面向CAE分析的CAD模型轉(zhuǎn)換研究

面向CAE分析的CAD模型轉(zhuǎn)換研究

  近20多年來,有限單元法是求解偏微分方程一種十分有效的數(shù)值方法,隨著數(shù)值算法的研究深入和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,關(guān)于有限元方法的研究也取得了很大的進(jìn)展,并在各領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用,獲得了巨大的成功和顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。由于有限單元法分析功能強(qiáng)、適應(yīng)面寬、可靠性高,在國際上贏得了廣大用戶。作為CAE的主要分析方法,該方法已漸漸成為了一種規(guī)范性的分析方法,變成了CAE的代名詞。

  然而,人們也逐漸看到了它在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。許多人在使用有限元法進(jìn)行分析時(shí)認(rèn)為,只要使用成熟、經(jīng)過考驗(yàn)的商業(yè)軟件在性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,就能獲得正確可靠的計(jì)算結(jié)果。國內(nèi)外的大量長期實(shí)踐已經(jīng)證明,這種想法將會(huì)鑄成大錯(cuò)。在利用有限元法進(jìn)行分析時(shí),首要的任務(wù)是根據(jù)物理模型(如設(shè)計(jì)藍(lán)圖)構(gòu)建CAD模型,再通過各種商用有限元軟件如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、ADINA、ABAQUS等在CAD模型的基礎(chǔ)上建立有限元計(jì)算模型。分析的成功與失敗直接取決于模型轉(zhuǎn)換質(zhì)量的好壞。實(shí)踐證明,為了獲得正確合理的計(jì)算模型,不僅需要對分析對象的物理特性和工作環(huán)境有清晰的認(rèn)識(shí),而且分析人員本身也必須具備堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ),并對分析軟件的功能、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍有深入的了解。因此,如何快速有效并準(zhǔn)確地建立有限元計(jì)算模型一直是當(dāng)代有限元技術(shù)的發(fā)展方向。

  1 CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)及意義

  考察面向CAE分析的CAD模型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)和過程,可以看出,模型轉(zhuǎn)換在產(chǎn)品全數(shù)字化開發(fā)過程中具有以下特點(diǎn):

  (1)避免了重復(fù)建模。對于設(shè)計(jì)時(shí)所獲得的產(chǎn)品CAD模型,直接在此基礎(chǔ)上略做適于有限元分析的模型修正就可進(jìn)行CAE分析,尤其對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品零件,可節(jié)省大量建模時(shí)間(不希望重新建模,且一般CAE軟件的建模方法和功能不及CAD軟件)。

  (2)保證了CAE分析的可靠性。CAD模型中通常含有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和制造信息等,這些信息不一定與CAE分析有關(guān),為保證CAE過程中的分析精度及計(jì)算效率,模型轉(zhuǎn)換中對于這些信息的處理也是必要的。

  (3)滿足CAD/CAE/CAM集成的需要。如圖1,CAD的作用是形成數(shù)字化產(chǎn)品;CAE是對數(shù)字化產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析或仿真,其目的是在產(chǎn)品樣機(jī)實(shí)現(xiàn)以前,對設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面預(yù)測和優(yōu)化,以減少物理樣機(jī)的制作和試驗(yàn)次數(shù),并提高產(chǎn)品性能;CAM則是對產(chǎn)品制造進(jìn)行設(shè)計(jì),形成產(chǎn)品加工的工藝過程和數(shù)控代碼,并利用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行制造。CAD、CAE、CAM 3種方法和手段的集成,能夠大大提高產(chǎn)品的研發(fā)速度和質(zhì)量。

  圖1 CAD/CAE/CAM集成開發(fā)流程

  2 CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換中的處理手段

  考慮到有限元分析中有模型計(jì)算的特點(diǎn),在CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的過程中,主要需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作。

  2.1 CAD三維實(shí)體模型的簡化

  盡管目前大型有限元分析軟件都提供了與CAD軟件的接口,但在多數(shù)情況下,CAD的模型往往不適合直接用于有限元分析,需要對CAD三維實(shí)體降維、對稱化以進(jìn)行模型簡化及修改。

  2.1.1 模型的降維

  降維就是要用具有高維實(shí)體屬性的低維實(shí)體表示高維實(shí)體。降維處理的目的是在滿足分析要求的情況下,減少求解方程的個(gè)數(shù),縮短計(jì)算時(shí)間。其中,可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板,如在機(jī)床床身靜剛度分析中,通過用具有一定厚度的二維單元(shell單元)來模擬床身壁和床身結(jié)構(gòu)中的筋板。也可用具有截面性質(zhì)的直線表示一塊狹長的區(qū)域。在對圖2所示的軸類零件的撓度進(jìn)行分析時(shí),可用桿梁單元來代替具有復(fù)雜幾何特征的模型進(jìn)行除維。

