淺析CAD/CAE集成技術(shù)

1前言

　　經(jīng)過(guò)多年來(lái) CADCAE集成技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，當(dāng)前，形成了若干集成途徑，并在各領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用。但仍距離預(yù)期CADCAE的“無(wú)縫”融合目標(biāo)存在較大差距。特別是在航空航天領(lǐng)域，由于模型特征的復(fù)雜性、力學(xué)簡(jiǎn)化方式的多樣性等原因，CADCAE集成的應(yīng)用一直不理想。

　　從航空航天CAE分析的特點(diǎn)角度，導(dǎo)致CADCAE集成技術(shù)困難的原因可以歸納為：

　　(1)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜

　　航天產(chǎn)品是一個(gè)復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)，含有大量的眾多形式的受力構(gòu)件(如蒙皮、桁條、腹板、接頭、復(fù)合材料層板等)。單單從CAD、CAE領(lǐng)域本身快速精確地構(gòu)建這些特征的模型就不是一件容易的工作。

　　(2)結(jié)構(gòu)不連續(xù)性強(qiáng)

　　航天結(jié)構(gòu)中又常常因?yàn)闃?gòu)造和工藝上的需要，或是為了維修方便和減重等原因，而不得不在鈑金件上實(shí)施開(kāi)口等處理，加受力或不受力口蓋，以及迫使桿件斷開(kāi)等，形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。

　　(3)模型異構(gòu)性強(qiáng)

　　在航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，上述的板筋、梁板和桿系等組合結(jié)構(gòu)，是非常典型的。區(qū)別與面向裝配和制造的CAD建模，復(fù)雜板筋、梁板、桿系組合結(jié)構(gòu)的FEA建模應(yīng)該有它固有的力學(xué)方法和途徑。這些都使得航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元模型化過(guò)程變得繁瑣復(fù)雜。而且，不同的分析問(wèn)題對(duì)模型的要求差異較大，造成CAD、CAE共享數(shù)據(jù)非常困難。

　　(4)CAE知識(shí)程度要求高

　　不僅如此，工程分析人員為了能夠盡可能地獲取反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力行為的分析模型，還必須對(duì)結(jié)構(gòu)傳力路線、材料特性、構(gòu)件受載模式及結(jié)構(gòu)不連續(xù)性對(duì)剛度產(chǎn)生的影響等因素有清晰的了解, 并進(jìn)行妥善地處理。因此, 模型化工作又是一項(xiàng)知識(shí)密集型活動(dòng)。

　　2 CADCAE集成技術(shù)途徑分析

　　近兩年來(lái)，隨數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展，CAD、CAE市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生了重大變化，出現(xiàn)了不少CAD公司與CAE公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟和并購(gòu)，如Dassault公司與MSC公司的聯(lián)盟、Autodesk公司與Ansys公司的聯(lián)盟等，雙方通過(guò)開(kāi)放直接數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了CADCAE數(shù)據(jù)的“無(wú)縫”集成，使得CADCAE集成方式獲得了轉(zhuǎn)變性突破。本文認(rèn)為今后CADCAE集成技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)從下述方向展開(kāi)：

　　2.1 搭建

　　CADCAE中間“浮橋”集成途徑早期，由于CAD、CAE分屬于不同的軟件公司，CADCAE的集成多以搭建CAD、CAE信息溝通中間“浮橋”的方式進(jìn)行。其中，根據(jù)集成的目的不同，由兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

　　2.1.1以共享

　　CAD幾何信息為重點(diǎn)為了充分利用CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的幾何模型，減少CAE前處理階段重新建立幾何模型的重復(fù)勞動(dòng)，如何有效利用CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的幾何模型是這種集成方式的研究重點(diǎn)。采用中間標(biāo)準(zhǔn)幾何描述文件是重要的研究方向，產(chǎn)生了IGES、STL、step等中性格式。近年來(lái)，基于step文件格式的集成方式得到了深入研究和工程應(yīng)用。STEP格式標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，是CIMS系統(tǒng)和并行工程的技術(shù)核心。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量基于STEP格式的CADCAE集成技術(shù)研究和應(yīng)用。

　　但由于軟件更新、軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)法獲得等原因，采用中間文件的方式，“信息孤島”問(wèn)題在工程研制中仍沒(méi)有有效消除。

　　
2.1.2以優(yōu)化設(shè)計(jì)為集成重點(diǎn)

　　多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)是側(cè)重于模型集成，因此，對(duì)于MDO應(yīng)用，CADCAE集成以提供參數(shù)化的模型為主。常采用的方式是有集成優(yōu)化系統(tǒng)控制主參數(shù)，CAD和CAE系統(tǒng)提供參數(shù)化的模型，模型能夠受主參數(shù)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變化。由于CAE很難像CAD那樣

　　給出基于特征的參數(shù)化模型，所以實(shí)際應(yīng)用中一般均給出CAE分析的過(guò)程文件(如ANSYS的APDL文件)，通過(guò)建立主參數(shù)與過(guò)程文件中變量的映射實(shí)現(xiàn)模型的驅(qū)動(dòng)。下圖給出了集成方式示意圖。

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)的CADCAE集成方式