面向CAE分析的CAD模型转换研究

面向CAE分析的CAD模型转换研究

  近20多年来,有限单元法是求解偏微分方程一种十分有效的数值方法,随着数值算法的研究深入和计算机软硬件技术的飞速发展,关于有限元方法的研究也取得了很大的进展,并在各领域得以广泛应用,获得了巨大的成功和显著的经济社会效益。由于有限单元法分析功能强、适应面宽、可靠性高,在国际上赢得了广大用户。作为CAE的主要分析方法,该方法已渐渐成为了一种规范性的分析方法,变成了CAE的代名词。

  然而,人们也逐渐看到了它在应用中出现的问题。许多人在使用有限元法进行分析时认为,只要使用成熟、经过考验的商业软件在性能优良的计算机上运行,就能获得正确可靠的计算结果。国内外的大量长期实践已经证明,这种想法将会铸成大错。在利用有限元法进行分析时,首要的任务是根据物理模型(如设计蓝图)构建CAD模型,再通过各种商用有限元软件如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、ADINA、ABAQUS等在CAD模型的基础上建立有限元计算模型。分析的成功与失败直接取决于模型转换质量的好坏。实践证明,为了获得正确合理的计算模型,不仅需要对分析对象的物理特性和工作环境有清晰的认识,而且分析人员本身也必须具备坚实的数学力学基础,并对分析软件的功能、优缺点和适用范围有深入的了解。因此,如何快速有效并准确地建立有限元计算模型一直是当代有限元技术的发展方向。

  1 CAD/CAE模型转换的特点及意义

  考察面向CAE分析的CAD模型转换的特点和过程,可以看出,模型转换在产品全数字化开发过程中具有以下特点:

  (1)避免了重复建模。对于设计时所获得的产品CAD模型,直接在此基础上略做适于有限元分析的模型修正就可进行CAE分析,尤其对结构复杂的产品零件,可节省大量建模时间(不希望重新建模,且一般CAE软件的建模方法和功能不及CAD软件)。

  (2)保证了CAE分析的可靠性。CAD模型中通常含有的产品结构、功能和制造信息等,这些信息不一定与CAE分析有关,为保证CAE过程中的分析精度及计算效率,模型转换中对于这些信息的处理也是必要的。

  (3)满足CAD/CAE/CAM集成的需要。如图1,CAD的作用是形成数字化产品;CAE是对数字化产品的性能进行分析或仿真,其目的是在产品样机实现以前,对设计产品的性能进行全面预测和优化,以减少物理样机的制作和试验次数,并提高产品性能;CAM则是对产品制造进行设计,形成产品加工的工艺过程和数控代码,并利用数控设备进行制造。CAD、CAE、CAM 3种方法和手段的集成,能够大大提高产品的研发速度和质量。

  图1 CAD/CAE/CAM集成开发流程

  2 CAD/CAE模型转换中的处理手段

  考虑到有限元分析中有模型计算的特点,在CAD/CAE模型转换的过程中,主要需要进行以下几个方面的工作。

  2.1 CAD三维实体模型的简化

  尽管目前大型有限元分析软件都提供了与CAD软件的接口,但在多数情况下,CAD的模型往往不适合直接用于有限元分析,需要对CAD三维实体降维、对称化以进行模型简化及修改。

  2.1.1 模型的降维

  降维就是要用具有高维实体属性的低维实体表示高维实体。降维处理的目的是在满足分析要求的情况下,减少求解方程的个数,缩短计算时间。其中,可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板,如在机床床身静刚度分析中,通过用具有一定厚度的二维单元(shell单元)来模拟床身壁和床身结构中的筋板。也可用具有截面性质的直线表示一块狭长的区域。在对图2所示的轴类零件的挠度进行分析时,可用杆梁单元来代替具有复杂几何特征的模型进行除维。

  图2 轴类零件挠度分析时的降维处理

  降维处理主要涉及到以下几个方面:降维特征的表示;特征降维的分析判断;降维特征与原型特征的映射关系;特征降维的非流形性等。

  2.1.2 对称模型的简化

  在建立有限元分析模型时,对于具有几何对称性的物体,可以取其一部分进行分析,得到的分析结果可以推广到整个实物模型。如图3所示的锚具锚固性能分析。CAD模型中的特征为判别几何对称性提供了有利条件,可以直接从模型特征的高层语义信息对几何形状进行对称性识别。例如对于光轴这个概念,从其特征定义可以知道它是几何轴对称的,而不需要通过检查低层的几何元素是否对称来判断整体的对称性。对于不能从高层语义信息进行几何对称性判断的情况,再从模型特征的低层次几何信息(包括点、线、面以及特征的生成方式)进行对称性判断。

  图3 锚具分析中对称模型的简化

  2.2 为减少解题规模所做的简化

  有限元分析的计算精确度取决于计算模型中所选用单元的质量、求解控制方程数值方法的精确度以及离散化的方式,具有需要输入大量不同属性的数据、解空间大,需要对解进行逐步精化和求解,以及对计算结果解释评价的特点。这些都决定了CAE分析本身就是计算量大,求解复杂的过程,如能在模型转换中充分考虑到为减少解题规模而采取简化,将会大大提高求解速度和求解质量。