  圖2 軸類零件撓度分析時(shí)的降維處理

  降維處理主要涉及到以下幾個(gè)方面:降維特征的表示;特征降維的分析判斷;降維特征與原型特征的映射關(guān)系;特征降維的非流形性等。

  2.1.2 對稱模型的簡化

  在建立有限元分析模型時(shí),對于具有幾何對稱性的物體,可以取其一部分進(jìn)行分析,得到的分析結(jié)果可以推廣到整個(gè)實(shí)物模型。如圖3所示的錨具錨固性能分析。CAD模型中的特征為判別幾何對稱性提供了有利條件,可以直接從模型特征的高層語義信息對幾何形狀進(jìn)行對稱性識(shí)別。例如對于光軸這個(gè)概念,從其特征定義可以知道它是幾何軸對稱的,而不需要通過檢查低層的幾何元素是否對稱來判斷整體的對稱性。對于不能從高層語義信息進(jìn)行幾何對稱性判斷的情況,再從模型特征的低層次幾何信息(包括點(diǎn)、線、面以及特征的生成方式)進(jìn)行對稱性判斷。

  圖3 錨具分析中對稱模型的簡化

  2.2 為減少解題規(guī)模所做的簡化

  有限元分析的計(jì)算精確度取決于計(jì)算模型中所選用單元的質(zhì)量、求解控制方程數(shù)值方法的精確度以及離散化的方式,具有需要輸入大量不同屬性的數(shù)據(jù)、解空間大,需要對解進(jìn)行逐步精化和求解,以及對計(jì)算結(jié)果解釋評(píng)價(jià)的特點(diǎn)。這些都決定了CAE分析本身就是計(jì)算量大,求解復(fù)雜的過程,如能在模型轉(zhuǎn)換中充分考慮到為減少解題規(guī)模而采取簡化,將會(huì)大大提高求解速度和求解質(zhì)量。

  2.2.1 對稱性和反對稱性的運(yùn)用

  與對稱模型的幾何性簡化相比,這種簡化更多考慮的是約束上的對稱性及反對稱性。如圖4所示。

  圖4 對稱性和反對稱性的運(yùn)用

  2.2.2 周期性條件的運(yùn)用

  工程中的許多構(gòu)件特征具有周期性出現(xiàn)的特點(diǎn),可根據(jù)具體分析的需要進(jìn)行求解上的簡化。例如在圖5所示的葉輪分析中,可只取一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行分析。

  圖5 12個(gè)葉輪葉片一取3001個(gè)扇區(qū)

  2.3 除掉與分析無關(guān)的細(xì)節(jié)特征

  刪除細(xì)節(jié)特征就是將對應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征刪除。在有限元分析中,刪除影響較小的細(xì)節(jié)可以減少計(jì)算量和求解時(shí)間等,而不會(huì)影響到分析結(jié)果的精度。如模型中圓倒角特征的刪除。在特征造型中,可以刪除的細(xì)節(jié)都是以特征的形式表達(dá),這就為判斷可以刪除的細(xì)節(jié)帶來方便。由于特征包括幾何信息和非幾何信息兩個(gè)方面,所以細(xì)節(jié)特征的刪除也涉及到幾何和非幾何兩個(gè)方面。非幾何細(xì)節(jié)因?yàn)椴皇悄Ｐ偷膸缀味x部分,只要取消其與幾何的聯(lián)系就可將它們刪除。對于幾何細(xì)節(jié)的刪除,首先從高層的語義信息進(jìn)行判斷。譬如圓角特征,系統(tǒng)得到這個(gè)信息,可以不再進(jìn)行幾何分析,直接將圓角特征從模型中刪除;然后從低層的幾何信息進(jìn)行判斷,通過幾何計(jì)算或與經(jīng)驗(yàn)相匹配等方法,識(shí)別出該幾何細(xì)節(jié)可以忽略掉,于是從模型中將之刪除。

  3 CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)流程

  首先使用用特征造型在CAD系統(tǒng)中建立分析對象的幾何模型。然后采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分參數(shù)對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再將所獲得的網(wǎng)格數(shù)據(jù)(節(jié)點(diǎn)和單元)通過有限元模型接口轉(zhuǎn)換程序輸出到CAE系統(tǒng)中,最后在CAE系統(tǒng)中重構(gòu)該有限元模型。通過編制模型轉(zhuǎn)換接口程序(網(wǎng)格劃分并獲得單元和節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)),可實(shí)現(xiàn)有限元模型從CAD系統(tǒng)到CAE系統(tǒng)“零失真”的轉(zhuǎn)換。

