CAD/CAE集成技術淺析

1前言

　　經過多年來 CADCAE集成技術的發展應用，當前，形成了若干集成途徑，并在各領域得到了不同程度的應用。但仍距離預期CADCAE的“無縫”融合目標存在較大差距。特別是在航空航天領域，由于模型特征的復雜性、力學簡化方式的多樣性等原因，CADCAE集成的應用一直不理想。

　　從航空航天CAE分析的特點角度，導致CADCAE集成技術困難的原因可以歸納為：

　　(1)結構組成復雜

　　航天產品是一個復雜組合結構，含有大量的眾多形式的受力構件(如蒙皮、桁條、腹板、接頭、復合材料層板等)。單單從CAD、CAE領域本身快速精確地構建這些特征的模型就不是一件容易的工作。

　　(2)結構不連續性強

　　航天結構中又常常因為構造和工藝上的需要，或是為了維修方便和減重等原因，而不得不在鈑金件上實施開口等處理，加受力或不受力口蓋，以及迫使桿件斷開等，形成結構不連續性。

　　(3)模型異構性強

　　在航天產品結構中，上述的板筋、梁板和桿系等組合結構，是非常典型的。區別與面向裝配和制造的CAD建模，復雜板筋、梁板、桿系組合結構的FEA建模應該有它固有的力學方法和途徑。這些都使得航天產品結構的有限元模型化過程變得繁瑣復雜。而且，不同的分析問題對模型的要求差異較大，造成CAD、CAE共享數據非常困難。

　　(4)CAE知識程度要求高

　　不僅如此，工程分析人員為了能夠盡可能地獲取反映結構真實受力行為的分析模型，還必須對結構傳力路線、材料特性、構件受載模式及結構不連續性對剛度產生的影響等因素有清晰的了解, 并進行妥善地處理。因此, 模型化工作又是一項知識密集型活動。

　　2 CADCAE集成技術途徑分析

　　近兩年來，隨數字化技術的深入發展，CAD、CAE市場的產業格局發生了重大變化，出現了不少CAD公司與CAE公司的戰略聯盟和并購，如Dassault公司與MSC公司的聯盟、Autodesk公司與Ansys公司的聯盟等，雙方通過開放直接數據接口，實現了CADCAE數據的“無縫”集成，使得CADCAE集成方式獲得了轉變性突破。本文認為今后CADCAE集成技術應重點從下述方向展開：

　　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”的方式進行。其中，根據集成的目的不同，由兩種技術實現手段。

　　2.1.1以共享

　　CAD幾何信息為重點為了充分利用CAD系統設計完成的幾何模型，減少CAE前處理階段重新建立幾何模型的重復勞動，如何有效利用CAD系統產生的幾何模型是這種集成方式的研究重點。采用中間標準幾何描述文件是重要的研究方向，產生了IGES、STL、step等中性格式。近年來，基于step文件格式的集成方式得到了深入研究和工程應用。STEP格式標準的目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期中的產品數據，是CIMS系統和并行工程的技術核心。國內外開展了大量基于STEP格式的CADCAE集成技術研究和應用。

　　但由于軟件更新、軟件內部數據結構無法獲得等原因，采用中間文件的方式，“信息孤島”問題在工程研制中仍沒有有效消除。

　　
2.1.2以優化設計為集成重點

　　多學科設計優化(MDO)是側重于模型集成，因此，對于MDO應用，CADCAE集成以提供參數化的模型為主。常采用的方式是有集成優化系統控制主參數，CAD和CAE系統提供參數化的模型，模型能夠受主參數的驅動進行變化。由于CAE很難像CAD那樣

　　給出基于特征的參數化模型，所以實際應用中一般均給出CAE分析的過程文件(如ANSYS的APDL文件)，通過建立主參數與過程文件中變量的映射實現模型的驅動。下圖給出了集成方式示意圖。

　　優化設計的CADCAE集成方式