  2.2.1 对称性和反对称性的运用

  与对称模型的几何性简化相比,这种简化更多考虑的是约束上的对称性及反对称性。如图4所示。

  图4 对称性和反对称性的运用

  2.2.2 周期性条件的运用

  工程中的许多构件特征具有周期性出现的特点,可根据具体分析的需要进行求解上的简化。例如在图5所示的叶轮分析中,可只取一个扇区进行分析。

  图5 12个叶轮叶片一取3001个扇区

  2.3 除掉与分析无关的细节特征

  删除细节特征就是将对应力分布只产生较小局部影响的特征删除。在有限元分析中,删除影响较小的细节可以减少计算量和求解时间等,而不会影响到分析结果的精度。如模型中圆倒角特征的删除。在特征造型中,可以删除的细节都是以特征的形式表达,这就为判断可以删除的细节带来方便。由于特征包括几何信息和非几何信息两个方面,所以细节特征的删除也涉及到几何和非几何两个方面。非几何细节因为不是模型的几何定义部分,只要取消其与几何的联系就可将它们删除。对于几何细节的删除,首先从高层的语义信息进行判断。譬如圆角特征,系统得到这个信息,可以不再进行几何分析,直接将圆角特征从模型中删除;然后从低层的几何信息进行判断,通过几何计算或与经验相匹配等方法,识别出该几何细节可以忽略掉,于是从模型中将之删除。

  3 CAD/CAE模型转换的实现流程

  首先使用用特征造型在CAD系统中建立分析对象的几何模型。然后采用适当的网格划分参数对该模型进行网格划分,再将所获得的网格数据(节点和单元)通过有限元模型接口转换程序输出到CAE系统中,最后在CAE系统中重构该有限元模型。通过编制模型转换接口程序(网格划分并获得单元和节点信息数据),可实现有限元模型从CAD系统到CAE系统“零失真”的转换。

  图6 CAD/CAE模型转换的实现流程

  图6(a)中将CAD中几何模型导入到CAE系统中,存在数据信息的丢失和冗余,如:只有线框模型,有的只有面模型,需要重新构造面和实体。面与面之间可能产生缝隙,需要对模型进行复杂的修补,非常耗费精力。图6(b)中,采用有限元模型转换代替几何模型转换。采用这种方法,模型转换前后不存在任何信息的丢失,可以达到100%的模型拷贝,做到真正意义上的“零失真”转换。

  4 模型转换的双向相关机制

  为了更好地实现设计与分析的集成,需要建立支持模型转换的双向相关机制。所谓支持模型转换的双向相关机制就是指在CAD模型向CAE模型的转换过程中和CAE结果向CAD模型的反馈过程中起控制和影响作用的方法和因素。建立支持模型转换的双向相关机制需要应用以下4个方面的技术:

  (1) 面向对象的建模技术

  面向对象技术是当前广泛采用的一种描述客观实体的先进建模技术,它通过类(class)、对象(object)、继承性(inheritance)、封装性(encapsulalion)、多态性(polymorphism),消息(message)传递机制等手段很好地建立起了对客观实体的描述模型。采用面向对象技术实现特征造型与有限元分析的集成,不但能有效地利用多种手段描述集成过程和管理集成过程,同时在现有的软件技术上也便于程序实现。采用面向对象技术实现有限元分析的重构。而现有的CAD造型系统正逐步使用面向对象技术组织系统、管理系统并进行系统设计和开发。因此,面向对象建模技术是实现模型转换双向相关机制建立的有利手段。

  (2)支持CAD模型和CAE模型的统一工程数据库

  产品的设计是一个逐步求精的过程,所以“设计一分析一再设计一再分析”是一个反复的过程。在这个反复过程中,设计的修改就必须牵动分析模型的修改,分析模型的修改也应该牵动设计的修改,设计和分析之间数据的传输和变动十分巨大,由此将CAD模型数据和CAE模型数据放置在一个统一的工程数据库中十分重要,一是可以减少数据的冗余量和因数据转换而带来的误差,二是对统一的数据库进行操作可以减轻程序的开发工作量(包括系统开发和二次开发),提高程序运行的效率。

  (3)CAD模型和CAE模型映射机制的建立

  为了提高设计与分析的自动化,减轻工作人员的手工劳动量,必须建立CAD模型向CAE模型的自动转换功能以及分析结果向设计的自动反馈功能。在CAD模型向CAE模型的自动转换过程中,应该建立以下几项功能:基于特征的有限元网格自动划分功能,基于特征的分析模型简化功能,基于特征的载荷与边界条件处理功能,基于特征的问题自定义功能。在分析结果向设计的自动反馈过程中,不但要具备图形显示分析过程的功能,还应该在此基础上建立自动评价体系,并将评价的结果输入到设计模块中。设计与分析映射是建立模型转换响应机制的核心。

  (4)基于人工智能的推理技术

  在实现上述的映射机制过程中,人工智能技术十分重要,没有人工智能技术的支持不可能建立起一个满意的自动化映射机制,人工智能技术在映射过程中起到控制、评价和决策的作用。人工智能技术包括神经网络技术、专家系统、知识推理技术、模糊推理技术等一系列先进技术,只有充分运用这些先进的控制、决策、评价技术,模型转换的双向相关机制才能灵活地运作起来,否则就会陷于呆板和迟滞。

作者:侠名

来源:比特网(http://do.chinabyte.com/473/11572473.shtml)