  圖6 CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)流程

  圖6(a)中將CAD中幾何模型導(dǎo)入到CAE系統(tǒng)中,存在數(shù)據(jù)信息的丟失和冗余,如:只有線框模型,有的只有面模型,需要重新構(gòu)造面和實(shí)體。面與面之間可能產(chǎn)生縫隙,需要對模型進(jìn)行復(fù)雜的修補(bǔ),非常耗費(fèi)精力。圖6(b)中,采用有限元模型轉(zhuǎn)換代替幾何模型轉(zhuǎn)換。采用這種方法,模型轉(zhuǎn)換前后不存在任何信息的丟失,可以達(dá)到100%的模型拷貝,做到真正意義上的“零失真”轉(zhuǎn)換。

  4 模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制

  為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與分析的集成,需要建立支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制。所謂支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制就是指在CAD模型向CAE模型的轉(zhuǎn)換過程中和CAE結(jié)果向CAD模型的反饋過程中起控制和影響作用的方法和因素。建立支持模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制需要應(yīng)用以下4個(gè)方面的技術(shù):

  (1) 面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)

  面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)前廣泛采用的一種描述客觀實(shí)體的先進(jìn)建模技術(shù),它通過類(class)、對象(object)、繼承性(inheritance)、封裝性(encapsulalion)、多態(tài)性(polymorphism),消息(message)傳遞機(jī)制等手段很好地建立起了對客觀實(shí)體的描述模型。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)特征造型與有限元分析的集成,不但能有效地利用多種手段描述集成過程和管理集成過程,同時(shí)在現(xiàn)有的軟件技術(shù)上也便于程序?qū)崿F(xiàn)。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)有限元分析的重構(gòu)。而現(xiàn)有的CAD造型系統(tǒng)正逐步使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)組織系統(tǒng)、管理系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)。因此,面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換雙向相關(guān)機(jī)制建立的有利手段。

  (2)支持CAD模型和CAE模型的統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)庫

  產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)逐步求精的過程,所以“設(shè)計(jì)一分析一再設(shè)計(jì)一再分析”是一個(gè)反復(fù)的過程。在這個(gè)反復(fù)過程中,設(shè)計(jì)的修改就必須牽動(dòng)分析模型的修改,分析模型的修改也應(yīng)該牽動(dòng)設(shè)計(jì)的修改,設(shè)計(jì)和分析之間數(shù)據(jù)的傳輸和變動(dòng)十分巨大,由此將CAD模型數(shù)據(jù)和CAE模型數(shù)據(jù)放置在一個(gè)統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫中十分重要,一是可以減少數(shù)據(jù)的冗余量和因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而帶來的誤差,二是對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作可以減輕程序的開發(fā)工作量(包括系統(tǒng)開發(fā)和二次開發(fā)),提高程序運(yùn)行的效率。

  (3)CAD模型和CAE模型映射機(jī)制的建立

  為了提高設(shè)計(jì)與分析的自動(dòng)化,減輕工作人員的手工勞動(dòng)量,必須建立CAD模型向CAE模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能以及分析結(jié)果向設(shè)計(jì)的自動(dòng)反饋功能。在CAD模型向CAE模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中,應(yīng)該建立以下幾項(xiàng)功能:基于特征的有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能,基于特征的分析模型簡化功能,基于特征的載荷與邊界條件處理功能,基于特征的問題自定義功能。在分析結(jié)果向設(shè)計(jì)的自動(dòng)反饋過程中,不但要具備圖形顯示分析過程的功能,還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上建立自動(dòng)評(píng)價(jià)體系,并將評(píng)價(jià)的結(jié)果輸入到設(shè)計(jì)模塊中。設(shè)計(jì)與分析映射是建立模型轉(zhuǎn)換響應(yīng)機(jī)制的核心。

  (4)基于人工智能的推理技術(shù)

  在實(shí)現(xiàn)上述的映射機(jī)制過程中,人工智能技術(shù)十分重要,沒有人工智能技術(shù)的支持不可能建立起一個(gè)滿意的自動(dòng)化映射機(jī)制,人工智能技術(shù)在映射過程中起到控制、評(píng)價(jià)和決策的作用。人工智能技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)、知識(shí)推理技術(shù)、模糊推理技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù),只有充分運(yùn)用這些先進(jìn)的控制、決策、評(píng)價(jià)技術(shù),模型轉(zhuǎn)換的雙向相關(guān)機(jī)制才能靈活地運(yùn)作起來,否則就會(huì)陷于呆板和遲滯。

作者:俠名

來源:比特網(wǎng)(http://do.chinabyte.com/473/11572473.shtml)