式的CAD/CAE 模型重构方法。从CAD 模型中提取对应于特定CAE分析所需的元数据，构建包含CAD 模型与多学科CAE 元数据的通用信息模型[3-4]，在此基础上动态选择模型处理规则与全过程知识，实现不同CAE 模型之间的智能转换与匹配。该方法解决了机电产品CAD/CAE 高效数字化建模、全过程知识与机电耦合模型融合的难题，为面向全过程的机电产品综合设计提供了有效的技术手段。

1 设计原理

基于动态模式的CAD/CAE 模型重构方法的基本思想如图1 所示。首先提取三维CAD 模型的数据列表，封装三维CAD 模型对象的处理行为；然后建立CAD 模型数据与处理行为之间的映射关系，将不同的关系定义为集成规则；最后面向不同学科CAE模型的需求，实现处理模式的动态选择，解析所选模式中包含的集成规则，实现面向多学科的动态模式下的CAD/CAE 模型重构[4]。这里的不同模式就是包含了不同集成规则的组合形式。

图1 基本思想

2 技术方案

2.1 CAD 模型数据对象的构建

不同学科的CAE 分析需要不同的CAE 模型，从统一的CAD 模型快速而准确地获取不同的CAE模型是CAD/CAE 集成建模的关键点。首先需要构建三维CAD 模型的数据对象集合（流程如图2 所示）；然后通过商品化CAD 软件的应用程序编程接口（Application Programming Interface, API）获取三维模型中的信息数据。这些信息数据主要包含特征信息、零部件信息和元数据信息，每一个组件都有可能包含这3 类信息。特征信息指零部件中包含的形状特征列表；零部件信息指产品零件、部件列表；元数据信息指三维模型中用于构建CAE 模型的基本元数据，如零件的材料、特殊位置的坐标信息等。通过程序提取模型中的数据，根据产品整机模型的结构组成构建CAD 模型数据对象。

图2 CAD 模型信息提取流程

2.2 CAD 模型处理知识经验的模式化

面向不同的学科CAE 分析需求，需要对统一的CAD 模型数据对象进行不同的处理。将专家的知识和经验模式化，从具体的实现与最终的应用角度出发，将CAD 模型处理的知识和经验封装为4 个层次：

1）应用层。该层次面向普通用户，采用最顶层的接口。用户不需要关心如何实现下层的内容，只需要选择需要构建CAE 模型的处理模式，即可实现面向不同学科的CAE 模型的动态创建。

2）表示层。该层次面向领域专家，将不同学科专家的知识和经验转换为创建模型的集成规则，完成对数据对象操作逻辑的封装。这些集成规则可以在不同学科中重复使用，因而可以提高操作逻辑的使用效率和安全性。

3）逻辑层。该层次面向领域专家，定义模型数据对象的操作逻辑。

4）实现层。该层次由程序开发人员实现。通过封装商品化CAD 软件（如Creo，Catia，NX 等）提供的API 函数，完成对模型数据对象的具体操作。

2.3 面向CAE 模型的动态模式解析与驱动

根据不同学科对CAD 模型的处理需求，构建处理模式库和集成规则库；通过处理模式、集成规则的动态选择与驱动生成多视图的CAE 模型，具体流程如图3 所示。

图3 动态模式解析与驱动流程

基于产品的三维CAD 模型，通过数据提取得到组件、特征数据和用于CAE 脚本的元数据。针对组件和特征数据，可以通过以下3 种方式完成处理模式的设置：

1）从处理模式库中选择已定义好的模式；

2）动态创建处理模式，从集成规则库中检索规则实现新建处理模式的规则映射；

3）直接通过集成规则生成器完成模型数据对象的规则化处理。通过对模型集成规则的解析，获取模型的操作逻辑，根据映射的CAD 处理API 接口完成模型操作，得到处理后的中间模型文件。CAD 模型中的元数据用于构建CAE 参数化脚本，驱动CAE 脚本结合中间模型最终生成需要的CAE 模型[5-6]。

3 软件实现

软件是实现模型重构的关键。本次采用Creo6.0软件的API 接口进行二次开发设计及实现，采用对话框进行人机交互。CAD/CAE 模型重构软件分为3大功能模块：集成规则管理、处理模式管理和模型重构处理及输出。CAD/CAE 模型重构软件设计在充分考虑快速高效地实现模型重构功能的同时，还系统地考虑了系列化、模块化、通用性以及可维护性，从而将整个系统软件划分成一系列既相互独立又密切合作的模块，共同形成一个基于Creo6.0 的具有很强通用性的软件平台。

3.1 集成规则管理

集成规则是CAD 模型数据与处理行为之间的映射关系，是对模型的具体操作行为。将不同学科专家的知识和经验转换为创建模型的集成规则，完成对数据对象操作逻辑的封装，可以在不同学科中重复使用这些集成规则。对集成规则的管理主要包括创建规则、插入规则、修改规则和删除规则，通过以上命令对规则进行操作。例如，在某些领域的CAE模型中，对小于一定半径的圆角可以忽略[2,7]，可以创建如下规则：特征= 圆角，值≤R（设定值），操作= 隐藏。各学科专家的知识和经验构成不同的规则，呈现出来供用户选用，多条规则组成一组集成规则。

3.2 处理模式管理

处理模式主要面向不同学科领域的CAE 模型，它包含不同集成规则的组合形式。对处理模式的管理主要包括新增模式类别、插入、修改及删除。常用模式（如结构、电磁、热等学科）可以根据需求添加模式或者创建多学科交叉处理模式。不同模式下集成了多条规则，在处理模式下也可以实时进行规则的修改、删除等操作。

3.3 模型重构处理及输出

通过商业CAD 软件的API 接口（如Creo6.0 的二次开发接口）进行操作[8-9]。选择或创建好集成规则和处理模式之后，解析驱动面向CAE 的动态模式以及规则，通过调用内部函数完成模型数据的检索、提取和过滤。遍历到对应的特征按照规则进行处理。例如，Creo6.0 的ProMdlCurrentGet()函数（获取当前模型句柄）、ProSolidFeatVisit() 函数（遍历和过滤模型特征）和ProSimprepCreate()函数（创建简化表示），把处理好的模型导出为STEP 等标准的数据模型，通过专业的CAE 软件进行下一步操作[2,9]。

4 应用实例及结果展示

4.1 应用“结构CAE”模式处理模型

应用“结构CAE”模式处理天线阵面、背板与整机模型，创建处理模式过程主要包括：1）创建模型的操作逻辑，如对特征类型为圆角的操作逻辑为隐藏；2）根据操作逻辑动态创建集成规则；3）完成处理模式与集成规则的动态映射[10-11]。

图4 为应用“结构CAE”模式处理的天线阵面、背板与整机模型的对比效果。

图4 天线模型处理效果

“结构CAE”模式包含“细小特征处理规则”，该规则映射的操作逻辑如下：

1）特征.类型=拉伸&&特征.尺寸＜2 mm&&操作=忽略；

2）特征.类型=倒圆角&& 操作=忽略；

3）特征.类型=孔&& 特征.尺寸＜2 mm &&操作=忽略。

4.2 应用“热CAE”模式处理模型

为了使CAD 建模方便快捷，对印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）之类的模型，通常连同上面的电器元件一起建模。但因基板和元器件为一个整体，对PCB 板进行热分析时，无法达到分析目的。这里采用分割法，把基板上的电器元件与基板分割开（原件位置保持不变），基板与原件相互独立，再进行热分析，这样就可以准确快速地达到目的。

应用“热CAE”模式处理PCB 板整体模型，创建处理模式过程主要包括：

1）创建模型的操作逻辑，如对实体特征的操作逻辑为分割；

2）根据操作逻辑动态创建集成规则；

3）完成处理模式与集成规则的动态映射。

图5 为应用“热CAE”模式处理PCB 板整体模型的对比效果。其中，图5(a)为处理前的PCB 板，各电器元件与基板为一个整体，图5(b)为处理后的PCB 板1，各元件在初始位置相对于基板独立存在，图5(c)为处理后的PCB 板2，基板相对于各元件独立存在。“热CAE”模式包含“分割特征处理规则”，该规则的映射操作逻辑如下：

1）特征.类型=实体&& 操作=分割；

2）特征. 类型= 去除材料的特征&& 操作=忽略。

图5 PCB 板模型处理效果

5 结束语

本文介绍了基于动态模式的CAD/CAE 模型重构软件的设计与实现。根据模块化的软件设计思想，结合功能需求，划分了软件的各部分功能模块，对软件的设计思想和各部分的实现原理进行了详细描述。

以前采用既定规则和模糊判定的方法来处理模型，不仅灵活性差，而且不能从统一的CAD 模型中快速提取各学科的CAE 模型。与此不同，本文对大量的专家知识和经验进行了集成和封装，帮助一般用户方便快捷地进行模型处理，极大地提高了工作效率。对天线阵面、背板、整机模型以及PCB 板整体模型进行的处理表明，该软件运行良好，满足在动态规则和模式下对CAD/CAE 模型重构的要求，可广泛应用于多学科CAD/CAE 模型重构。

本文对CAD/CAE 模型重构进行了研究和探讨，并取得了一些成果，但仍存在不足之处。今后将在以下方面开展深入研究：

1）实现CAD/CAE 平台的集成。在统一平台下实现CAD 模型与CAE 模型的关联，一旦CAD 模型被修改，CAE 模型就会同步更新。这将显著提高有限元建模的效率，节省大量人工处理时间。

2）解决CAD 模型处理后的选择性恢复问题。出于对零件模型细节局部分析的要求，有时需要对部分被抑制掉的微小特征进行选择性恢复。另外，出于对不同学科CAE 模型的不同要求，也需要对已被抑制掉的微小特征进行选择性恢复。